关系数据库设计：原理、范式与分解策略

# 关系数据库设计：原理、范式与分解策略 ## 1. 良好关系设计的特点 实体 - 关系（E - R）设计为创建关系数据库设计提供了很好的起点。可以直接从 E - R 设计生成一组关系模式，而这些模式的优劣取决于 E - R 设计的质量。以下是大学数据库的模式： | 模式名称 | 包含属性 | | --- | --- | | classroom | building, room number, capacity | | department | dept name, building, budget | | course | course id, title, dept name, credits | | instructor | ID, name, dept name, salary | | section | course id, sec id, semester, year, building, room number, time slot id | | teaches | ID, course id, sec id, semester, year | | student | ID, name, dept name, tot cred | | takes | ID, course id, sec id, semester, year, grade | | advisor | s ID, i ID | | time slot | time slot id, day, start time, end time | | prereq | course id, prereq id | ### 1.1 设计方案：更大的模式 假设不使用 instructor 和 department 模式，而是使用 inst dept 模式：inst dept (ID, name, salary, dept name, building, budget)。这是 instructor 和 department 对应关系自然连接的结果，看似能减少某些查询的连接操作，但存在问题。 在 inst dept 关系实例中，每个部门的信息（“building” 和 “budget”）会为该部门的每个教师重复记录。例如，计算机科学系的信息（Taylor, 100000）会在 Katz、Srinivasan 和 Brandt 教师的元组中重复。这会导致预算金额的冗余存储，并且可能因用户更新不一致而造成数据库的不一致。 此外，当创建新部门时，如果该部门没有教师，就无法直接表示部门信息（dept name, building, budget），因为 inst dept 表的元组需要 ID、name 和 salary 值。在原设计中，department 模式可以处理这种情况，而在修改后的设计中，可能需要创建包含空值的元组。 ### 1.2 设计方案：更小的模式 如果最初使用 inst dept 模式，如何识别它需要拆分呢？通过观察 inst dept 模式的实际关系内容，可以发现部门信息的重复，但这种方法不可靠。因为实际数据库的模式和属性众多，元组数量可能达数百万甚至更多，发现重复信息的成本很高，而且无法确定不重复是特殊情况还是普遍规则。 为了解决这个问题，需要了解企业规则。例如，在大学组织中，每个部门（由 dept name 标识）必须位于一个建筑中且有一个预算金额。可以通过指定功能依赖 dept name → budget 来表示这种规则。 并非所有模式分解都是有益的。例如，将 employee 模式（ID, name, street, city, salary）分解为 employee1 (ID, name) 和 employee2 (name, street, city, salary)，可能会因为企业中存在同名员工而导致信息丢失。这种分解被称为有损分解，而不会导致信息丢失的分解称为无损分解。 ## 2. 原子域和第一范式 E - R 模型允许实体集和关系集具有一定子结构的属性，如多值属性和复合属性。在从包含这些属性的 E - R 设计创建表时，需要消除这种子结构。 在关系模型中，属性没有子结构。如果域的元素被视为不可分割的单位，则该域是原子的。如果关系模式 R 的所有属性的域都是原子的，则称 R 处于第一范式（1NF）。 以下是一些非原子值的例子： - 名称集合：如果关系 employee 的模式包含一个 children 属性，其域元素是名称集合，则该模式不处于第一范式。 - 复合属性：如地址属性（包含 street、city、state 和 zip 等组件属性）也具有非原子域。 整数通常被认为是原子的，但整数集合是非原子的。重要的是如何在数据库中使用域元素。例如，组织分配的员工识别号（如 “CS001”）可以分解为更小的单位，因此是非原子的。如果关系模式的属性域包含此类识别号，则该模式不处于第一范式。 然而，大学模式中的课程标识符（如 “CS - 101”），只要数据