数据库设计：函数依赖与关系模式规范化

"本章介绍了数据依赖和关系模式的规范化，特别是函数依赖和连接依赖的概念。函数依赖是一种基本的依赖关系，表示一个或一组属性值可以确定其他属性的值。在给定的关系模式中，通过分析语义可以找出一系列函数依赖，并识别出主键。然而，这种关系模式存在数据冗余和更新异常的问题，导致了数据一致性问题。" 在数据库设计中，数据依赖是理解和规范化关系模式的关键概念。函数依赖是其中最基本的一种，它描述了一个属性或一组属性如何决定另一个属性的值。例如，给定关系模式中的属性包括学号(S＃)、课程号(C＃)、成绩(G)、任课教师姓名(TN)和教师所在系名(D)，我们可以根据语义推导出函数依赖集合：{S＃，C＃}→G，C＃→TN，TN→D。这些依赖表明，一个学生的学号和他所选课程的课程号可以唯一确定他的成绩；课程号可以决定任课教师的姓名；而教师姓名又可以决定其所在系名。 主键是能唯一确定一个元组的一组属性，对于给定的关系，{S＃，C＃}是主键，因为它们可以决定所有其他属性的值。这样的关系模式在查询时可能很方便，例如，当需要查询计算机系的不及格学生信息时，可以使用简单的SQL查询实现。 然而，这样的关系模式存在数据冗余问题，例如教师名和系名会随着选课学生数量的增加而重复存储，这可能导致存储空间的浪费。更重要的是，数据冗余在进行数据库的增、删、改操作时可能导致更新异常。例如，如果更改一门课程的任课教师或系名，需要更新所有相关元组，否则会造成数据不一致。类似地，如果某教师不教授任何课程，其信息无法插入到表中，因为主键中包含了非空的教师属性。 为了解决这些问题，数据库设计通常采用规范化方法，将高冗余的关系模式分解为多个较小的关系模式，每个模式只包含最小必要的属性，从而减少冗余并提高数据一致性。规范化过程包括一系列步骤，如第一范式(1NF)、第二范式(2NF)、第三范式(3NF)和BCNF（博科斯范式），每个阶段都旨在消除特定类型的冗余和异常。 在1NF中，确保每一列都是原子性的，即不可再分。2NF要求非主属性完全依赖于主键，避免部分函数依赖。3NF进一步要求非主属性非传递依赖于主键，即消除多值依赖。BCNF则规定任何非平凡的依赖左边必须是超键，以消除所有可能的异常。 通过规范化，我们可以构建更稳定、高效和易于维护的数据库。在实际应用中，数据库设计师需要平衡规范化程度和查询效率，因为过度规范化可能会增加查询复杂性。因此，理解数据依赖和规范化原理对于创建高质量的数据库系统至关重要。