Нормализация отношений в РБД

Самым простым примером РБД является база данных, состоящая всего из одного отношения – одной таблицы. Однако в таком случае, как правило, не будут выполняться основные требования, предъявляемые к структуре БД из-за возникающих проблем избыточности информации, нарушения целостности данных, сложности редактирования данных, низкой скорости обработки информации и т.п. Убедимся в этом на конкретном примере небольшой БД, основанной на одной таблице «Поставки товаров», в которой будем хранить сведения о товарах, их цене, количестве и стоимости, а также о поставщиках, их адресах и расчетных счетах. Предположим, что эти данные будут храниться в следующей таблице (здесь приведены только первые четыре записи и всего 7 полей, хотя в реальной БД их число будет неизмеримо большим):

Анализируя структуру таблицы, необходимо прежде всего отметить, что в ней имеется повторяющаяся информация о поставщике. Кроме того, стоимость товара является избыточной информацией, так как всегда может быть получена на основе цены товара и его количества. Далее, атрибуты «Адрес» и «Счет» характеризуют только поставщика и, вообще говоря, не связаны с поставляемым товаром. Существуют и другие более тонкие недостатки в структуре такой БД.

Таким образом, на первом этапе проектирования РБД важнейшим является вопрос, какую выбрать схему отношений для данной БД из множества альтернативных вариантов, т.е. какую систему таблиц и с каким набором столбцов в каждой таблице выбрать для данной БД. Как правило, БД содержат объекты разных типов и для каждого типа объектов создается своя таблица с соответствующим набором столбцов-атрибутов объекта.

Процесс создания оптимальной схемы отношений для РБД строго формализован и называется нормализацией БД. Нормализация – это формализованная процедура, в процессе выполнения которой атрибуты данных группируются в таблицы, а таблицы, в свою очередь, в БД.

Цели нормализации следующие:

· исключить дублирование информации;

· исключить избыточность информации;

· обеспечить возможность проведения непротиворечивых и корректных изменений данных в таблицах;

· упростить и ускорить поиск информации в БД.

Процесс нормализации состоит в приведении таблиц РБД к т.н. нормальным формам. Всего существует 5 нормальных форм, которые удовлетворяют соответствующим правилам нормализации. При этом в большинстве случаев оптимальная структура БД достигается при выполнении уже первых 3 правил нормализации, которые были сформулированы для РБД Э.Ф. Коддом в 1972 году.

Чтобы таблица, а вместе с ней и БД, соответствовала 1-й нормальной форме, необходимо, чтобы все значения ее полей были атомарными (неделимыми) и невычисляемыми, а все записи – уникальными (не должно быть полностью совпадающих строк). Выполняя это правило, преобразуем первоначальную таблицу к виду

Чтобы таблица соответствовала 2-й нормальной форме, необходимо, чтобы она уже находилась в 1-й нормальной форме и все неключевые поля полностью зависели от ключевого. В данной таблице на роль ключевого поля может претендовать только поле (атрибут-признак) «Товар», значения которого в таблице не повторяются. Из других полей только поле «Поставщик» непосредственно связано с поставляемым товаром – полем «Товар», а поля «Индекс», «Область», «Город» и «Счет» характеризуют только самого поставщика. Поэтому, удовлетворяя 2-му правилу нормализации, необходимо разбить (или разложить) исходную таблицу на две – соответственно «Товары»

и «Поставщики»

Проведенное преобразование называется разложением, или проектированием, БД и является обратимой операцией. Причем проектирование исходной таблицы привело, с одной стороны, к уменьшению записей (строк) во второй таблице, однако, с другой стороны, для организации связей между отдельными таблицами и обеспечения таким образом целостности БД поле «Поставщик» появилось уже в обеих таблицах, привнося этим некоторую неизбежную избыточность информации в БД. Очевидно, что в больших БД, где реально существуют сотни и тысячи записей, эта избыточность во много раз будет перекрыта уменьшением общего размера таблиц, полученных из исходной таблицы при ее разложении.

Заметим, что на роль ключевого поля таблицы «Поставщики» подходит поле «Поставщик», значения которого в этой таблице уже не повторяются. Можно отметить, что на эту роль вполне подходит и поле «Счет», значения которого также не будут повторяться, а само поле, хотя и выглядит как набор цифр, все же является не количественной, а качественной характеристикой объекта, т.е. является атрибутом-признаком, что необходимо для ключевого поля (см. выше).

Чтобы теперь перейти к 3-й нормальной форме, необходимо прежде всего обеспечить, чтобы все таблицы БД находились во 2-й нормальной форме и все неключевые поля в таблицах зависели только от ключа таблицы и не зависели непосредственно друг от друга. Анализируя таблицу «Поставщики», можно заметить, что поля «Область» и «Город» являются зависимыми от поля «Индекс», и поэтому эта таблица не находится в 3-й нормальной форме. В связи с этим, необходимо разбить таблицу на две: оставить в таблице «Поставщики» только два «Поставщик» и «Счет», а также поле «Индекс» для обеспечения связи между таблицами,

а остальные поля выделить в новую таблицу «Адреса»,

в которой поле «Индекс», естественно, будет ключевым, так как его значения в таблице не повторяются.

Приведение БД к 4-й и 5-й нормальным формам является необходимой операцией в специальных случаях, когда между элементами БД существуют связи типа многие-ко-многим (см. ниже) и при этом необходимо обеспечить возможность точного восстановления исходной таблицы из таблиц, на которые она была спроектирована. Как уже говорилось выше, этими правилами нормализации при проектировании БД в большинстве случаев можно пренебречь.