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第五章 關聯資料庫設計

第五章 關聯資料庫設計. 課前指引 前章我們已對資料庫最重要的兩個概念 --- 正規化與功能支配關係，作了詳盡的探討，本章將延伸其觀點，實際嘗試資料庫的設計。資料庫在設計之初，必須對其欄位架構 (Schema) 作周詳考量之安排，否則一定會發生資料遺失、累贅儲存、或障礙存取等類似憾事。本章將非常技術性地探討，如何對關聯表之欄位架構作最適當的設計。資料庫之正規化是設計的重要依據，本章將就各級正規化之定義、演算法、以實例作詳盡的敘述 。. 章節大綱. 5-1 簡介. 5-6 多值支配關係. 5-2 第一正規化. 5-7 第四正規化.

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第五章 關聯資料庫設計

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Presentation Transcript

  1. 第五章 關聯資料庫設計 課前指引 前章我們已對資料庫最重要的兩個概念---正規化與功能支配關係，作了詳盡的探討，本章將延伸其觀點，實際嘗試資料庫的設計。資料庫在設計之初，必須對其欄位架構(Schema) 作周詳考量之安排，否則一定會發生資料遺失、累贅儲存、或障礙存取等類似憾事。本章將非常技術性地探討，如何對關聯表之欄位架構作最適當的設計。資料庫之正規化是設計的重要依據，本章將就各級正規化之定義、演算法、以實例作詳盡的敘述。

  2. 章節大綱 5-1 簡介 5-6 多值支配關係 5-2 第一正規化 5-7 第四正規化 5-3 第二正規化 5-8 其他正規化 5-4 Boyce-Codd正規化 5-9 資料庫設計考量重點 5-5 第三正規化 備註：可依進度點選小節

  3. 5-1 簡介 • 前章我們已對資料庫最重要的兩個概念---正規化與功能支配關係，作了詳盡的探討，本章將延伸其觀點，實際嘗試資料庫的設計。資料庫在設計之初，必須對其欄位架構(Schema) 作周詳考量之安排，否則一定會發生資料遺失、累贅儲存、或障礙存取等類似憾事。

  4. 5-1 簡介 • 本章將非常技術性地探討，如何對關聯表之欄位架構作最適當的設計。資料庫之正規化是設計的重要依據，本章將就各級正規化之定義、演算法、以實例作詳盡的敘述。

  5. 5-2 第一正規化 • 將每一欄格內的資料單一化(Atomic)，要使資料如原子般的不容再分解，如此建立的關聯表是謂 “第一正規化關聯表(First Normal Form Relation)”。

  6. 5-2 第一正規化 • 第一正規化(Normalizing) 關聯表，並不能保證是一個優良的設計，可能面對三項嚴重的問題： • (1) 資料重複(Repetition of Information)，浪費儲存空間，浪費存取時間； • (2) 資料缺乏代表意義(Inability to represent certain Information)，讀取之資料與要求不符，資料與資料之間缺乏連貫性； • (3) 資料失真(Loss of Information)，不當的儲存造成資料無法順利讀取，甚至遺失不見。 • 如範例106~範例107

  7. 5-3 第二正規化 • 設有一關聯架構(Relation Schema)R，功能支配關係(Functional Dependencies)F，α→β 為F+之任意關係式，當此關聯架構R可常理滿足下列之一條件時，R是第二正規化(2NF)型式： • (1) α是候選索引鍵(Candidate Key) 且R = (α, β)。 • (2) R或α → β 均無 “部份功能支配關係(Partial Functional Dependencies)”。 • 如範例108~範例109

  8. 5-3 第二正規化 • 2NF分解演算法(Algorithm-5-3-2) • 設有一個第一正規化(1NF) 關聯表r，其架構為R，將R分解成2NF關聯架構之步驟為： • 1、如4-3-1節，求取欄位間之功能支配關係(Functional Dependency)： • α、β為任意欄位，t1、t2為任意資料組(Tuples)，當： if t1[α] = t2[α] then t1[β] = t2[β] 為真時，則有： α → β (即α對β之功能支配關係)。

  9. 5-3 第二正規化 • 2NF分解演算法(Algorithm-5-3-2) • 2、於任意關係式αi→βi、αj→βj中，如果有αi = αj，則建立關聯架構Ri-schema： • Ri-schema = (αi, βi, βj) 將R分解成Ri與R’ 兩組關聯架構(schemas)，且有： R’-schema = R – (βi, βj ) Ri∩R’ = αi 再檢視R’ 繼續分解，R ← R’，直至R’= (αi , Null) 為止。 • 如範例110~範例112

  10. 5-3 第二正規化 • 2NF功能支配關係之維護 • 功能支配關係維護測試演算法(Algorithm-5-3-4)： 設有關聯架構R，有功能支配關係F且均為常理功能支配關係式。R分解成R1, R2, …, Rn，其功能支配關係分別為F1、F2、…、Fn： • 如範例113~範例114 compute F+; for each Ri do begin Fi ← F+ 內對Ri有關的功能支配關係式; end F’ ← Null; for each Fi begin F’ ← F’∪Fi; end comput F’+; if (F’+ = F+) then return(true) else return(false);

  11. 5-4 Boyce-Codd正規化 • 設有一關聯架構(Relation Schema) R，功能支配關係(Functional Dependencies) F，α → β 為F+之任意關係式，其中 α  R 且 β  R，當此關聯架構R可常理滿足下列之一條件時，R是Boyce-Codd正規化(BCNF) 型式： • (1) α → β 其中β  α (如4-3-1節Trivial Functional Dependency) • (2) α是R之單元超級索引鍵(Super Key) (如1-4-1節) • 如範例115~範例116

  12. 5-4 Boyce-Codd正規化 • BCNF分解演算法(Algorithm5-4-2) • 設有一個非BCNF關聯表r，其架構為R，將R分解成BCNF之R1、R2、…、Rn，α → β為F+內合於BCNF定義之任意功能支配關係式： • 如範例117 while (R≠(α, Null ) or (R is not in Trivial Functional Dependencies)) do if (R is not in BCNF) then begin 於F+ 內找出合於BCNF定義之α → β 且 α∩β = Ø; Ri = (α, β); R ← R – β; end if end while

  13. 5-4 Boyce-Codd正規化 • BCNF功能支配關係之維護(Dependency Preservation) • 雖然範例117分解之各次關聯架構均可滿足：(1) BCNF定義，(2) 不失真聯結(Lossless Join)，(3) 通過功能支配關係維護測試(Dependency Preservation)。但並非所有的BCNF次關聯表都可滿足此三項要求，本節將進一步探討之。 • 如範例118~範例120

  14. 5-5 第三正規化 • 設有一關聯架構(Relation Schema) R，功能支配關係(Functional Dependencies) F，α → β 為F+之任意關係式，其中 α  R 且 β  R，當此關聯架構R可常理滿足下列之一條件時，R是第三正規化型式： • (1) α → β 其中β  α。(如4-3-1節Trivial Functional Dependency) • (2) α 是R之超級索引鍵(Super Key)。(如1-4-1節) • (3) β – α 之任一欄位A，均被R之候選索引鍵(Candidate Key) 支配。 • 如範例121

  15. 5-5 第三正規化 • 3NF分解演算法(Algorithm5-5-2) • 設有一個非BCNF關聯表r，其架構為R，α → β為Fc內(如4-3-4節) 合於3NF定義之任意功能支配關係式，將R分解成3NF之R1、R2、…、Rn步驟為：如範例122 i ← 0; for each α → β in Fc if Rj無αβ (其中 1  j  i ) then begin i ← (i + 1); Ri = (αβ); end if Rj無R之任一個candidate Key (其中 1  j  i ) then begin i ← (i + 1); Ri ← R之任一個candidate Key; end return (R1, R2, …, Rn) 

  16. 5-5 第三正規化 • 3NF功能支配關係之維護(Dependency Preservation) • BCNF因要求嚴格，將R分解時，次關聯架構Ri往往無法通過功能支配關係維護之測試，而3NF因要求不嚴格，將R分解之次關聯架構Ri均可通過功能支配關係維護測試。 • 一般來言，需要將關聯架構R分解時，先以BCNF為分解目標，如果無法通過功能支配關係維護測試，則改以3NF為分解目標。 • 如範例123

  17. 5-5 第三正規化 • 3NF之缺點(Disadvantage of 3NF) • 一般來言，資料庫設計到第三正規化型式(3NF) 即已達到靈活流暢的存取要求，但還隱藏著一點憂慮來自重複值或Null值。此與5-2-1節所述不同，是來自“多值支配關係”。 • 在觀念認識上，我們曾於4-2-4節述及第三正規化型式(3NF) 的重要意義，是消除“遞移功能支配關係”。在3NF分解演算法(Algorithm5-5-2) 分解過程中，幾乎已將 “遞移功能支配關係”消除。但遇到“多值支配關係”時，將可能無法完全消除“遞移功能支配關係”，此時將造成重複值或Null值。如範例124~範例126

  18. 5-6 多值支配關係 • 設有一關聯表(Relation) r，關聯架構(Relation Schema) 為R，有多值支配關係(Multivalued Dependency) α ↠ β，其中 α  R、β  R，t1、t2、t3、t4為任意資料組(Tuples)，如果有t1[α] = t2[α]，則有(如圖)： • t1[α] = t2[α] = t3[α] = t4[α] • t1[β] = t3[β] • t2[R−α−β] = t3[R−α−β] • t2[β] = t4[β] • t1[R−α−β] = t4[R−α−β]

  19. 5-6 多值支配關係 • 如果α ↠ β滿足R之所有欄位，則α ↠ β是R之 “當然多值支配關係(Trivial Multivalued Dependency)”，亦即： • α ↠ β is trivialif β  α or β∪α = R • 如範例127~範例128

  20. 5-6 多值支配關係 • 多值支配關係法則 • 設有一關聯表(Relation) r，關聯架構(Relation Schema) 為R，其功能支配關係和多值支配關係為D，且α  R、β  R、γ  R，則有： • (1) 複製法則(Replication Rule)：如果有常理(Hold) 關係α → β，則有α ↠ β。 • (2) 互補法則(Complementation Rule)：如果有常理關係α ↠ β，則有α ↠ R − α − β。 • (3) 多值擴充法則(Multivalued Augmentation Rule)：如果有常理關係α ↠ β and wR and vR，則有wα ↠ vβ。 • (4) 多值遞移法則(Multivalued Transitivity Rule)：如果有常理關係α ↠ β and β ↠ γ，則有α ↠ γ− β。

  21. 5-6 多值支配關係 • 多值支配關係法則 • (5)結合法則(Coalescence Rule)：如果有常理關係α ↠ β and γβ and wR and w∩β = Ø and w → γ，則有α → γ。 • (6)多值聯集法則(Multivalued Union Rule)：如果有常理關係α ↠ β and α ↠ γ，則有α ↠ βγ。 • (7)多值交集法則(Multivalued Intersection Rule)：如果有常理關係α ↠ β and α ↠ γ，則有α ↠ β∩γ。 • (8) 多值差集法則(Multivalued Difference Rule)：如果有常理關係α ↠ β and α ↠ γ，則有α ↠ β−γ and α ↠ γ−β。 • 如範例129

  22. 5-7 第四正規化 • 設有一關聯架構(Relation Schema) R，功能支配關係(Functional Dependencies) 與多值支配關係(Multivalued Dependencies) D，α ↠ β 為D+之任意關係式，其中 α  R 且 β  R，當此關聯架構R可常理滿足下列之一條件時，R是第四正規化(4NF) 型式： • (1) α ↠ β 是當然多值支配關係(Trivial Multivalued Dependency)，如5-6-1節。 • (2) α 是R之單元超級索引鍵(如1-4-1節) • 比較BCNF定義，BCNF與4NF相似，差異在前者有α → β、後者有α ↠ β。如果R是4NF則必是BCNF；如果R不是BCNF則必不是4NF。

  23. 5-7 第四正規化 • 4NF分解演算法(Algorithm-5-7-2) • 設有一個非第四正規化關聯表r，其架構為R，將R分解成4NF之R1、R2、…、Rn，α ↠ β為D+內合於4NF定義之任意多值支配關係式或功能支配關係式： • 如範例130~範例133 while (R≠(α, Null ) or (R有Multivalued Dependencies)) do if (R is not in 4NF) then begin 於D+ 內找出合於4NF定義之α ↠ β 且 α∩β = Ø; Ri = (α, β); R ← R – β; end if end while

  24. 5-7 第四正規化 • 多值支配關係之維護 • 多值支配關係維護測試演算法(Algorithm-5-7-4)：設有關聯架構R，有多值支配關係與功能支配關係D。R分解成R1, R2, …, Rn，且支配關係分別為D1、D2、…、Dn： compute D+; for each Ri do begin Di ← D+ 內對Ri有關的支配關係式; end D’ ← Null; for each Di begin D’ ← D’∪Di; end comput D’+; if (D’+ = D+ ) then return(true) else return(false); 

  25. 5-8 其他正規化 • 在資料庫設計上，第四正規化型式(4NF) 已可謂是 “超強(Ultimate) 正規化型式”，因其已將我們不易了解的多值支配關係(Multivalued Dependency) 納入其中，我們一般遇到的問題，以本章述及的各類正規化型式已可充分解決。

  26. 5-8 其他正規化 • 除此之外，尚有以多值聯結支配關係(Join Dependency) 設計之投影聯結正規化(Project-Join Normal Form簡稱PJNF)，有些書稱其為第五正規化型式(5NF)。 • 另尚有以定義域支配關係(Domain Dependency) 設計之定義域索引鍵正規化型式(Domain-Key Normal Form簡稱DKNF)。

  27. 5-9 資料庫設計考量重點

  28. 本章結束 Q&A討論時間

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