Нормализация. Первая, вторая и третья нормальные формы отношения.

Нормализация – это процесс последовательной замены таблицы ее полными декомпозициями до тех пор, пока все они не будут находиться в 5НФ.

Таблица находится в первой нормальной форме тогда и только тогда, когда в любом допустимом значении этой таблицы каждая ее строка содержит только одно значение для каждого атрибута (столбца).

Таблица находится во второй нормальной форме, если она удовлетворяет определению 1НФ и все ее атрибуты (столбцы), не входящие в первичный ключ, связаны полной функциональной зависимостью с первичным ключом.

Таблица находится в третьей нормальной форме, если она удовлетворяет определению 2НФ и ни один из ее неключевых атрибутов не связан функциональной зависимостью с любым другим неключевым атрибутом.

В следующих нормальных формах учитываются не только функциональные, но и многозначные зависимости между атрибутами. Для того, чтобы привести определения тих нормальных форм, введем понятие полной декомпозиции таблицы.

Полной декомпозицией таблицы называют такую совокупность произвольного числа ее проекций, соединение которых полностью совпадает с содержимым таблицы.

Таблица находится в пятой нормальной форме тогда и только тогда, когда в каждой ее полной декомпозиции все проекции содержат возможный ключ. Таблица, не имеющая ни одной полной декомпозиции, также находится в 5НФ.

Четвертая нормальная форма является частным случаем 5НФ, когда полная декомпозиция должна быть соединением ровно этих проекций. На практике непросто подобрать реальную таблицу, которая находилась бы в 4НФ, но не была бы в 5НФ.

(Возможный ключ - поле или несколько атрибутов (полей) отношения (таблицы), совокупность значений которых отвечает требованиям, предъявляемым к первичному ключу, то есть является уникальной для каждой записи в таблице.)

Примеры:

Сессия (ФИО студента, Семестр, Дисциплина, Форма отчетности, Оценка, Количество часов, ФИО преподавателя, Должность преподавателя) – 1НФ

Результаты сессии (Студент*, Учебный план*, Оценка)

Учебный план (№*, Дисциплина, Семестр, Кол-во часов, Форма отчетности, ФИО преподавателя, Должность) – 2НФ

Результаты сессии (Студент*, Учебный план*, Оценка)

Учебный план (№*, Дисциплина, Семестр, Кол-во часов, Форма отчетности, ФИО преподавателя)

Преподаватели (ФИО преподавателя*, Должность преподавателя) – 3НФ.

Нормальная форма — требование, предъявляемое к отношениям в теории реляционных баз данных для устранения из базы избыточности, которая потенциально может привести к логически ошибочным результатам выборки или изменения данных.

Процесс преобразования базы данных к виду, отвечающему нормальным формам, называется нормализацией. Нормализация позволяет обезопасить базу данных от логических и структурных проблем, называемых аномалиями данных. К примеру, когда существует несколько одинаковых записей в таблице, существует риск нарушения целостности данных при обновлении таблицы. Таблица, прошедшая нормализацию, менее подвержена таким проблемам, т.к. ее структура предполагает определение связей между данными, что исключает необходимость в существовании записей с повторяющейся информацией.

NF

Таблица находится в первой нормальной форме, если каждый её атрибут атомарен. Под выражением «атрибут атомарен» понимается, что атрибут может содержать только одно значение. Таким образом, не существует 1NF таблицы, в полях которых могут храниться списки значений. Для приведения таблицы к 1NF обычно требуется разбить таблицу на несколько отдельных таблиц.

Замечание: в реляционной модели отношение всегда находится в 1 (или более высокой) нормальной форме в том смысле, что иные отношения не рассматриваются в реляционной модели. То есть само определение понятия отношение заведомо подразумевает наличие 1NF.

NF

Таблица находится во второй нормальной форме, если она находится в первой нормальной форме, и при этом любой её атрибут, не входящий в состав первичного ключа, функционально полно зависит от первичного ключа. Функционально полная зависимость означает, что атрибут функционально зависит от всего первичного составного ключа, но при этом не находится в функциональной зависимости от какой-либо из входящих в него атрибутов(частей). Или другими словами: в 2NF нет неключевых атрибутов, зависящих от части составного ключа (+ выполняются условия 1NF).

NF

Таблица находится в третьей нормальной форме (3NF), если она находится во второй нормальной форме 2NF и при этом любой ее неключевой атрибут зависит только от первичного ключа (Primary key, PK) (иначе говоря, один факт хранится в одном месте).

Таким образом, отношение находится в 3NF тогда и только тогда, когда оно находится во 2NF и отсутствуют транзитивные зависимости неключевых атрибутов от ключевых. Транзитивной зависимостью неключевых атрибутов от ключевых называется следующая: A → B и B → C, где A - набор ключевых атрибутов (ключ), B и С - различные множества неключевых атрибутов.

При решении практических задач в большинстве случаев третья нормальная форма является достаточной. Процесс проектирования реляционной базы данных, как правило, заканчивается приведением к 3NF.

13. SQL – язык реляционных баз данных. Общая характеристика SQL. Определение состава полей, выводимых в ответ, задание условий отбора. Вложенные запросы. Встроенные функции языка SQL и их использование.

Язык SQL предназначен для выполнения:

а) операций над таблицами (создание, удаление, изменение структуры);

б) над данными таблиц (выборка, изменение, добавление и удаление)

в) некоторых сопутствующих операций (управление доступом, управление индексами, управление транзакциями и др.).

SQL является непроцедурным языком и не содержит операторов управления, организации подпрограмм, ввода-вывода и т.п. В связи с этим SQL автономно не используется, обычно он погружен в среду встроенного языка программирования СУБД (например, FoxPro СУБД Visual FoxPro, ObjectPAL СУБД Paradox, Visual Basic for Applications СУБД Access).

В современных СУБД с интерактивным интерфейсом можно создавать запросы, используя другие средства, например QBE. Однако применение SQL зачастую позволяет повысить эффективность обработки данных в базе. Например, при подготовке запроса в среде Access можно перейти из окна Конструктора запросов (формулировки запроса по образцу на языке QBE) в окно с эквивалентным оператором SQL. Подготовку нового запроса путем редактирования уже имеющегося в ряде случае проще выполнить путем изменения оператора SQL. В различных СУБД состав операторов SQL может несколько отличаться.

Язык SQL не обладает функциями полноценного языка разработки, а ориентирован на доступ к данным, поэтому его включают в состав средств разработки программ. В этом случае его называют встроенным SQL. Стандарт языка SQL поддерживают современные реализации следующих языков программирования: PL/1, Ada, С, COBOL, Fortran, MUMPS и Pascal.

В специализированных системах разработки приложений типа клиент-сервер (данную архитектуру мы рассмотрим позже) среда программирования, кроме того, обычно дополнена коммуникационными средствами (установление и разъединение соединений с серверами БД, обнаружение и обработка возникающих в сети ошибок и. т. д.), средствами разработки пользовательских интерфейсов, средствами проектирования и отладки.

Различают два основных метода использования встроенного SQL: статический и динамический.

При статическом использовании языка (статический SQL) в тексте программы имеются фиксированные по структуре вызовы функций языка SQL, включаемые в выполняемый модуль в процессе компиляции. Параметры запросов (обычно представляют константные значения, с которыми сравниваются значения полей в таблицах), являющиеся переменными языка программирования, позволяют добиться некоторой гибкости статических запросов.

При динамическом использовании языка (динамический SQL) предполагается динамическое построение запроса в форме текстовой строки. Данная строка используется как параметр для функции выполнения SQL-запросов, которая выполняет синтаксический анализ строки запроса и формирует на его основе последовательность команд БД. Динамический метод обычно применяется в случаях, когда в приложении заранее неизвестен вид SQL-вызова.

В результате выборки данных из одной или нескольких, таблиц может быть получено множество записей, называемое представлением. Представление по существу является таблицей, формируемой в результате выполнения запроса, которая существует «виртуально» только до завершения выполнения программы.

Для удобства работы с представлениями в язык SQL введено понятие курсора. Курсор представляет собой своеобразный указатель на набор записей в представлении, обеспечивающий в каждый момент доступ лишь к некоторой небольшой части строк представления. С помощью операторов перемещения курсора по записям можно получить доступ ко всем строкам таблицы.

После фразы SELECT указывается список выражений, определяющий значения, формируемые запросом. В самом простом случае список выражений является списком полей таблицы. Если требуется извлечение значений всех полей, то вместо списка полей можно указать символ *. Например:

SELECT * FROM tbl1;

Имя поля может быть квалифицировано именем таблицы, указываемым через точку. Например:

SELECT tbl1.f1, tbl2.f1 FROM tbl1, tbl2;

Подзапрос - очень мощное средство языка SQL. Он позволяет строить сложные иерархии запросов, многократно выполняемые в процессе построения результирующего набора или выполнения одного из операторов изменения данных (DELETE, INSERT, UPDATE).

Условно подзапросы иногда подразделяют на три типа, каждый из которых является сужением предыдущего:

· табличный подзапрос, возвращающий набор строк и столбцов;

· подзапрос строки, возвращающий только одну строку, но, возможно, несколько столбцов (такие подзапросы часто используются во встроенном SQL);

· скалярный подзапрос, возвращающий значение одного столбца в одной строке.

Подзапрос позволяет решать следующие задачи:

· определять набор строк, добавляемый в таблицу на одно выполнение оператора INSERT;

· определять данные, включаемые в представление, создаваемое оператором CREATE VIEW;

· определять значения, модифицируемые оператором UPDATE;

· указывать одно или несколько значений во фразах WHERE и HAVING оператора SELECT;

· определять во фразе FROM таблицу как результат выполнения подзапроса;

применять коррелированные подзапросы. Подзапрос называется коррелированным, если запрос, содержащийся в предикате, имеет ссылку на значение из таблицы (внешней к данному запросу), которая проверяется посредством данного предиката.

Hекоторые СУБД (например, СУБД Oracle) позволяют на основе подзапроса создавать новые таблицы с помощью оператора CREATE TABLE.

Простым примером использования подзапроса может служить следующий оператор:

SELECT * from tbl1

WHERE f2=(SELECT f2 FROM tbl2

WHERE f1=1);

Встроенные функции, имеющиеся в распоряжении пользователей при работе с SQL, можно условно разделить на следующие группы:

· математические функции;

· строковые функции;

· функции для работы с датой и временем;

· функции конфигурирования;

· функции системы безопасности;

· функции управления метаданными;

· статистические функции.