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　　第五章 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)

　　5.1 概述

　　5.2 基本概念

　　5.2.1 關(guān)系模型

　　1、 關(guān)系模型采用一個(gè)二維表格在計(jì)算機(jī)中組織、存儲(chǔ)、處理和管理數(shù)據(jù)。

　　(1) 關(guān)系名(數(shù)據(jù)庫(kù)名)：由字母數(shù)字組成;

　　(2) 屬性名;

　　(3) 關(guān)系模式和關(guān)系：描述模式描述關(guān)系的靜態(tài)結(jié)構(gòu)，由模式名、關(guān)系模式所包含的屬性及屬性值所滿足的條件組成模式定義。

　　(4) 元組：描述關(guān)系中的行;

　　(5) 域：它定義關(guān)系的每個(gè)屬性取值的類型;

　　(6) 主碼：能夠惟一標(biāo)識(shí)關(guān)系中每一個(gè)元組的屬性或?qū)傩越M;

　　(7) 關(guān)系的數(shù)學(xué)定義：關(guān)系模式是建立在集合集論的基礎(chǔ)上的，用數(shù)學(xué)的概念定義關(guān)系有;

　　(A) 定義一：域是值的集合，同一個(gè)域中的值具有相同的數(shù)據(jù)類型;

　　(B) 定義二：

　　(C) 定義三：

　　(D) 當(dāng)關(guān)系引用了屬性名后關(guān)系具有以下屬性：

　　[1] 不能有重復(fù)的元組;

　　[2] 元組上下無序;

　　[3] 按屬性名引用時(shí)屬性左右無序;

　　[4] 所有屬性值都是原子項(xiàng)(不可再分);

　　(8) 總結(jié)：關(guān)系是一張二維表，表中的一行被稱為一個(gè)元組，一列稱為屬性，由一組域值組成。關(guān)系是元組的集合，關(guān)系中的每個(gè)元組在數(shù)學(xué)上被定義為這個(gè)關(guān)系所涉及的全部域值中笛卡兒積的一個(gè)元素。

　　5.2.2 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)

　　1、 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)是按照二維表組織和存儲(chǔ)的相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系的集合，關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)模式是關(guān)系模式的集合;

　　5.2.3 關(guān)系的完整性

　　1、 關(guān)系的完整性(完整性約束)：是對(duì)關(guān)系的某種約束規(guī)則和關(guān)系滿足的定義。通常這組約束規(guī)則用來限定和檢查數(shù)據(jù)庫(kù)所含實(shí)例的合法性和正確性;

　　2、 完整性約束分靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種，靜態(tài)完整性約束是基于關(guān)系模式的，主要有主碼、外碼約束和域約束組成;動(dòng)態(tài)完整性約束是基于企業(yè)的業(yè)務(wù)規(guī)則的。

　　3、 靜態(tài)完整性約束規(guī)則：

　　(1) 主碼約束：主碼必須滿足：

　　(A) 惟一性：在一個(gè)關(guān)系中不存在兩個(gè)元組，它們具有相同的主碼值;

　　(B) 最小性：不存在從組成主碼的屬性集中去掉一個(gè)屬性，還仍能保持?jǐn)?shù)據(jù)的惟一性;

　　(2) 外碼約束：

　　(3) 用戶定義的完整性：

　　5.3 關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)理論

　　5.3.1 問題的提出

　　究竟一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)包含哪些屬性是合理的，如何評(píng)價(jià)一個(gè)關(guān)系模式設(shè)計(jì)的優(yōu)劣?

　　5.3.2 函數(shù)依賴

　　函數(shù)依理論利用一個(gè)關(guān)系中屬性之間的依賴關(guān)系評(píng)價(jià)和優(yōu)化關(guān)系模式，以保證存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系具有較好特性;

　　1、 函數(shù)依賴：

　　(1) 設(shè)R(U)為一關(guān)系模式，X和Y為屬性全集U的子集，若對(duì)于R(U)的任意一個(gè)可能的關(guān)系r，r中不可能存在兩個(gè)元組在X上的屬性值相等，而在Y上的屬性值不等，則稱“X函數(shù)決定Y”或“Y函數(shù)依賴于X”，并記作X

　　Y，其中X稱為決定因素，因?yàn)楦鶕?jù)函數(shù)依賴定義，給定一個(gè)X，就能惟一決定一個(gè)Y。

　　(2) 這里討論的函數(shù)關(guān)系與數(shù)學(xué)上的不同，是不能計(jì)算的，是一個(gè)關(guān)系中屬性之間存在的依賴關(guān)系;它是一種語(yǔ)義范疇的概念，只能根據(jù)兩個(gè)屬性之間的語(yǔ)義來確定一個(gè)函數(shù)依賴是否存在。

　　2、 完全與部分函數(shù)依賴：

　　(1) 在關(guān)系模式R(U)中，如果XàY成立，并且對(duì)X的任何真子集X’不能函數(shù)決定Y，則稱Y對(duì)X是完全函數(shù)依賴，被記作X---f---àY。

　　(2) 若XàY，但Y不完全函數(shù)依賴于X，則稱Y對(duì)X是部分函數(shù)依賴，記作X--pàY;

　　3、 傳遞函數(shù)依賴：

　　在關(guān)系R(U)模式中，如果X決定Y，(Y不屬于X)，Y不決定X，Y決定Z，則稱Z對(duì)X傳遞函數(shù)依賴。

　　4、 平凡與非平凡函數(shù)依賴：

　　(1) 若X決定Y，但Y屬于X，則稱XàY是平凡函數(shù)依賴，否則稱非平凡函數(shù)依賴;

　　(2) 即平凡函數(shù)依賴，僅當(dāng)其右邊的屬性集是左邊屬性集的子集時(shí)成立;

　　(3) 非平凡函數(shù)依賴，僅當(dāng)其右邊的屬性集至少有一個(gè)屬性不屬于左邊有集合時(shí)成立;

　　(4) 完全非平凡函數(shù)依賴：僅當(dāng)其右邊的屬性集中屬性都不在左邊的集合時(shí)成立;

　　5、 碼：

　　(1) 在關(guān)系模式R(U)中，K為R的屬性或?qū)傩越M，若K函數(shù)決定A1.A2….An，則K為關(guān)系模式R的候選碼，包含在候選碼中的屬性稱為主屬性，否則為非主屬性;

　　(2) 若一個(gè)關(guān)系的候選碼不止一個(gè)，則選定其中一個(gè)作為關(guān)系R的主碼;

　　(3) 關(guān)系的碼屬性除了必須完全函數(shù)決定關(guān)系的所有其他屬性外，還必須滿足最小化規(guī)則，即在關(guān)系模式R(U)中，不存在一個(gè)K的真子集能夠函數(shù)決定R的其他屬性。

　　6、 函數(shù)依賴的推理規(guī)則：

　　(1) 自反律：若Y(包含于)X(包含于)U，則XàY成立;

　　(2) 增廣律：若XàY，且Z(包含于)U，則XZàYZ成立;

　　(3) 傳遞律：若XàY，YàZ，則XàZ成立;

　　(4) 合并規(guī)則：若XàY，XàZ成立，則XàYZ;

　　(5) 分解規(guī)則：若XàY和Z(包含于)Y成立，則XàZ也成立;

　　(6) 偽傳遞規(guī)則：若XàY，YWàZ，則XWàZ成立;

　　7、 屬性集閉包：

　　(1) 設(shè)F是屬性集U上的函數(shù)依賴集，X為U的一個(gè)子集，那么對(duì)于F，屬性集X關(guān)于F的閉包(用X+表示)為：X+={A|XàA}

　　(2) 由屬性集團(tuán)包的定義可知，若想判斷函數(shù)依賴XàY是否成立，只要計(jì)算X關(guān)于函數(shù)依賴集F的閉包，若Y是X閉包中的一個(gè)元素則XàY成立;

　　8、 確定關(guān)系的碼：

　　(1) 利用迭代算法計(jì)算X+，步驟如下：

　　(A) 選X作為閉包X+的初值X(0);

　　(B) 由X(i)計(jì)算X(i+1)時(shí)，它是由X(0)并上屬性集合A所組成，其中A滿足下列條件：Y(包含于)X(i)，且F中存在函數(shù)依賴YàZ，而A(包含于)Z。因?yàn)閁是有窮的，所以會(huì)得到X(i)=X(i+1)，此時(shí)X(i)為所求的X+。

　　5.3.3 規(guī)范化設(shè)計(jì)方法

　　1、 第一范式：

　　(1) 定義：設(shè)關(guān)系模式R(F，U)，如果R的每一個(gè)屬性都是不可分的數(shù)據(jù)項(xiàng)，則此關(guān)系模式為第一范式;

　　(2) 一個(gè)給定關(guān)系和第一范式(1NF)的區(qū)別：

　　(A) 一個(gè)關(guān)系中的數(shù)據(jù)按照行和列的形式組織，每個(gè)元組具有相同數(shù)目的屬性個(gè)數(shù)，且每一個(gè)元組的屬性值具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)類型和長(zhǎng)度;元組或?qū)傩缘呐帕信c順序無關(guān)，每個(gè)元組必須通過一個(gè)屬性或?qū)傩越M惟一識(shí)別;

　　(B) 第一范式實(shí)際上對(duì)關(guān)系增加了一個(gè)約束，即關(guān)系中元組的每個(gè)屬性都只取一個(gè)值，第一范式是對(duì)關(guān)系模式的基本要求，不滿足第一范式的數(shù)據(jù)庫(kù)就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。

　　2、 第二范式：

　　(1) 定義：若關(guān)系模式R(F，U)是1NF，且每個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴于碼，則稱R為第二范式，即在2NF中不存在非主屬性對(duì)碼的部分依賴;

　　(2) 僅滿足第一范式關(guān)系會(huì)存在種種問題，要消除必須用更高級(jí)的范式標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)，稱為標(biāo)準(zhǔn)化;

　　(3) 具體做法是將大的關(guān)系分解成多個(gè)小的關(guān)系，使分解后的關(guān)系滿足更高級(jí)范式的要求。

　　(4) 第二范式實(shí)際上對(duì)關(guān)系增加了一個(gè)約束，就是關(guān)系中的每一個(gè)屬性必須完全依賴于主碼，即在第一范式的基礎(chǔ)上，消除非主屬性對(duì)主碼的部分函數(shù)依賴可達(dá)到2NF;

　　3、 第三范式：

　　(1) 定義：若關(guān)系R(U，F(xiàn))為第一范式，且不存在非主屬性對(duì)主碼的傳遞函數(shù)依賴，則稱R為第三范式;

　　(2) 第三范式是在第二范式的基礎(chǔ)上對(duì)關(guān)系又增加了一個(gè)約束，就是關(guān)系中的每一個(gè)非主屬性必須只依賴于主碼。即2NF的基礎(chǔ)上，消除非主屬性對(duì)主碼的傳遞函數(shù)依賴可達(dá)到3NF。

　　4、 改進(jìn)的第三范式：

　　(1) 定義：如果關(guān)系模式R是1NF，且每個(gè)屬性既不相存在部分函數(shù)依賴也不存在傳遞函數(shù)依賴于候選碼，則稱R是改進(jìn)的第三范式(BCNF)。

　　5、 多值依賴與4NF：

　　(1) 多值依賴：表示關(guān)系中屬性(如A、B、C)之間的依賴，對(duì)于A的每個(gè)值，都存在一個(gè)B或C的值的集合，而且B和C的值相互獨(dú)立，記為：AààB、AààC

　　(2) 第四范式：如果關(guān)系模式R屬于1NF，對(duì)于R的每個(gè)非平凡的多值依賴XàY(Y不屬于X)，X含有候選碼，則R是第四范式。即是從BCNF范式中消除主碼內(nèi)的獨(dú)立依賴集(非平凡多值依賴)可達(dá)4NF;

　　6、 連接依賴與5NF

　　(1) 連鎖依賴：設(shè)關(guān)系模式R，R的屬性子集為R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7….，當(dāng)且僅當(dāng)R的每個(gè)合法值等于R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7…的投影連接時(shí)，稱R滿足連接依賴;

　　(2) 第五范式：設(shè)R是一個(gè)滿足5NF的關(guān)系模式，當(dāng)且僅當(dāng)R的每一個(gè)非平凡連接依賴都被R的候選碼所蘊(yùn)含，即從4NF中消除非候選碼所蘊(yùn)含的連接依賴為5NF;

　　7、 總結(jié)：

　　(1) 范式表達(dá)了關(guān)系模式滿足的條件，也是衡量關(guān)系模式設(shè)計(jì)優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn);

　　(2) 利用范式進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)的目的是消除數(shù)據(jù)冗余，避免出現(xiàn)異常，使結(jié)構(gòu)更合理;

　　(3) 規(guī)范化設(shè)計(jì)的基本過程是對(duì)關(guān)系進(jìn)行的分解，消除屬性間不合理的數(shù)據(jù)依賴，用一組等價(jià)的子關(guān)系代替原有的關(guān)系;

　　(4) 數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范化的程序越高，其關(guān)系表就越多，從而增加了表之間連接運(yùn)算的代價(jià)，影響了數(shù)據(jù)庫(kù)的執(zhí)行速度和性能。所以通常關(guān)系模式規(guī)范化工作僅做到3NF，這樣既使關(guān)系中不合理的屬性基本消除，規(guī)范化程度也不太高，保證數(shù)據(jù)庫(kù)有較好的性能。

　　5.4 數(shù)據(jù)庫(kù)模式設(shè)計(jì)

　　5.4.1 初始關(guān)系模式的設(shè)計(jì)

　　1、 把ER圖轉(zhuǎn)換成關(guān)系模式：

　　(1) 把ER模型中的每個(gè)實(shí)體集轉(zhuǎn)換成一個(gè)同名的關(guān)系，實(shí)體集的屬性就是關(guān)系的屬性，實(shí)體集的碼就是關(guān)系的碼;

　　(2) 把ER模型中的每個(gè)聯(lián)系轉(zhuǎn)換成一個(gè)關(guān)系，與該聯(lián)系相連的各實(shí)體集的碼以及聯(lián)系的屬性轉(zhuǎn)換成為關(guān)系的屬性。

　　(A) 若聯(lián)系為1：1，則每個(gè)實(shí)體集的碼均是該關(guān)系的候選碼;

　　(B) 若聯(lián)系為1：n，則關(guān)系的碼為n端實(shí)體集的碼;

　　(C) 若聯(lián)系為m：n，則關(guān)系的碼為各實(shí)體集碼的組合;

　　(3) 合并具有相同碼的關(guān)系

　　2、 檢查確認(rèn)對(duì)象：檢查轉(zhuǎn)換后的每個(gè)關(guān)系名和屬性名是否符合數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)關(guān)于統(tǒng)一命名的約定;

　　5.4.2 優(yōu)化關(guān)系模式

　　1、 模式分解原則：

　　(1) 分解具有無損連接性：分解后的關(guān)系能夠恢復(fù)成原來的關(guān)系;

　　(2) 分解保持函數(shù)依賴：

　　(A) 無損連接和保持函數(shù)依賴是用于衡量一個(gè)模式分解是否導(dǎo)致原有模式中部分信息丟失的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn);

　　(B) 當(dāng)一個(gè)關(guān)系被分解后會(huì)出現(xiàn)幾種結(jié)果，既有無損連接，又能保持函數(shù)依賴是較理想的分解結(jié)果，意味著在分解的過程中沒有丟失原有模式的任何信息;

　　(C) 一般情況下，分解到3NF就足夠了，但在3NF關(guān)系下，仍存在一定程度上的更新異�；虿灰恢碌碾[患，但與數(shù)據(jù)庫(kù)性能比較起來是可以忽略的，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)過程中通過增加一些數(shù)據(jù)約束，就可以解決3NF引起的數(shù)據(jù)問題了。

　　3、 優(yōu)化屬性：確定各字段的類型和長(zhǎng)度;

　　4、 確認(rèn)模式滿足需要：

　　5.4.3 數(shù)據(jù)完整性設(shè)計(jì)

　　1、 指定義數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值滿足的約束條件，通過對(duì)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)值的約束維護(hù)關(guān)系的完整性。

　　2、 數(shù)據(jù)值滿足條件分為：

　　(1) 域約束：限制指定列的取值及范圍;

　　(2) 主碼約束：定義每個(gè)關(guān)系的主碼值不空，且惟一;

　　(3) 引用完整性約束：定義不同模式的屬性間滿足的條件，及一個(gè)關(guān)系模式中屬性間可能滿足的條件;

　　5.4.4 安全模式和外模式的設(shè)計(jì)

　　1、 根據(jù)選定的DBMS支持的安全控制特征來確定;

　　2、 根據(jù)不同用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)存取特點(diǎn)定義相關(guān)的外模式;

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