Нормализация. 
Основы использования и проектирования баз данных

Нормализация — эго разбиение отношения на два или более отношений, обладающих лучшими свойствами при включении, обновлении и удалении данных. Окончательная цель нормализации сводится к получению такой базы данных, в которой каждый факт появляется лишь в одном месте, т. е. исключена избыточность информации. Это делается не только с целью экономии памяти, но и для исключения возможной противоречивости хранимых данных.

Проектирование реляционной базы данных может быть выполнено путем декомпозиции (разбиения), при которой исходное множество отношений, входящих в базу данных, заменяется другим множеством с большим числом отношений, являющихся проекциями исходных отношений.

Процесс проектирования с использованием декомпозиции состоит в последовательной нормализации отношений, и при этом каждое следующее полученное множество отношений соответствует нормальной форме более высокого порядка и обладает лучшими свойствами, но сравнению с предыдущим. В теории реляционных баз данных особо выделяются следующие нормальные формы отношений: первая нормальная форма (1НФ), вторая нормальная форма (2НФ), третья нормальная форма (ЗНФ), нормальная форма Бойса — Кодда (НФБК), четвертая нормальная форма (4НФ), пятая нормальная форма (ЗНФ).

Универсальным отношением проектируемой базы данных принято называть отношение, содержащее все представляющие интерес атрибуты и имеющее структуру, в которой каждый кортеж состоит из атомарных, т. е. неделимых, и непустых значений атрибутов. Универсальное отношение соответствует первой нормальной форме.

С использованием универсального отношения связаны три специфичные проблемы [5]: проблема, обусловленная необходимостью включения новых кортежей в БД; проблема, связанная с обновлением данных в БД; проблема, обусловленная необходимостью удаления кортежей из БД. Эти проблемы называются аномалиями вставки, обновления и удаления, поскольку под аномалией понимается отклонение от нормы.

Рассмотрим суть этих проблем на примере БД, содержащей сведения о жителях, их доходах и телефонах. Универсальное отношение Zgrad для этой БД (табл. 5.1) содержит кортежи со значениями атрибутов объектов, показанных на рис. 5.3.

Аномалия вставки. Если появляется новый житель (например, новорожденный), у которого отсутствуют источники дохода, то для него приходится включать в отношение Zgrad строку с пустыми значениями полей Source и Money. Но поскольку пустых (т.е. неопределенных) полей в отношении (таблице) быть не должно, то регистрация нового жителя в БД откладывается до появления у него источника дохода.

Аномалия обновления. Отношение Zgrad характеризуется как явной, так и неявной избыточностью. Явная избыточность заключается в том, что фамилия жителя, его дата рождения, пол, адрес, номер телефона и значения других атрибутов могут появиться в отношении несколько раз. Например, у Петровой П. П. адрес появляется в отношении дважды (см. табл. 5.1). Если она сообщит об изменении своего адреса, то придется проследить изменение ее адреса в обоих кортежах во избежание противоречивости данных.

Рис. 5.3. Объекты предметной области и их атрибуты

Универсальное отношение (однотабличная база данных Zgrad)

Таблица 5.1

Окончание табл. 5.1

В отношении Zgrad неявная избыточность обнаруживается в том, что один и тот же номер телефона имеют все жители, живущие в одной квартире. Например, номер телефона для квартиры с адресом 801−12 появляется в сочетании с фамилиями трех жителей. Допустим, Иванов И. И. 1978 года рождения известит служащего, работающего с базой данных, о том, что его номер телефона изменен на 531−55−33, забыв при этом сообщить о других жильцах квартиры. Если служащий изменит номер телефона только в тех строках, которые содержат телефонный номер Иванова И. И. 1978 года рождения, то правильный номер телефона в квартире с адресом 801−12 будет фактически утерян, поскольку в отношении Zgrad будут присутствовать два различных телефонных номера для одной квартиры.

Аномалия удаления. В отношении Zgrad присутствует только один кортеж, соответствующий Ильину Ф. II. Предположим, что работающий с базой данных служащий узнает, что этот житель лишился своего источника дохода, условно именуемого РаботаЗ, и удаляет этот кортеж из отношения. Поскольку это единственный кортеж с информацией об Ильине, его удаление приведет к исключению жителя из БД. Если служащий вслед за этим запросит список жителей, зарегистрированных в БД, то Ильина в списке не окажется, хотя он продолжает жить по прежнему адресу.