Базы данных и их сравнительные характеристики

Ограничительные условия, поддерживающие целостность базы данных.

Как следует из определения ссылочной целостности при наличии в ссылочных полях двух таблиц различного представления данных происходит нарушение ссылочной целостности, такое нарушение делает информацию в базе данных недостоверной. Чтобы предотвратить потерю ссылочной целостности, используется механизм каскадных изменений (который чаще всего реализуется специальными объектами СУБД - триггерами). Данный механизм состоит в следующей последовательности действий:

                    при изменении поля связи в записи родительской таблицы следует синхронно изменить значения полей связи в соответствующих записях дочерней таблицы;

                    при удалении записи в родительской таблицы следует удалить соответствующие записи и в дочерней таблице.

Процесс нормализации

Нормализация - процесс приведения реляционных таблиц к стандартному виду. В базе данных могут присутствовать такие проблемы как:

                    Избыточность данных. Повторение данных в базе данных.

                    Аномалия обновления. Противоречивость данных, вызванная их избыточностью и частичным обновлением.

                    Аномалия удаления. Непреднамеренная потеря данных, вызванная удалением других данных.

                    Аномалия ввода. Невозможность ввести данные в таблицу, вызванная отсутствием других данных.

Для решения этих проблем применяют разбиение таблиц - разделение таблицы на несколько таблиц. Для того чтобы это сделать пользуются нормальными формами или правилами структурирования таблиц.

Первая нормальная форма

Реляционная таблица находится в первой нормальной форме (1НФ), если значения в таблице являются атомарными для каждого атрибута таблицы, т.е. такими значениями, которые не являются множеством значений или повторяющейся группой. В определении Кодда реляционной модели уже заложено, что реляционные таблицы находились в 1НФ,

Вторая нормальная форма.

Реляционная таблица находится во второй нормальной форме (2НФ), если никакие неключевые атрибуты не являются функционально зависимыми лишь от части ключа. Таким образом, 2НФ может оказаться нарушена только в том случае, когда ключ составной.

Функциональная зависимость. Значение атрибута в кортеже однозначно определяет значение другого атрибута в кортеже.

Более формально можно определить функциональную зависимость следующим образом: если А и В - атрибуты в таблице В, то запись ФЗ (функциональную зависимость): А - " В обозначает, что если два кортежа в таблице В имеют одно и то же значение атрибута А, то они имеют одно и то же значение атрибута В. Это определение такжеприменимо,если А и В - множества столбцов, а не просто отдельные столбцы.

Атрибут в левой части ФЗ называется детерминантом, так как его значение определяет значение атрибута в правой части. Ключ таблицы является детерминантом, так как его значение однозначно определяет значение каждого атрибута таблицы.

Процесс разбиения на две 2НФ-таблицы состоит из следующих шагов:

1.                  Создается новая таблица, атрибутами которой будут атрибуты исходной таблицы, входящие в противоречащую правилу ФЗ. Детерминант ФЗ становится ключом новой таблицы.

2.                  Атрибут, стоящий в правой части ФЗ, исключается из исходной таблицы.

3.                  Если более одной ФЗ нарушают 2НФ, то шаги 1 и 2 повторяются для каждой такой ФЗ.

4.                  Если один и тот же детерминант входит в несколько ФЗ, то все функционально зависящие от него атрибуты помещаются в качестве неключевых атрибутов в таблицу, ключом которой будет детерминант.

Третья нормальная форма

Реляционная таблица имеет третью нормальную форму (ЗНФ), если для любой ФЗ: Х - У - Х является ключом. Заметим, что любая таблица, удовлетворяющая ЗНФ, также удовлетворяет и 2НФ. Однако обратное неверно.

Критерий нормальной формы Бойса-Кодда (НФБК) утверждает, что таблица удовлетворяет ЗНФ, если в ней нет транзитивных зависимостей. Транзитивная зависимость возникает, если неключевой атрибут функционально зависит от одного или более неключевых атрибутов. То есть этот критерий учитывает следующие два случая:

1.                  Неключевой атрибут зависит от ключевого атрибута, входящего в составной ключ (критерий нарушения 2НФ).

2.                  Ключевой атрибут, входящий в составной ключ, зависит от неключевого атрибута.

Таким образом, если таблица удовлетворяет НФБК, то она также удовлетворяет ЗНФ в смысле транзитивных зависимостей и 2НФ.

Четвертая нормальная форма

Таблица имеет четвертую нормальную форму (4НФ), если она имеет ЗНФ и не содержит многозначных зависимостей. Поскольку проблема многозначных зависимостей возникает в связи с многозначными атрибутами, то мы можем решить проблему, поместив каждый многозначный атрибут в свою собственную таблицу вместе с ключом, от которого атрибут зависит.

Пятая нормальная форма.

Пятая нормальная форма (5НФ) была предложена для того, чтобы исключить аномалии, связанные с особым типом ограничительных условий, называемых совместными зависимостями. Эти зависимости имеют в основном теоретический интерес и сомнительную практическую ценность. Следовательно, пятая нормальная форма в действительности не имеет практического применения.

Нормальная форма область/ключ.

Таблица имеет нормальную форму область/ключ (НФОК), если любое ограничительное условие в таблице является следствием определений областей и ключей. Однако не был дан общий метод приведения таблицы к НФОК.

В качестве примера, рассмотрим структуру реляционной базы данных, описывающей "отношения" пациентов и докторов в произвольной клинике (область приложения примера выбрана из-за того, что в сертификационных тестах Oracle аналогичные примеры встречаются очень часто). Пусть существует некая клиника, основные характеристики которой описываются в таблице CLINICS, в данной клинике работают доктора, основные характеристики которых описывает таблица DOCTORS. Данные пациентов клиники хранятся в таблице PATIENTS. Взаимосвязи между таблицами представлены на рис.10. (Для упрощения предполагается, что у доктора может быть несколько пациентов, которые не являются пациентами других докторов, для реализации реальной картины, когда один пациент может относиться к нескольким разным докторам, между таблицами DOCTORS и PATIENTS необходимо включить дополнительную связывающую таблицу).

Рис. 2. Диаграмма, иллюстрирующая отношения таблиц АИС.

Представленная структура, конечно, не обладает функциональной полнотой с точки зрения проектирования АИС клиники, с ее помощью мы лишь рассмотрим различные типы отношений в реляционных СУБД.

Перед тем, как перейти к рассмотрению вопросов стандартизации и целостности данных в РСУБД несколько рекомендаций по выбору наименований таблиц и полей. Внимательно взглянув на описание таблиц можно заметить, что генерация наименований таблиц и столбцов подчиняется некоторой синтаксической конструкции, которая в общем виде может быть представлена следующим образом:

Для таблиц:

<Псевдоним АИС>_<Псевдоним модуля АИС>_:_<Псевдоним подмодуля>_<Имя таблицы>

Например, если бы мы разрабатывали АИС клиники c сокращенным названием CSL, то все таблицы входящие в данную систему было бы целесообразно называть

CSL_<имя модуля>_<имя таблицы>.

Для столбцов:

<Псевдоним таблицы>_<имя столбца>.

Например, как показано на рис.2. Регистрационный номер пациента храниться в поле PT_REG_NUMBER, таблицы PATIENTS, имеющий псевдоним PT.

Конечно, использование этих не хитрых правил не является обязательным, но позволяет значительно облегчить читаемость разработанной информационной структуру. Предположите, как было бы все, если бы поля таблиц назывались P111, P112 и т.п., а ведь такие вещи встречаются практически очень часто, например в FoxPro 2.6.

Перейдем к рассмотрению вопросов стандартизации и обеспечения ссылочной целостности реляционных таблиц.

Преобразование отношений

Поля таблиц могут находиться между собой в одном из следующих отношений:

один-к-одному, один-ко-многим, многие-ко-многим и рекурсивных, определения которых приведены в табл.1. Рассмотрим преобразование отношений на примере АИС "ДОКТОР-ПАЦИЕНТ" (рис.2).

Отношение один-к-одному представляет собой такое отношение, при котором каждой записи в таблице А соответствует единственная запись в таблице В (рис.1). Применение такого типа отношений встречается крайне редко и предназначено в основном для функционального разделения информации на несколько таблиц, т.е. когда не хотят, чтобы таблица БД "распухала" от второстепенной информации. На рис.10 представлено, как используя отношение один-к-одному таблица PATIENTS преобразована в две таблицы: PATIENTS_REG и PATIENTS_KART (на рисунке показаны только основные атрибуты таблиц). Также необходимо принимать во внимание, что БД использующие такие отношения не могут быть полностью нормализованы.

Рис.1. Отношение один к одному.

Отношение один-ко-многим можно без преувеличения назвать основным типом отношений использующемся при проектировании современных БД, так как позволяет представлять иерархические структуры данных. Под данным отношение понимается такое отношение, когда одной записи в родительской таблице соответствуют записи в дочерней таблице (причем число соответствующих записей выражается рядом натуральных чисел 0,1,2,:N и т.п.) (рис.2). Отношения один-ко-многим могут быть жесткими и нежесткими. Для жестких отношений должно выполнять требование, что каждой записи в родительской таблице должна соответствовать хотя бы одна запись в дочерней таблице.

Рис.2. Отношение один ко многим.

Отношение многие-ко-многим представляет собой отношение при котором записям родительской таблицы соответствуют записи дочерней таблицы, а ряду записей дочерней таблицы соответствуют записи в родительской таблицы (рис.13). Использование такого типа отношений крайне ограничено, не только из-за того, что некоторые БД его вообще не поддерживают на уровне индексов и ссылочной целостности, но и потому, что практически любое отношение многие-ко-многим может быть заменено одним или более отношением один-ко-многим (посмотрите на пример на рис.3. и так не когда не делайте).

Рис.3. Отношение многие ко многим.

Другим важным типом отношений - является рекурсивное отношение, т.е. такое отношение которое описывает связи между записями внутри одной таблицы БД, т.е. оно связывает объектное множество с ним самим. Пример рекурсивных отношений показан на рис.4., который иллюстрирует, что доктора Петров А.А. и Васин Н.Н. находятся в зависимости от доктора Сидорова В.Н.. В зависимости от функционального назначения этого отношения оно может иллюстрировать, например, что они являются пациентами доктора Сидорова В.Н., или Сидорова В.Н. является по отношению к ним начальником и т.п. Данный тип отношений позволят реализовать древовидную структуру функциональных отношений, например, структуру организации.

Рис.4. Отношение многие ко многим.

Учитывая требования ссылочной целостности и нормализации на основе применения рассмотренных выше типов отношений осуществляется преобразование функциональной модели бизнес - процессов и реаляционную модель. Итогом этапа является диаграмма "Сущность-связь" (часто называемая CASE диаграмма, ER-диаграама, рис.2).