Лекция Проектирование реляционных баз данных на основе принципов нормализации: дальнейшая нормализация

Введение

1. Многозначные зависимости и четвертая нормальная форма

1.1. Аномалии обновлений при наличии многозначных зависимостей и возможная декомпозиция

1.2. Многозначные зависимости. Теорема Фейджина. Четвертая нормальная форма

2. Зависимости проекции/соединения и пятая нормальная форма

2.1. N-декомпозируемые отношения

2.2. Зависимость проекции/соединения

2.3. Аномалии, вызываемые наличием зависимости проекции/соединения

2.4. Устранение аномалий обновления в 3-декомпозиции

2.5. Пятая нормальная форма

Заключение

Функциональные зависимости, о которых мы говорили в предыдущих двух лекциях, и нормальные формы, основанные на учете «аномальных» функциональных зависимостей, являются естественными и легко понимаемыми, поскольку в их основе лежит понятие функционального отображения, интуитивно понятного даже людям, далеким от математики. Конечно, было бы замечательно, если бы ликвидация в ходе нормализации аномальных функциональных зависимостей гарантировала отсутствие аномалий обновления отношений.

К сожалению, эта гарантия в общем случае не обеспечивается. Иногда в переменных отношений требуется поддержка более сложных ограничений целостности, для выражения которых понятие функции оказывается недостаточным.

Класс зависимостей, опирающихся на понятие функционала – обобщение понятия функции, обнаружил в 1970-е гг. Рональд Фейджин. Он назвал такие зависимости многозначными, поскольку в них одному значению детерминанта соответствует множество значений зависимого атрибута.

Наличие в переменной отношения многозначных зависимостей, не являющихся функциональными зависимостями от возможного ключа, приводит к аномалиям обновления таких отношений.

Фейджин показал, что в этом случае возможна декомпозиция данных отношений на две проекции, для которых подобные аномалии обновления не проявляются. Такие проекции находятся в четвертой нормальной форме.

Позже было установлено, что при наличии некоторых естественных ограничений, являющихся обобщением ограничений многозначных зависимостей, и в отношениях, которые находятся в четвертой нормальной форме, проявляются аномалии обновления. Более того, эти аномалии невозможно устранить путем проецирования отношения на две проекции, требуется декомпозиция на три или большее число отношений.

Такие ограничения получили название зависимостей проекции/соединения. Отношение, в котором существует нетривиальная зависимость проекции/соединения, может быть декомпозировано на три или большее число проекций, в которых зависимости проекции/соединения следуют из возможного ключа.

Такие проекции находятся в пятой нормальной форме, или нормальной форме проекции/соединения. В отношениях, находящихся в пятой нормальной форме, отсутствуют аномалии обновления, которые можно было бы устранить путем декомпозиции, и поэтому при достижении пятой нормальной формы процесс проектирования реляционной базы данных на основе нормализации естественным образом завершается.

Процесс проектирования реляционной базы на основе метода нормализации преследует две основных цели:

- избежать избыточности хранения данных;

- устранить аномалии обновления отношений.

Рассмотрим, насколько эти цели актуальны в современных условиях, когда объемы доступных носителей внешней памяти непрерывно возрастают, стоимость их падает, а современные серверы реляционных баз данных способны автоматически поддерживать целостность баз данных. Здесь следует отметить два важных обстоятельства.

Во-первых, теория реляционных баз данных и методы их проектирования активно развивались уже более 25 лет тому назад. Ситуация в области технологии аппаратуры и программного обеспечения тогда была совсем иной, чем сегодня, и хорошо нормализованные реляционные базы данных в значительной степени способствовали росту эффективности приложений.

Во-вторых, в то время реляционные базы преимущественно использовались в информационных системах оперативной обработки транзакций (On-Line Transaction Processing – OLTP). Характерные примеры таких систем мы отмечали в лекции 1 – банковские системы, системы резервирования билетов и мест в гостиницах. Системам категории OLTP свойственны частые обновления базы данных, поэтому аномалии обновлений, даже если их корректировка производится СУБД автоматически, могут заметно снижать эффективность приложения.

Сегодня на переднем крае приложений баз данных находятся системы категории оперативной аналитической обработки (On-Line Analytical Processing – OLAP). В подобных системах, в частности, системах поддержки принятия решений, базы данных в основном используются для выборки данных, поэтому аномалиями обновлений можно пренебречь, а объем этих баз настолько огромен, что можно пренебречь и избыточностью хранения.

Значит ли это, что подход к проектированию реляционных баз данных методом нормализации утратил свою роль? Нет!

Мир приложений баз данных в настоящее время огромен. Сегодня любое мало-мальски приличное предприятие использует хотя бы одно приложение баз данных – бухгалтерские, складские, кадровые системы. Это системы категории OLTP с частым обновлением данных и умеренными запросами к базе данных, не вызывающими соединений многих отношений. Для небольших компаний равно важны как эффективность информационных систем, так и стоимость используемых аппаратно-программных средств. Правильно спроектированные, хорошо нормализованные реляционные базы данных помогают решению корпоративных проблем.

Да, любое правильно развивающееся предприятие рано или поздно приходит к использованию систем категории OLAP, например, некоторой разновидности систем поддержки принятия решений (Decision Support System – DSS). В базах данных таких систем обновления очень редки, а запросы могут иметь произвольную сложность, включая соединения многих отношений. Но, во-первых, технологически правильно для системы OLAP поддерживать отдельную базу данных (обычно подобные базы данных называют хранилищами данных – DataWarehouse), а во-вторых, основными источниками данных для построения таких хранилищ данных являются базы данных систем OLTP. Так что актуальность правильно спроектированных баз данных OLTP-систем не уменьшается, а постоянно возрастает.

Следует ли из этого, что принципы нормализации непригодны для проектирования баз данных OLAP-приложений? И снова в ответ категорическое НЕТ! Возможно, окончательная схема такой базы данных должна быть денормализована из соображений повышения эффективности выполнения запросов. Но чтобы получить правильную денормализованную схему, нужно сначала понять, как выглядит нормализованная схема.

Основной вывод этой и предыдущей лекций можно сформулировать следующим образом. Пока мы остаемся в мире реляционных баз данных, для правильного проектирования базы данных необходимо понимать принципы нормализации, воспринимая их не как догму, а как руководство к действию. Кстати, это относится не только к «ручному» проектированию реляционных баз данных, но и к их проектированию с применением семантических моделей данных и CASE-средств, которые мы обсудим в следующих двух лекциях.