關(guān)系數(shù)據(jù)庫理論教學(xué)的反思

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本文作者：劉麗娟 單位：大連交通大學(xué)軟件學(xué)院

當(dāng)前設(shè)計數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要采用的是以邏輯數(shù)據(jù)庫設(shè)計核物理數(shù)據(jù)庫設(shè)計為核心的規(guī)范設(shè)計方法，通常將數(shù)據(jù)庫設(shè)計分為六個階段，即（1）需求分析階段；（2）概念設(shè)計階段；（3）邏輯設(shè)計階段；（4）物理設(shè)計階段；（5）數(shù)據(jù)庫實施階段；（6）數(shù)據(jù)庫運行、維護階段。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計階段需要對數(shù)據(jù)模型進行優(yōu)化，優(yōu)化方法通常以關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論為指導(dǎo)[1]。因此規(guī)范化理論的重要性不言而喻。

1.關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論的研究

規(guī)范化理論研究的是關(guān)系模式中各屬性之間的數(shù)據(jù)依賴關(guān)系以及對關(guān)系模式性能的影響，規(guī)范化理論是判斷關(guān)系模式優(yōu)劣的理論標(biāo)準(zhǔn)。

2.學(xué)習(xí)要點

2.1確定函數(shù)依賴

關(guān)系數(shù)據(jù)庫的規(guī)范化理論主要包括三個方面的內(nèi)容：函數(shù)依賴、范式、模式設(shè)計。其中，函數(shù)依賴起著核心的作用，是模式分解和模式設(shè)計的基礎(chǔ)；范式是模式分解的標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于函數(shù)依賴，首先要正確理解函數(shù)依賴、完全函數(shù)依賴、部分函數(shù)依賴以及傳遞函數(shù)依賴的定義。下面給出函數(shù)依賴的定義。定義1函數(shù)依賴設(shè)R(U)是一個關(guān)系模式，U是R的屬性集合（如U={A1，…,An}）。X、Y是U的子集。如果R(U)的所有關(guān)系r都存在著：對于X的每個值，都有Y的唯一值與之相對應(yīng)，則稱X函數(shù)決定Y，或Y函數(shù)依賴X。記作X→Y。其中X叫作決定屬性集，Y叫作被決定屬性集。從軟件系統(tǒng)的需求過程中，我們得出了現(xiàn)實生活中的語義關(guān)系，根據(jù)屬性間的語義關(guān)系，我們很容易確定函數(shù)依賴。

2.2候選鍵

根據(jù)現(xiàn)實中的語義給出的函數(shù)依賴關(guān)系來求解候選鍵主要有2種方法，一種是圖示法，另一種是算法。圖示法要求學(xué)生具有很強的理論基礎(chǔ)，因此對于初學(xué)者來說不是很容易掌握，這里作者介紹求解算法，根據(jù)這些算法能很容易地求出候選鍵。（1）首先將屬性分為4類，即L類屬性、R類屬性、N類屬性以及LR類屬性。（2）根據(jù)求解候選鍵的算法得出結(jié)論。下面給出4類屬性[2]的定義。①L類屬性：只出現(xiàn)在函數(shù)依賴左部的屬性②R類屬性：只出現(xiàn)在函數(shù)依賴右部的屬性③N類屬性：在函數(shù)依賴左右兩邊都沒出現(xiàn)的屬性④LR類屬性：在函數(shù)依賴左右兩邊都出現(xiàn)的屬性算法1對于給定的關(guān)系模式R及其函數(shù)依賴集F，若X(X∈R)是L類屬性或N類屬性，則X必為R的候選鍵的成員，若X+包含了R的全部屬性，則X必為R的唯一候選鍵；若X+不能包含R的全部屬性，則LR類屬性也會成為候選鍵的成員；R類屬性不在任何候選鍵中。下面舉例說明求解候選鍵的算法過程。例2設(shè)有關(guān)系模式R(A、B、C、D、E、P)，其函數(shù)依賴集F={A→D，E→D，D→B，BC→D，DC→A}，求R的所有候選鍵。解:（1）L類屬性：C、E；N類屬性：P。（2）則C、E、P必為候選鍵的成員，又因為（CEP）+=ABCDEP，所以CEP是R的唯一候選鍵。

2.3范式

范式是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合。根據(jù)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(guān)系滿足的不同要求，范式分為幾個等級，按照等級升序排序依次是1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、5NF，在低一級別的范式中滿足進一步的要求就成為高一級別的范式。為了使關(guān)系模式設(shè)計達到最優(yōu)化，通過將低一級別的范式分解，從而轉(zhuǎn)換為若干個高級的范式，這個過程稱作規(guī)范化。下面給出范式的定義。定義21NF如果一個關(guān)系模式R(U,F)的所有屬性都是不可分的基本數(shù)據(jù)項，則R∈1NF。定義32NF如果R∈1NF，且所有非主屬性都完全函數(shù)依賴于候選鍵，則R∈2NF。定義43NF如果R∈2NF，且所有非主屬性都不傳遞依賴于候選鍵，則R∈3NF。定義5BCNF如果R∈1NF，若X→Y且Y不真包含于X時X必包含鍵，則R∈BCNF。

從以上定義我們可以看出，（1）2NF消除了部分函數(shù)依賴，（2）3NF消除了傳遞依賴，（3）BCNF要求每一個決定屬性集都包含候選鍵。下面我們舉例說明范式的規(guī)范化過程。例3關(guān)系模式SLC(SNO,SDEPT,SLOC,CNAME,SCORE)∈1NF,函數(shù)依賴包括：(SNO,CNAME)→SCORE,(SNO,CNAME)→SDEPT,(SNO,CNAME)→SLOC,SNO→SDEPT,SNO→SLOC,SDEPT→SLOC。解：根據(jù)上述候選鍵求解算法得出，候選鍵是(SNO,CNAME)。

（1）從上述函數(shù)依賴關(guān)系我們可以看出，SDEPT和SLOC都部分函數(shù)依賴于候選鍵，所以應(yīng)該消除這些部分依賴關(guān)系，因此分解時應(yīng)將SDEPT和SLOC同SNO放在同一個關(guān)系模式中，即SL(SNO,SDEPT,SLOC)，毫無疑問，SCORE與候選鍵被分到同一個關(guān)系模式，即SC(SNO,CNAME,SCORE)。這樣SL∈2NF,且SC∈2NF。

（2）從上述函數(shù)依賴關(guān)系我們可以看出，SLOC傳遞依賴于SNO，所以應(yīng)該消除這個傳遞依賴，因此分解時應(yīng)將SNO和SLOC分到不同的關(guān)系模式中，即SD(SNO,SDEPT)和DL(SDEPT,SLOC)。這樣SD∈3NF,且DL∈3NF。

（3）關(guān)系模式SD和DL中，每個決定因素都包含候選鍵，所以SD∈BCNF,且DL∈BCNF。

目前我們設(shè)計及使用的數(shù)據(jù)庫在函數(shù)依賴范疇領(lǐng)域BCNF已經(jīng)是最高級別了，如果考慮到其他依賴，比如多值依賴，還會要求4NF、5NF等等，關(guān)于多值依賴，作者這里不做介紹。BCNF消除了插入異常、更新異常、刪除異常，并且減少了數(shù)據(jù)冗余，但是在實際應(yīng)用中并不是所有的范式都能達到BCNF，我們通常為了滿足一定的語義聯(lián)系，在設(shè)計模式中基本采用3NF。

3.結(jié)語

知識是靠不斷學(xué)習(xí)積累的，這里只是結(jié)合本科教學(xué)中關(guān)系數(shù)據(jù)庫規(guī)范化理論進行系統(tǒng)總結(jié)，所以不可能單憑幾個教學(xué)經(jīng)驗總結(jié)就能解決所有學(xué)生的學(xué)習(xí)問題。因此，我們教師應(yīng)該在教學(xué)中不斷地探索、不斷地總結(jié)，結(jié)合每個學(xué)生的學(xué)習(xí)特點，具體問題具體分析，在一些總的原則下因人而異，因為教師的真正本領(lǐng)，不在于他是否會講述知識，而在于是否能喚起學(xué)生的求知欲望，讓他們興趣盎然地參與到教學(xué)過程中來。