關系數據庫理論教學的反思

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本文作者：劉麗娟 單位：大連交通大學軟件學院

當前設計數據庫系統主要采用的是以邏輯數據庫設計核物理數據庫設計為核心的規范設計方法，通常將數據庫設計分為六個階段，即（1）需求分析階段；（2）概念設計階段；（3）邏輯設計階段；（4）物理設計階段；（5）數據庫實施階段；（6）數據庫運行、維護階段。邏輯結構設計階段需要對數據模型進行優化，優化方法通常以關系數據庫規范化理論為指導[1]。因此規范化理論的重要性不言而喻。

1.關系數據庫規范化理論的研究

規范化理論研究的是關系模式中各屬性之間的數據依賴關系以及對關系模式性能的影響，規范化理論是判斷關系模式優劣的理論標準。

2.學習要點

2.1確定函數依賴

關系數據庫的規范化理論主要包括三個方面的內容：函數依賴、范式、模式設計。其中，函數依賴起著核心的作用，是模式分解和模式設計的基礎；范式是模式分解的標準。關于函數依賴，首先要正確理解函數依賴、完全函數依賴、部分函數依賴以及傳遞函數依賴的定義。下面給出函數依賴的定義。定義1函數依賴設R(U)是一個關系模式，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，則稱X函數決定Y，或Y函數依賴X。記作X→Y。其中X叫作決定屬性集，Y叫作被決定屬性集。從軟件系統的需求過程中，我們得出了現實生活中的語義關系，根據屬性間的語義關系，我們很容易確定函數依賴。

2.2候選鍵

根據現實中的語義給出的函數依賴關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。圖示法要求學生具有很強的理論基礎，因此對于初學者來說不是很容易掌握，這里作者介紹求解算法，根據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）根據求解候選鍵的算法得出結論。下面給出4類屬性[2]的定義。①L類屬性：只出現在函數依賴左部的屬性②R類屬性：只出現在函數依賴右部的屬性③N類屬性：在函數依賴左右兩邊都沒出現的屬性④LR類屬性：在函數依賴左右兩邊都出現的屬性算法1對于給定的關系模式R及其函數依賴集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設有關系模式R(A、B、C、D、E、P)，其函數依賴集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系模式的集合。根據關系數據庫中的關系滿足的不同要求，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。為了使關系模式設計達到最優化，通過將低一級別的范式分解，從而轉換為若干個高級的范式，這個過程稱作規范化。下面給出范式的定義。定義21NF如果一個關系模式R(U,F)的所有屬性都是不可分的基本數據項，則R∈1NF。定義32NF如果R∈1NF，且所有非主屬性都完全函數依賴于候選鍵，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范化過程。例3關系模式SLC(SNO,SDEPT,SLOC,CNAME,SCORE)∈1NF,函數依賴包括：(SNO,CNAME)→SCORE,(SNO,CNAME)→SDEPT,(SNO,CNAME)→SLOC,SNO→SDEPT,SNO→SLOC,SDEPT→SLOC。解：根據上述候選鍵求解算法得出，候選鍵是(SNO,CNAME)。

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

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

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

目前我們設計及使用的數據庫在函數依賴范疇領域BCNF已經是最高級別了，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，并且減少了數據冗余，但是在實際應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系，在設計模式中基本采用3NF。

3.結語

知識是靠不斷學習積累的，這里只是結合本科教學中關系數據庫規范化理論進行系統總結，所以不可能單憑幾個教學經驗總結就能解決所有學生的學習問題。因此，我們教師應該在教學中不斷地探索、不斷地總結，結合每個學生的學習特點，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，不在于他是否會講述知識，而在于是否能喚起學生的求知欲望，讓他們興趣盎然地參與到教學過程中來。