Нормализации моделей данных: нормальные формы, избыточность данных, аномалии и дефекты моделей данных

Нормализация - метод создания набора отношений с заданными свойствами на основе требований к данным, установленных в некоторой организации.

Нормализация — это формальный метод анализа отношений на основе их первичного ключа (или потенциальных ключей) и существующих функциональных зависимостей.

При работе с реляционной моделью данных важно понимать, что для создания отношений приемлемого качества обязательно только выполнение требований первой нормальной формы (1НФ). Все остальные формы могут использоваться по желанию проектировщиков

123 НФ – см. оглавление страница 18

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК)

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК) основана на функциональных зависимостях, в которых учитываются все потенциальные ключи отношения. Тем не менее в форме НФБК предусмотрены более строгие ограничения по сравнению с общим определением формы ЗНФ.

Нормальная форма Бойса-Кодда (НФБК): отношение находится в НФБК тогда и только тогда, когда каждый его детерминант является потенциальным ключом.

Для проверки принадлежности отношения к НФБК необходимо найти все его детерминанты и убедиться в том, что они являются потенциальными ключами. Напомним, что детерминантом является один атрибут или группа атрибутов, от которой полностью функционально зависит другой атрибут.

Исходная таблица:

Номер клиента	Дата собеседования	Время собеседования	Номер комнаты	Номер сотрудника
С345	13.10.03	13.00	103	А138
С355	13.10.03	13.05	103	А136
С368	13.09.03	13.00	102	А154
С366	13.09.03	13.30	105	А207

В результате приведения к форме Бойса—Кодда получаются две таблицы:

Номер клиента	Дата собеседования	Время собеседования	Номер Сотрудника
С345	13.10.03	13.00	А138
С355	13.10.03	13.05	А136
С368	13.09.03	13.00	А154
С366	13.09.03	13.30	А207

 

Дата собеседования	Номер сотрудника	Номер комнаты
13.10.03	А138	103
13.10.03	А136	103
13.09.03	А154	102
13.09.03	А207	105

 

Различие между ЗНФ и НФБК заключается в том, что функциональная зависимость А—>В допускается в отношении ЗНФ, если атрибут В является первичным ключом, а атрибут А не обязательно является потенциальным ключом. Тогда как в отношении НФБК эта зависимость допускается только тогда, когда атрибут А является потенциальным ключом. Следовательно, нормальная форма Бойса-Кодда является более строгой версией формы ЗНФ, поскольку каждое отношение НФБК является также отношением ЗНФ, но не всякое отношение ЗНФ является отношением НФБК.

 

Четвертая нормальная форма (4НФ)

Как было сказано выше, НФБК позволяет устранить любые аномалии, вызванные функциональными зависимостями. Однако в результате теоретических исследований был выявлен еще один тип зависимости — многозначная зависимость (Multi-Valued Dependency — MVD), которая при проектировании отношений также может вызвать проблемы, связанные с избыточностью данных.

Возможность существования в отношении многозначных зависимостей возникает вследствие приведения исходных таблиц к форме 1НФ, для которой не допускается наличие некоторого набора значений на пересечении одной строки и одного столбца. Например, при наличии в отношении двух многозначных атрибутов для достижения непротиворечивого состояния строк необходимо повторить в них каждое значение одного из атрибутов в сочетании с каждым значением другого атрибута. Подобный тип ограничения порождает многозначную зависимость и приводит к избыточности данных.

Четвертая нормальная форма (4НФ) - отношение в нормальной форме Бойса-Кодда, которое не содержит нетривиальных многозначных зависимостей.

Четвертая нормальная форма (4НФ) является более строгой разновидностью нормальной формы Бойса-Кодда, поскольку в отношениях 4НФ нет нетривиальных многозначных зависимостей и поэтому нет и избыточности данных. Нормализация отношения НФБК с получением отношений 4НФ заключается в устранении многозначных зависимостей из отношения НФБК путем выделения в новое отношение одного или нескольких участвующих в МЗЗ атрибутов вместе с копией одного или нескольких детерминантов.

Пример приведения таблицы к четвертой нормальной форме (Википедия)

Предположим, что рестораны производят разные виды пиццы, а службы доставки ресторанов работают только в определенных районах города. Составной ключ таблицы такого отношения включает три поля: {Ресторан, Вид пиццы, Район доставки}.

Такая таблица не соответствует 4NF, так как существует многозначная зависимость:

§ {Ресторан} >> {Вид пиццы}

§ {Ресторан} >> {Район доставки}

То есть, например, при добавлении нового вида пиццы придется внести по одной новой записи для каждого района доставки. Возможна логическая аномалия, при которой определенному виду пиццы будут соответствовать лишь некоторые районы доставки из обслуживаемых рестораном районов.

Для предотвращения аномалии нужно разбить многозначную зависимость — разместить независимые факты в разных таблицах. В данном примере - {Ресторан, Вид пиццы} и {Ресторан, Район доставки}.

Исходная таблица
Ресторан	Вид пиццы	Район доставки
A1 Pizza	Thick Crust	Springfield
A1 Pizza	Thick Crust	Shelbyville
A1 Pizza	Thick Crust	Capital City
A1 Pizza	Stuffed Crust	Springfield
A1 Pizza	Stuffed Crust	Shelbyville
A1 Pizza	Stuffed Crust	Capital City
Elite Pizza	Thin Crust	Capital City
Elite Pizza	Stuffed Crust	Capital City
Vincenzo's Pizza	Thick Crust	Springfield
Vincenzo's Pizza	Thick Crust	Shelbyville
Vincenzo's Pizza	Thin Crust	Springfield
Vincenzo's Pizza	Thin Crust	Shelbyville

 

Ресторан Вид пиццы A1 Pizza Thick Crust A1 Pizza Stuffed Crust Elite Pizza Thin Crust Elite Pizza Stuffed Crust Vincenzo's Pizza Thick Crust Vincenzo's Pizza Thin Crust   Ресторан Район доставки A1 Pizza Springfield A1 Pizza Shelbyville A1 Pizza Capital City Elite Pizza Capital City Vincenzo's Pizza Springfield Vincenzo's Pizza Shelbyville

 

Объекты денормализации

1) Большое количество соединений таблиц

2) Расчетные значения

3) Длинные поля

4) Дефекты