6.1.5. Пятая нормальная форма
Во всех рассмотренных до этого момента нормализациях производилась декомпозиция одного отношения в два. Иногда это сделать не удается, но возможна декомпозиция в большее число отношений, каждое из которых обладает лучшими свойствами.
Рассмотрим, например, отношение
СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)
Предположим, что один и тот же сотрудник может работать в нескольких отделах и работать в каждом отделе над несколькими проектами. Первичным ключем этого отношения является полная совокупность его атрибутов, отсутствуют функциональные и многозначные зависимости.
Поэтому отношение находится в 4NF. Однако в нем могут существовать аномалии, которые можно устранить путем декомпозиции в три отношения.
Определение 12. Зависимость соединения
Отношение R (X, Y, ..., Z) удовлетворяет зависимости соединения * (X, Y, ..., Z) в том и только в том случае, когда R восстанавливается без потерь путем соединения своих проекций на X, Y, ..., Z.
Определение 13. Пятая нормальная форма
Отношение R находится в пятой нормальной форме (нормальной форме проекции-соединения - PJ/NF) в том и только в том случае, когда любая зависимость соединения в R следует из существования некоторого возможного ключа в R.
Введем следующие имена составных атрибутов:
СО = {СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР}
СП = {СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР}
ОП = {ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР}
Предположим, что в отношении СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ существует зависимость соединения:
* (СО, СП, ОП)
На примерах легко показать, что при вставках и удалениях кортежей могут возникнуть проблемы. Их можно устранить путем декомпозиции исходного отношения в три новых отношения:
СОТРУДНИКИ-ОТДЕЛЫ (СОТР_НОМЕР, ОТД_НОМЕР)
СОТРУДНИКИ-ПРОЕКТЫ (СОТР_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)
ОТДЕЛЫ-ПРОЕКТЫ (ОТД_НОМЕР, ПРО_НОМЕР)
Пятая нормальная форма - это последняя нормальная форма, которую можно получить путем декомпозиции. Ее условия достаточно нетривиальны, и на практике 5NF не используется. Заметим, что зависимость соединения является обобщением как многозначной зависимости, так и функциональной зависимости.
Понятия предметной области. Модель «сущность-связь» (ER-модель). Основные понятия модели: сущности, свойства сущностей, связи. Типы связей.
Предметная область (ПО) информационной системы рассматривается как совокупность реальных процессов и объектов (сущностей), пред-ставляющих интерес для её пользователей [7]. Каждая из сущностей ПО обладает определённым набором свойств (атрибутов), среди которых можно выделить существенные и малозначительные. Признание какого-либо свойства существенным носит относительный характер. Например, атрибутДолжность для сотрудника является существенным, а для читателя библиотеки – малозначительным.
Примечание. В данном учебном пособии наименования сущностей, атрибутов и связей вы-деляются курсивом и подчёркиванием. Кроме того:
Сущность записывается прописными буквами (ОТДЕЛ)
Атрибут сущности начинается с прописной буквы (Название). Ключевой атрибут выделяется полужирным шрифтом (Табельный номер).
Связь между сущностями определяется глаголом (работает).
Для упрощения процедуры формализации ПО в большинстве случаев прибегают к определению типов сущностей. Тип позволяет выделить из всего множества сущностей ПО группу сущностей, однородных по структуре и поведению (относительно рамок рассматриваемой ПО). Например, для ПО "Институт" в качестве типов сущностей могут рассматриваться студенты, преподаватели, дисциплины и т.п. Данные предметной области представляются экземплярами сущностей (студент Иванов, преподаватель Сидоров, дисциплина "Базы данных"). Экземпляры сущностей одного типа обладают одинаковыми наборами атрибутов, но должны отличаться значением хотя бы одного атрибута для того, чтобы быть узнаваемыми (например, студенты могут иметь одинаковые ФИО, но должны иметь разные номера зачётных книжек).
Между сущностями ПО могут существовать связи, имеющие различный содержательный смысл (семантику). Например, студент учится в группе, врач лечитпациента, клиент имеет вклад в банке. Связи могут быть факультативными илиобязательными. Если вновь порождённая сущность одного из типов оказывается по необходимости связанной с сущностью другого типа, то между этими типами сущностей есть обязательная связь. Иначе связь является факультативной. Примеры обязательной и факультативной связей приведены на рис. 1.3. Здесь связь замещает является обязательной (изображается двойной линией), потому что каждый сотрудник долженработать на определённой должности, а связь замещается является факультативной, т.к. должность может быть вакантна.
Рис.1.3. Примеры обязательной и факультативной связей
Для удобства каждую связь между сущностями можно изображать одним ромбом (рис. 1.4). Выделяют также показатель кардинальности связи: "один к одному" (1:1), "один ко многим" (1:n) и "многие ко многим" (m:n) (рис. 1.4).
Рис.1.4. Примеры различной кардинальности связей
Связи, приведённые на рис. 1.4, с учётом семантики означают следующее:
пациент–койка (1:1) – каждый пациент занимает одну койку, каждая койка в каждый момент времени может быть занята только одним пациентом;
палата–пациент (1:n) – каждый пациент находится в одной палате, в ка-ждой палате могут находиться несколько пациентов;
пациент–врач (n:m) – каждый пациент может лечиться у нескольких врачей, каждый врач может лечить несколько пациентов.
Обратите внимание: необязательная связь имеет модификатор "может", а у обязательной связи его нет.
Степень связи – это количество сущностей, которые входят в связь. Различают унарные (рис. 1.5,а), бинарные (рис. 1.5,б) и тернарные (рис.1.5,в) связи. (На практике связи с большей степенью редко используют-ся). Унарная связь означает, что одни экземпляры сущности связаны с другими экземплярами этой же сущности (например, одни сотрудники руководят другими, а деталь может являться частью механизма)
Рис.1.5. Примеры связей различной степени
Различают тип связи и экземпляр связи. Тип связи определяется её име-нем, обязательностью, степенью и кардинальностью, например, бинарная связь учится между сущностями ГРУППА и СТУДЕНТ, обязательная для студента, кардинальностью 1:n. А экземпляр связи – это конкретная связь между студентом Сидоровым и группой Н-11, в которой он учится.
Совокупность типов сущностей и типов связей между ними характеризует структуру предметной области. Собственно данные представлены экземплярами сущностей и связей между ними. Данные экземпляров сущностей и связей хранятся в базе данных информационной системы, а описание типов сущностей и связей является метаданными.
Множества экземпляров сущностей, значения атрибутов сущностей и экземпляры связей между ними могут изменяться во времени. Поэтому каждому моменту времени можно сопоставить некоторое состояние предметной области. Состояния ПО должны подчиняться совокупности правил, которые характеризуют семантику предметной области. В базе данных эти правила могут быть заданы с помощью так называемых ограничений целостности, которые накладываются на атрибуты сущностей, типы сущностей, типы связей и/или их экземпляры. Фактически, ограничения целостности – это правила, которым должны удовлетворять значения данных в БД. Например, для библиотеки можно привести такие ограничения целостности: количество экземпляров книги не может быть отрицательным; номер паспорта читателя должен быть уникальным; каждая книга относится к определённому разделу рубрикатора ББК – библиотечно-библиографической классификации и т.д.
Для того чтобы обеспечить соответствие базы данных текущему состоянию предметной области, база данных динамически обновляется (периодически или в режиме реального времени). Это обновление называется актуализацией данных. Актуализация может проводиться:
вручную, если изменения в данные вносит пользователь (например, запись сведений о выдаче абоненту книги в библиотеке);
автоматизировано, если изменения инициируются пользователем, но вы-полняются программно (например, обновление списка должников в библиотеке – читателей, которые просрочили дату возврата книг);
автоматически, если данные поступают в электронном виде и обрабатыва-ются программой без участия человека (это касается, например, автоматизированных систем управления производством).
Правильность обновлений может контролироваться программно, но правильнее контролировать их автоматически с помощью ограничений целостности БД.
База данных является информационной моделью внешнего мира, некоторой предметной области. Во внешнем мире сущности ПО взаимосвязаны, поэтому в БД эти связи должны быть отражены. Если связи между данными в БД отсутствуют, то имеет смысл говорить о нескольких независимых БД и хранить их раздельно.
Далее мы кратко рассмотрим некоторые черты одной из наиболее популярных семантических моделей данных - модель "Сущность-Связи" (часто ее называют кратко ER-моделью).
На использовании разновидностей ER-модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Модель была предложена Ченом (Chen) в 1976 г. Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в системах CASE, поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных. Среди множества разновидностей ER-моделей одна из наиболее развитых применяется в системе CASE фирмы ORACLE. Ее мы и рассмотрим. Более точно, мы сосредоточимся на структурной части этой модели.
Основными понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут.
Сущность - это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться и быть доступна. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности - это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра этого типа. Для большей выразительности и лучшего понимания имя сущности может сопровождаться примерами конкретных объектов этого типа.
Ниже изображена сущность АЭРОПОРТ с примерными объектами Шереметьево и Хитроу:
Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование в некотором роде аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах).
Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями. Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с существующей парой связываемых сущностей), на каждом из которых указывается имя конца связи, степень конца связи (сколько экземпляров данной сущности связывается), обязательность связи (т.е. любой ли экземпляр данной сущности должен участвовать в данной связи).
Связь представляется в виде линии, связывающей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При это в месте "стыковки" связи с сущностью используются трехточечный вход в прямоугольник сущности, если для этой сущности в связи могут использоваться много (many) экземпляров сущности, и одноточечный вход, если в связи может участвовать только один экземпляр сущности. Обязательный конец связи изображается сплошной линией, а необязательный - прерывистой линией.
Как и сущность, связь - это типовое понятие, все экземпляры обеих пар связываемых сущностей подчиняются правилам связывания.
В изображенном ниже примере связь между сущностями БИЛЕТ и ПАССАЖИР связывает билеты и пассажиров. При том конец сущности с именем "для" позволяет связывать с одним пассажиром более одного билета, причем каждый билет должен быть связан с каким-либо пассажиром. Конец сущности с именем "имеет" означает, что каждый билет может принадлежать только одному пассажиру, причем пассажир не обязан иметь хотя бы один билет.
Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:
Каждый БИЛЕТ предназначен для одного и только одного ПАССАЖИРА;
Каждый ПАССАЖИР может иметь один или более БИЛЕТОВ.
На следующем примере изображена рекурсивная связь, связывающая сущность ЧЕЛОВЕК с ней же самой. Конец связи с именем "сын" определяет тот факт, что у одного отца может быть более чем один сын. Конец связи с именем "отец" означает, что не у каждого человека могут быть сыновья.
Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:
Каждый ЧЕЛОВЕК является сыном одного и только одного ЧЕЛОВЕКА;
Каждый ЧЕЛОВЕК может являться отцом для одного или более ЛЮДЕЙ ("ЧЕЛОВЕКОВ").
Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражения состояния сущности. Имена атрибутов заносятся в прямоугольник, изображающий сущность, под именем сущности и изображаются малыми буквами, возможно, с примерами.
Пример:
Уникальным идентификатором сущности является атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, уникально отличающая любой экземпляр сущности от других экземпляров сущности того же типа.
Общая характеристика SQL. Реализация SQL в современных СУБД. Команды SELECT, FROM, WHERE. Сравнение по шаблону оператором LIKE. Предикаты сравнения, BETWEEN, IN, EXISTS.
В качестве языка доступа к данным компанией IBMбыл разработанSQL(StructuredQueryLanguage– язык структурированных запросов), который является стандартом для СУБД. Язык структурированных запросов позволяет создавать, модифицировать и управлять данными в СУБД.
SQL позволяет:
Выбирать данные;
Вставлять, обновлять и удалять строки в таблицах;
Создавать, перемещать, изменять и удалять объекты;
Контролировать доступ к базе данных и ее объектам;
Гарантировать целостность данных.
Подробнее знакомство с SQLбудет происходить в следующих разделах.
Язык для взаимодействия с БД SQL появился в середине 70-х и был разработан в рамках проекта экспериментальной реляционной СУБД System R. Исходное название языка SEQUEL (Structered English Query Language) только частично отражает суть этого языка. Конечно, язык был ориентирован главным образом на удобную и понятную пользователям формулировку запросов к реляционной БД, но на самом деле уже являлся полным языком БД, содержащим помимо операторов формулирования запросов и манипулирования БД средства определения и манипулирования схемой БД; определения ограничений целостности и триггеров; представлений БД; возможности определения структур физического уровня, поддерживающих эффективное выполнение запросов; авторизации доступа к отношениям и их полям; точек сохранения транзакции и откатов. В языке отсутствовали средства синхронизации доступа к объектам БД со стороны параллельно выполняемых транзакций: с самого начала предполагалось, что необходимую синхронизацию неявно выполняет СУБД.
Рассмотрим эти свойства языка немного более подробно.