Методы проектирования логических моделей реляционных баз данных. Декомпозиция и синтез отношений

Методы проектирования на основе декомпозиции отношений

Понятие о методах декомпозиции отношений

Предположим, что схема базы данных содержит F-зависимости. Из положений теории о F-зависимостях следует, что если отношения базы данных находятся в нормальной форме Бойса-Кодда (НФБК), то проектирование логической модели базы данных можно считать завершенным в этом классе зависимостей. Как видно, теория дает полезный (!) критерий останова проектирования.

Сформулируем наглядный критерий, позволяющий определить, находится ли отношение в НФБК. Для этого введем следующее вспомогательное понятие.

Определение 3. Пусть дана ФЗ: и В функционально не зависит от любого подмножества А, тогда А называется детерминантом В.

Детерминантами в отношениях являются атрибуты левых частей ФЗ. Возможные ключи (см. учебный элемент "Реляционная модель данных") идентифицируются путем нахождения минимального множества значений атрибутов, которые определяют значения всех остальных атрибутов в отношении. Напомним понятие возможного ключа отношения как атрибута или атрибутов данного отношения, который (-ые) могут быть в данном отношении выбраны в качестве первичного.

Тогда критерий Кодда, позволяющий определить, находится ли отношение в НФБК, может быть сформулирован следующим образом:

Отношение находится в НФБК тогда и только тогда, когда каждый детерминант отношения является возможным ключом.

Таким образом, при декомпозиции отношений необходимо строить списки возможных ключей и детерминантов и сравнивать их на совпадение. Устранив таким образом большинство потенциальных аномалий, проектирование можно завершить.

Алгоритм метода декомпозиции отношений

Теперь нам известно, с чего начать нормализацию - с универсального отношения ; что проверить - нахождение исходного отношения в НФБК; что предпринять - декомпозицию исходного отношения на два других отношения; и когда остановиться - все отношения базы данных в НФБК. Таким образом, можно сформулировать общий алгоритм проектирования логической модели реляционной базы данных методом декомпозиции:

Алгоритм метода декомпозиции отношений

Алгоритм

1. Разработка универсального отношения для базы данных.
2. Определение всех ФЗ между атрибутами отношения.
3. Определение, находится ли отношение в НФБК. Если да, то завершить проектирование; в противном случае отношение должно быть разбито на два других отношения.
4. Повторение пунктов 2 и 3 для каждого нового отношения, полученного в результате декомпозиции.

Уточним некоторые аспекты метода декомпозиции.

Во-первых, как выполнить декомпозицию отношения на два отношения. Пусть отношение R(A, B, C, D, ...) содержит ФЗ и, следовательно, не находится в НФБК. Атрибут С является детерминантом, но не возможным ключом. Для выполнения декомпозиции отношения R создаются два отношения R₁(A, B, C, ...) и R₂(C, D), в одно из которых выделяется ФЗ Такая декомпозиция является декомпозицией без потерь при естественном соединении. Далее с тех же позиций рассматриваются отношения R₁ и R₂.

Во-вторых, каков критерий выбора ФЗ для выполнения проекции (далее мы увидим, насколько это может быть существенно). Понятно, что в качестве кандидатов для осуществления проекции следует отбирать ФЗ с детерминантами в левой части. Однако зависимости с детерминантами могут носить транзитивный характер, и здесь полезно применить первое эмпирическое правило выбора ФЗ для выполнения проекции - "правило цепочки". Правило цепочки состоит в следующем:

Если то в качестве ФЗ для осуществления проекции используется крайняя правая зависимость или "конец цепочки"

Методы проектирования на основе синтеза отношений

Некоторые проблемы метода декомпозиции

Алгоритм метода декомпозиции отношений не является совершенным. Мир ФЗ очень разнообразен. Он представляет собой хороший рабочий инструмент и, учитывая типы ФЗ, может совершенствоваться. Обратим внимание на две проблемные ситуации, связанные с применением метода декомпозиции. Пусть имеется отношение R(A, B, C, D, ...) из примера выше.

Первая ситуация: в процессе декомпозиции потеряна ФЗ и если отношения R₁ и R₂ будут использованы для создания базы данных, то нельзя гарантировать, что связи между этими атрибутами будут внесены в БД корректно. Отсюда вытекает второе эмпирическое правило выбора ФЗ для выполнения проекции: не следует использовать ФЗ в качестве ФЗ для осуществления проекции, если ее левая часть является детерминантом другой ФЗ. Эта проблема разрешается путем применения правила цепочки.

Вторая ситуация: один атрибут зависит от двух детерминантов - один возможный ключ {A, C} и два детерминанта А и С. Эта ситуация является более критичной. Отношение не находится в НФБК; в отношении отсутствуют цепочки ФЗ, и правило цепочек к нему неприменимо. Эта проблема не разрешается с помощью стандартного метода декомпозиции. Решением является разложение исходного отношения на два отношения, в основе которого лежит утверждение о том, что все ФЗ с одинаковыми детерминантами необходимо выделять в отдельные группы и каждой такой группе отводить свое собственное отношение. Полученные отношения следует проверять на соответствие НФБК. Такой подход к проектированию логической модели реляционной базы данных получил название метода синтеза. Метод синтеза может использоваться как самостоятельно, так и в сочетании с методом декомпозиции по проекции. Приведенные примеры позволяют понять ряд потенциальных недостатков декомпозиции как метода проектирования лог ических моделей реляционных баз данных.

Прежде чем перейти к изучению метода синтеза, рассмотрим использование элементов синтеза в декомпозиции. Как можно было заметить, декомпозиция осложняется при наличии транзитивных ФЗ. Особенностью транзитивной ФЗ является ее избыточность. ФЗ принято считать избыточной, если она содержит в себе информацию, которая может быть получена из других ФЗ базы данных. Исключение избыточной транзитивной ФЗ из базы данных может быть выполнено без отрицательного воздействия на ее результаты. Избыточность присуща не только транзитивным ФЗ и, следовательно, избыточные ФЗ желательно исключать до применения алгоритма декомпозиции.

Понятие о методах синтеза отношений

Исключить избыточность в исходном наборе ФЗ можно путем применения правил вывода ФЗ (См. учебный элемент "Функциональные зависимости"). Как известно, для класса F-зависимостей достаточно использовать шесть таких правил. При этом критерием останова процедуры исключения может служить получение минимального покрытия исходного набора ФЗ.

Неединственность минимальных покрытий указывает на то, что порядок исключения избыточных ФЗ может оказать влияние на полученные результаты. Отсюда следует эмпирическое правило:

Избыточные ФЗ следует удалять по одной, каждый раз проводя анализ полученного набора ФЗ на избыточность.

В заключение изучения алгоритмов, основанных на декомпозиции отношений, следует подчеркнуть два обстоятельства, первое из которых указывает на преимущество методов, основанных на синтезе отношений, а второе является недостатком обоих подходов.

Первое. Если универсальное отношение содержит большое количество атрибутов, например более трех десятков, то ручное проектирование становится трудоемким и может, с одной стороны, привести к большим временным затратам, а с другой стороны, породить недопустимое для практики число отношений в базе данных. Поэтому в данном случае следует подумать об автоматизации процесса проектирования, т.е. создать программу проектирования схем баз данных.

Второе. Процесс проектирования реляционных баз данных характеризуется сложной математической природой. Показано, что задача проектирования является NP-сложной задачей, т.е. невозможно построить универсальный алгоритм декомпозиции - алгоритм на "все случаи жизни", на выполнение которого затрачивалось бы время, меньшее экспоненциального времени с числом шагов, пропорциональным e_N, где N - число атрибутов.

Кроме того, задача приведения исходных отношений к НФБК может оказаться невыполнимой. Такой факт имел место в практике проектирования. Поскольку НФБК может не существовать на заданном наборе ФЗ, то логичным было бы отказаться от требования приведения отношений базы данных к этой форме. Эта ситуация подкрепляется и теоретически: при любом заданном множестве F-зависимостей над схемой r БД можно построить схему БД в 3НФ.

Таким образом, ограничимся поиском 3НФ в ходе применения метода синтеза, при этом остаются проблемы, связанные с выполнением операций над данными.