1、多媒體數據庫技術多媒體數據庫技術第五章第五章 關系數據庫實際關系數據庫實際 西安理工大學西安理工大學 康曉兵康曉兵 內內 容容 提提 綱綱l關系數據庫以數學實際為根底，因此關系模型可以設關系數據庫以數學實際為根底，因此關系模型可以設計得更加科學。對于關系模型的三要素數據構造、計得更加科學。對于關系模型的三要素數據構造、關系操作及完好性約束條件來說，關系方式可以設關系操作及完好性約束條件來說，關系方式可以設計的更加合理，關系操作可以進展優化，效率更高。計的更加合理，關系操作可以進展優化，效率更高。關系數據實際包括數據庫設計實際即規范化實際關系數據實際包括數據庫設計實際即規范化實際和數據庫操作實際

2、即查詢優化實際。本章主要研和數據庫操作實際即查詢優化實際。本章主要研討規范化實際。討規范化實際。l5.1 5.1 關系方式設計中存在的問題規范化的必要性關系方式設計中存在的問題規范化的必要性l5.2 5.2 函數依賴函數依賴l5.3 5.3 關系方式規范化和范式關系方式規范化和范式知識回想知識回想一、關系方式的方式化定義一、關系方式的方式化定義二、關系方式的簡化定義二、關系方式的簡化定義三、什么是數據依賴三、什么是數據依賴一、關系方式的方式化定義一、關系方式的方式化定義關系方式由五部分組成，即它是一個五元組：關系方式由五部分組成，即它是一個五元組： R(U, D, DOM, F)R： 關系名關

3、系名U： 組成該關系的屬性名集合組成該關系的屬性名集合D： 屬性組屬性組U中屬性所來自的域中屬性所來自的域DOM： 屬性向域的映象集合屬性向域的映象集合F： 屬性間數據的依賴關系集合屬性間數據的依賴關系集合二、關系方式的簡化表示二、關系方式的簡化表示l關系方式關系方式RU, D, DOM, Fl 簡化為一個三元組：簡化為一個三元組：l RU, Fl當且僅當當且僅當U上的一個關系上的一個關系r滿足滿足F時，時，r稱為關系方式稱為關系方式 RU, F的一個關系的一個關系三、什么是數據依賴三、什么是數據依賴1. 1. 完好性約束的表現方式完好性約束的表現方式限定屬性取值范圍：例如學生成果必需在限定屬

4、性取值范圍：例如學生成果必需在0-1000-100之間之間定義屬性值間的相互關連主要表達于值的相等定義屬性值間的相互關連主要表達于值的相等與否，這就是數據依賴，它是數據庫方式設與否，這就是數據依賴，它是數據庫方式設計的關鍵計的關鍵什么是數據依賴什么是數據依賴2. 2. 數據依賴數據依賴一個關系內部屬性與屬性之間的約束關系一個關系內部屬性與屬性之間的約束關系現實世界屬性間相互聯絡的籠統現實世界屬性間相互聯絡的籠統數據內在的性質數據內在的性質語義的表達語義的表達什么是數據依賴什么是數據依賴3. 3. 數據依賴的類型數據依賴的類型函數依賴函數依賴Functional DependencyFuncti

5、onal Dependency，簡記為，簡記為FDFD多值依賴多值依賴Multivalued DependencyMultivalued Dependency，簡記為，簡記為MVDMVD其他其他 5.1 關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題康曉兵康曉兵關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題l在設計教學管理數據庫時，設計了如下一個關系方式：在設計教學管理數據庫時，設計了如下一個關系方式：l S(SNO，SN，AGE，DEPT，DEAN，CNO，G)l其中，其中， SNO表示學生學號，表示學生學號，SN表示學生姓名，表示學生姓名，AGE表表示學生年齡，示學生年齡，DEPT表示

6、學生所在的系別，表示學生所在的系別，DEAN表示系表示系主任姓名，主任姓名， CNO表示課程號，表示課程號，G表示成果。表示成果。 l 根據實踐情況，這些數據有如下語義規定：根據實踐情況，這些數據有如下語義規定：l1. 一個系有假設干個學生，但一個學生只屬于一個系；一個系有假設干個學生，但一個學生只屬于一個系；l2. 一個系只需一名系主任，但一個系主任可以同時兼幾一個系只需一名系主任，但一個系主任可以同時兼幾個系的系主任；個系的系主任；l3. 一個學生可以選修多門課，每門課可有假設干學生選一個學生可以選修多門課，每門課可有假設干學生選修；修；l4. 每個學生學習一門課程有一個成果。每個學生學習

7、一門課程有一個成果。關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題SNOSNAGEDEPTDEANCNOGS1趙亦趙亦17計算機計算機劉偉劉偉C190S1趙亦趙亦17計算機計算機劉偉劉偉C285S2錢爾錢爾18信息信息王平王平C557S2錢爾錢爾18信息信息王平王平C680S2錢爾錢爾18信息信息王平王平C7 70S2錢爾錢爾18信息信息王平王平C870S3孫珊孫珊20信息信息王平王平C10S3孫珊孫珊20信息信息王平王平C270S3孫珊孫珊20信息信息王平王平C485S4李思李思20自動化自動化陳剛陳剛C193關系關系S 關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題l經過分析經過分析,

8、 (SNO, CNO)屬性的組合能獨一標識一個元組，屬性的組合能獨一標識一個元組，所以所以(SNO, CNO)是該關系方式的主鍵。但在數據操作是該關系方式的主鍵。但在數據操作時會產生以下問題：時會產生以下問題：l信息的不可表示問題信息的不可表示問題l插入異常：假設某個新系沒有招生，尚無學生時，那么插入異常：假設某個新系沒有招生，尚無學生時，那么系名和系主任的信息無法插入到數據庫中。系名和系主任的信息無法插入到數據庫中。l刪除異常：某系學生全部畢業而沒有招生時，刪除全部刪除異常：某系學生全部畢業而沒有招生時，刪除全部學生的記錄那么系名、系主任也隨之刪除，而這個系依學生的記錄那么系名、系主任也隨之

9、刪除，而這個系依然存在，在數據庫中卻無法找到該系的信息。然存在，在數據庫中卻無法找到該系的信息。關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題l信息的冗余問題信息的冗余問題l數據冗余：每個系名和系主任的名字存儲的次數等數據冗余：每個系名和系主任的名字存儲的次數等于該系的學生人數乘以每個學生選修的課程門數，于該系的學生人數乘以每個學生選修的課程門數，同時學生的姓名、年齡也都要反復存儲多次，數據同時學生的姓名、年齡也都要反復存儲多次，數據的冗余度很大，浪費了存儲空間。的冗余度很大，浪費了存儲空間。l更新異常：假設學生改名，那么該學生的一切記錄更新異常：假設學生改名，那么該學生的一切記錄都要逐一修

10、正都要逐一修正SN；l 又如某系改換系主任，那么屬于該系的學生記錄又如某系改換系主任，那么屬于該系的學生記錄都要修正都要修正DEAN的內容，稍有不慎，就有能夠漏改的內容，稍有不慎，就有能夠漏改某些記錄，這就會呵斥數據的不一致性，破壞了數某些記錄，這就會呵斥數據的不一致性，破壞了數據的完好性。據的完好性。關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題lS是一個不好的關系方式是一個不好的關系方式l緣由：由存在于方式中的某些數據依賴引起的緣由：由存在于方式中的某些數據依賴引起的l處理方法：方式分解處理方法：方式分解l方式分解是關系規范化的主要方法方式分解是關系規范化的主要方法l把關系方式把關系方式

11、S分解為下面三個構造簡單的關系方式：分解為下面三個構造簡單的關系方式：l學生關系：學生關系：S(SNO,SN,AGE,DEPT)l選課關系：選課關系：SC(SNO, CNO,G)l系關系：系關系：D(DEPT, DEAN)l結果如下頁圖所示：很顯然，消除了以上存在的四點結果如下頁圖所示：很顯然，消除了以上存在的四點l缺乏，數據庫模型更加科學、合理。缺乏，數據庫模型更加科學、合理。關系方式設計中存在的問題關系方式設計中存在的問題SNOSNAGEDEPT SNOCNOGS1趙亦趙亦17計算機計算機 S1C190S2錢爾錢爾18信息信息 S1C285S3孫珊孫珊20信息信息 S2C557S4李思李思

12、21自動化自動化 S2C680 S2C7 70 S2C870DEPTDEAN S3C10計算機計算機劉偉劉偉 S3C270信息信息王平王平 S3C485自動化自動化陳剛陳剛 S4C193 5.2 函數依賴函數依賴康曉兵康曉兵規范化實際規范化實際l關系數據庫系統的設計，關鍵是關系數據庫方式的設計，一個好的關系數據庫方式應該包括多少關系方式，而每一個關系方式又應該包括哪些屬性，又如何將這些相互關聯的關系方式組建一個適宜的關系模型，這些任務決議了整個系統運轉的效率，也是系統成敗的關鍵所在，而這一切正是在關系數據規范化實際的指點下逐漸完成的。l關系數據的規范化實際主要包括三個方面的內容：l函數信任l范

13、式Normal Forml方式設計 函數依賴函數依賴l函數依賴函數依賴l函數依賴反映同一關系中屬性間的一種約束關系。函數依賴反映同一關系中屬性間的一種約束關系。l關系方式的五元組表示：關系方式的五元組表示： R(U,D,Dom,F) ，在規范化，在規范化過程中過程中lD和和Dom可以不予思索，關系方式可簡化為三元組：可以不予思索，關系方式可簡化為三元組：R(U,F)l設設R(U)是屬性集是屬性集U上的關系方式，上的關系方式，X , Y U， r是是R(U) 上上l的恣意一個關系，假設的恣意一個關系，假設l對對 t , s r，假設，假設tX = sX，那么，那么tY = sY 成立成立l那么稱

14、那么稱“X函數決議函數決議Y，或，或“Y函數依賴于函數依賴于X，l 記作：記作：XY，稱，稱X為決議要素，為決議要素，Y稱為依賴要素，稱為依賴要素，l 如：如： SNO SN， SNO，CNO Gl 留意：留意：t和和s是關系是關系r中恣意二個元組。中恣意二個元組。函數依賴函數依賴l平凡函數依賴平凡函數依賴l假設假設X Y，但，但Y X，那么稱其為非平凡的，那么稱其為非平凡的函數依賴，否那么稱為平凡的函數依賴函數依賴，否那么稱為平凡的函數依賴l如如SNO，SN SN是平凡的函數依賴是平凡的函數依賴l部分函數依賴部分函數依賴l在在R(U)中，假設中，假設XY，且對于恣意，且對于恣意X的真子集的真

15、子集X，都都l有有 ，那么稱，那么稱Y對對X完全函數依賴，記作完全函數依賴，記作l否那么稱為否那么稱為Y對對X部分函數依賴，記作部分函數依賴，記作 普通情況下普通情況下, ,總是討論非平凡函數依賴總是討論非平凡函數依賴X YX YpSNO，CNO G fSNO，CNO SNpX Yf函數依賴函數依賴l傳送函數依賴傳送函數依賴l在在R(U)中，假設中，假設l那么稱那么稱Z對對X傳送函數依賴，記為：傳送函數依賴，記為：X Zl在關系在關系S(SNO , SN ,AGE, DEPT , DEAN , CNO , G)中：中：SNO DEPT ， DEPT DEANl SNO DEAN快速熱身：找出職

16、工工資表中的傳送函數依賴？快速熱身：找出職工工資表中的傳送函數依賴？傳送傳送傳送傳送職工工資職工，級別，工資職工工資職工，級別，工資函數依賴范例函數依賴范例對于關系方式對于關系方式S(SNO , SN , DEPT , DEAN , CNO, G) 主碼：主碼：SNO，CNO 函數依賴集：函數依賴集： fpp傳送SNO，CNO G SNO SN，SNO，CNO SN SNO DEPT，SNO，CNODEPT DEPT DEAN SNO DEAN 5.3 關系方式規范化和范式關系方式規范化和范式康曉兵康曉兵范式范式l 范式范式 Normal Forms，簡記為，簡記為NF 定義定義l范式是對關系

17、方式的不同數據依賴程度的衡量范式是對關系方式的不同數據依賴程度的衡量l經過方式分解將一個低級范式轉換為假設干個高級范式的過程稱作規范化經過方式分解將一個低級范式轉換為假設干個高級范式的過程稱作規范化l顯然顯然l4NFBCNF 3NF 2NF 1NF1NF2NF3NF4NFBCNF1NF l定義定義l關系中每一分量不可再分。即不能以集合、關系中每一分量不可再分。即不能以集合、序列等作為屬性值序列等作為屬性值l 關系關系R屬于第一范式，記為屬于第一范式，記為R1NFSNOCNOS1C1，C2，C3SNOCNOS1C1S1C2S1C32NF 關系方式關系方式S(SNO , SN , DEPT , D

18、EAN , CNO , G) S 1NF不良特性不良特性插入異常：假設某個新系沒有招生，尚無學生時，那插入異常：假設某個新系沒有招生，尚無學生時，那么系名和系主任的信息無法插入到數據庫中么系名和系主任的信息無法插入到數據庫中刪除異常：某系學生全部畢業而沒有招生時，刪除全刪除異常：某系學生全部畢業而沒有招生時，刪除全部學生的記錄那么系名、系主任也隨之刪除，而這個部學生的記錄那么系名、系主任也隨之刪除，而這個系依然存在，在數據庫中卻無法找到該系的信息系依然存在，在數據庫中卻無法找到該系的信息更新異常：假設學生轉系，假設他選修了更新異常：假設學生轉系，假設他選修了k門課，那么門課，那么需求修正需求修

19、正k次，同時系主任也隨之修正多次次，同時系主任也隨之修正多次數據冗余：假設一個學生選修了數據冗余：假設一個學生選修了k門課，那么有關他的門課，那么有關他的所在系的信息反復所在系的信息反復2NF l定義定義l假設假設R1NF，且每個非主屬性完全依賴于碼，且每個非主屬性完全依賴于碼，那么稱那么稱R2NF 消除非主屬性對碼的部分依消除非主屬性對碼的部分依賴賴lS中的函數依賴集：中的函數依賴集：SNO SN， SNO DEPT，l DEPT DEAN， SNO， CNO G l但但S2NF，由于，由于 (SNO，CNO)為主碼為主碼l非主屬性：非主屬性：SN，DEPT，DEAN，G p pSNO，CN

20、O SN SNO，CNO DEPTSNO，CNO DEAN p2NF l改造改造l非主屬性有兩種，一種完全依賴于碼，一種非主屬性有兩種，一種完全依賴于碼，一種部分依賴于碼。部分依賴于碼。l將將S分解為：分解為：SC(SNO , CNO , G)l S_DEPT(SNO , SN , DEPT , DEAN)l 很顯然，很顯然，SC2NF，S_DEPT2NFl快速熱身快速熱身l關系方式關系方式RA，B，C，D，碼為，碼為AB，給出，給出它的一個函數依賴集，使得它的一個函數依賴集，使得R屬于屬于1NF而不屬于而不屬于2NF3NF S_DEPT(SNO , SN , DEPT , DEAN)不良特性

21、不良特性插入異常：假設系中沒有學生，那么有關系的信息就無插入異常：假設系中沒有學生，那么有關系的信息就無法插入法插入刪除異常：假設學生全部畢業了，那么在刪除學生信息刪除異常：假設學生全部畢業了，那么在刪除學生信息的同時有關系的信息也隨之刪除了的同時有關系的信息也隨之刪除了更新異常：假設學生轉系，不但要修正更新異常：假設學生轉系，不但要修正DEPT，還要修，還要修正正DEAN，假設換系主任，那么該系每個學生元組都，假設換系主任，那么該系每個學生元組都要做相應修正要做相應修正數據冗余：每個學生都存儲了所在系的系主任的信息數據冗余：每個學生都存儲了所在系的系主任的信息3NF l定義定義l關系方式關系

22、方式R( U , F )中，假設不存在這樣的碼中，假設不存在這樣的碼X，屬，屬性組性組Y及非主屬性及非主屬性Z(Z Y)，使得下式成立，使得下式成立，lXY , YZ , YXl那么稱那么稱R3NFl假設關系方式假設關系方式R 2NF，且每個非主屬性都不傳，且每個非主屬性都不傳送依賴于送依賴于R的候選碼，那么稱的候選碼，那么稱R滿足第三范式滿足第三范式3NF。(消除非主屬性對碼的傳送依賴消除非主屬性對碼的傳送依賴)l假設假設R 3NF，那么每個非主屬性既不部分依賴，那么每個非主屬性既不部分依賴于候選碼，也不傳送依賴于候選碼。于候選碼，也不傳送依賴于候選碼。l如如S_DEPT 3NF，由于有，由

23、于有SNODEPT，DEPTDEAN 3NF l改造改造l將將S_DEPT分解為分解為lSTUDENT(SNO , SN , DEPT)3NFlDEPT(DEPT , DEAN) 3NFl快速熱身快速熱身l關系方式關系方式RA，B，C，D，碼為，碼為AB，給出它，給出它的的l一個函數依賴集，使得一個函數依賴集，使得R屬于屬于2NF而不屬于而不屬于3NFl提示提示!l 3NF是一個可用關系方式應滿足的最低范式。是一個可用關系方式應滿足的最低范式。BCNF l由由Boyce和和Codd提出，是對第三范式的擴展提出，是對第三范式的擴展l例如例如lSTC(SNO , TNO , CNO)，(學號，教師

24、號，課程號學號，教師號，課程號)lTNO CNO，每位教師只教授一門課，每位教師只教授一門課l(SNO,TNO) CNOl(SNO,CNO) TNO，每門課由假設干個教師講授，某，每門課由假設干個教師講授，某學生選定一門課，就對應一位教師學生選定一門課，就對應一位教師l那么那么SNO，TNO，SNO，CNO為候選碼。為候選碼。l思索思索lSTC 3NF ？全為主屬性？全為主屬性BCNF l不良特性不良特性l插入異常：假設沒有學生選修某位教師的任課，插入異常：假設沒有學生選修某位教師的任課，那么該教師擔任課程的信息就無法插入。某個學那么該教師擔任課程的信息就無法插入。某個學生尚未選課，那么受主屬

25、性不能為空的限制，有生尚未選課，那么受主屬性不能為空的限制，有關課程信息也不能插入庫中。關課程信息也不能插入庫中。l刪除異常：刪除學生選課信息，會刪除掉教師的刪除異常：刪除學生選課信息，會刪除掉教師的任課信息任課信息l更新異常：假設教師所教授的課程有所改動，那更新異常：假設教師所教授的課程有所改動，那么一切選修該教師課程的學生元組都要做改動么一切選修該教師課程的學生元組都要做改動l數據冗余：每位學生都存儲了有關教師所教授的數據冗余：每位學生都存儲了有關教師所教授的課程的信息課程的信息l癥由：癥由：l主屬性對碼的不良依賴主屬性對碼的不良依賴BCNF l定義定義l關系方式關系方式R( U , F

26、)1NF，對于屬性組，對于屬性組X，Y，假，假設設XY且且l Y X時時X必含有碼，那么必含有碼，那么R(U , F)BCNFl如如STC BCNF，由于，由于TNO CNO，而，而TNO不含有碼不含有碼lBCNF要求決議要素必需包含碼，即消除了任何屬要求決議要素必需包含碼，即消除了任何屬性對碼的傳送和部分依賴性對碼的傳送和部分依賴l假設假設R(U,F) 3NF，并且不存在主屬性對非碼的，并且不存在主屬性對非碼的函數依賴，那么函數依賴，那么RBCNF。l改造改造l將將S分解為：分解為：S_TSNO，TNOBCNFl T_CTNO，CNOBCNFBCNFl思索思索l(SNO , CNO , OR

27、DER)，表示學生選修課程，表示學生選修課程的名次，具有函數依賴的名次，具有函數依賴(SNO，CNO) ORDER， (CNO，ORDER) SNO，它屬于，它屬于BCNF嗎？嗎？l全碼屬于全碼屬于BCNF嗎？嗎？l一個滿足一個滿足BCNF的關系方式：的關系方式：l 一切的非主屬性對每一個候選碼都是完全一切的非主屬性對每一個候選碼都是完全函數依賴；函數依賴；l 一切的主屬性對不包含它的碼也是完全函數一切的主屬性對不包含它的碼也是完全函數依賴；依賴；l 任何屬性都不會完全函數依賴于非碼的任何任何屬性都不會完全函數依賴于非碼的任何一組屬性；一組屬性；l一個關系方式假設滿足一個關系方式假設滿足BCN

28、F，那么在函數依賴，那么在函數依賴的范疇內，它就實現了徹底的分別，消除了插入的范疇內，它就實現了徹底的分別，消除了插入和刪除異常。和刪除異常。BCNFlBCNF與與3NF的比較的比較l 1、假設、假設RBCNF，那么，那么R 3NF。l 2、3NF到達了非主屬性對碼的完全直接依賴，到達了非主屬性對碼的完全直接依賴， l BCNF那么實現了一切屬性對碼的完全直接那么實現了一切屬性對碼的完全直接依賴。依賴。l例如：例如：l 通訊城市，街道，：碼為城市，街道，通訊城市，街道，：碼為城市，街道，非主屬性完全依賴于碼，且無傳送依賴，那么是非主屬性完全依賴于碼，且無傳送依賴，那么是3NF。 但但城市，它是

29、決議要素，它不是碼，也城市，它是決議要素，它不是碼，也不包含在碼中，故非不包含在碼中，故非BCNF。 l非非BCNF分解分解BCNF，會破壞函數依賴。堅持，會破壞函數依賴。堅持3NF，警惕主屬性對非主屬性的函數依賴帶來的，警惕主屬性對非主屬性的函數依賴帶來的操作異常景象。操作異常景象。 范式之間的關系范式之間的關系1NF2NF3NF消除主屬性對非碼消除主屬性對非碼的不正常函數依賴的不正常函數依賴消除非主屬性對碼消除非主屬性對碼的部分函數依賴的部分函數依賴消除非主屬性對碼消除非主屬性對碼的傳送函數依賴的傳送函數依賴BCNF消除任何屬消除任何屬性對非碼的性對非碼的不正常函數不正常函數依賴依賴消除非主屬消除非主屬性對碼的部性對碼的部分和傳送函分和傳送函數依賴數依賴數據庫規范化實際小結數據庫規范化實際小結1、關系規范化目的、關系規范化目的: 使方式構造更合理，使數據冗余盡量使方式構造更合理，使數據冗余盡量小，消除插入、刪除和更新異常。小，消除插入、刪除和更新異常。2、關系規范化原那么、關系規范化原那么無損分解原那么函數依賴不能喪失無損分解原那么函數依賴不能喪失相互獨立原那么新關系之間相互獨立相互獨立原那么新