Kapitel 11. Normalisierung

Transkript

1 Kapitel 11 Normalisierung

2 Ziel: Ziel und Idee der Normalisierung Anpassen an die Erfordernisse des Relationenmodells (1. Normalform) Vermeidung von Redundanz (weitere Normalformen) Keine Fehler (Anomalien) bei Änderung, Einfügung und Löschung von Tupeln Idee: Trenne die Konzepte voneinander, so dass jede Tatsache aus der Miniwelt genau an einer Stelle zu finden ist. oder Jede Spalte der Tabelle repräsentiert eine Tatsache, die vom Wert des Primärschlüssels (des ganzen Primärschlüssels) und von nichts Anderem bestimmt wird. Relationen sollten in Normalform sein (Bei zielgerichteter Vorgehensweise beim Datenentwurf entstehen schon normalisierte Relationen, d. h. Normalisierung erfolgt dann nur zur Nachprüfung.) 2

3 Definition der ersten Normalform (1NF) 1. Normalform (1NF): Eine Relation ist in der 1NF, wenn alle Attribute nur jeweils einen Wert zulassen. 3

4 Erste Normalform (1NF) Wahre Relationen Lehrbücher ISBN Titel Autoren UML Distilled Fowler Kendall Refactoring Fowler Datenbanken Heuer Saake mehrere Attributwerte sind verboten! Frage: Was wäre, wenn zu jedem Autor auch noch Adresse gespeichert sein soll? Lehrbücher ISBN Titel Autor_schrieb_Buch ISBN Autor Autoren Autor UML Distilled Refactoring Datenbanken Fowler Kendall Fowler Heuer Saake Fowler Kendall Heuer Saake 4

5 Aufgabe 1NF P_hält_LV: Name Vorlesung Erbs Erbs Raffius , Prog1, WS11, KursC , DBI, WS11, KursD , Prog1, WS11, KursA ist diese Relation in 1. Normalform? Wie sieht die Relation in 1. NF aus? Aber: Nicht gut, da Daten zu Prog1 mehrfach gespeichert / es gibt Anomalien -> nicht 3NF -> siehe später in Vorlesung 5

6 Was sind Anomalien? Am Beispiel einer Relation in 1NF Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Was ist der Nachteil einer solchen Abspeicherung? DELETE-Anomalie: Produkt ganz aus Programm nehmen INSERT-Anomalie: UPDATE-Anomalie: Neues Tonprodukt einführen, aber noch nicht auf den Markt bringen Für Prod-Nr nicht mehr Deko als Funktion sondern Gebrauch 6

7 Was sind Anomalien? DELETE-Anomalie Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach DELETE-Anomalie: Produkt ganz aus Programm nehmen Wenn Produkt nur einmal gelöscht wird (z. B. Zeile3): => Produkt existiert trotz Löschung weiterhin. => Mit Löschen verschwindet auch ein Markt ganz. Markt-Existenz darf nicht von Produkt-Existenz abh. sein. 7

8 Was sind Anomalien? INSERT-Anomalie Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach INSERT-Anomalie: Neues Tonprodukt einführen, aber noch nicht auf den Markt bringen Gar nicht möglich, Schlüssel muss gefüllt sein. Dummy-Wert für Teil des Schlüssels? Wenn später Töpferprodukt auf Markt angeboten: Dummies überschreiben Wenn Dummy-Tupel vergessen => Produkt wird noch einmal eingefügt. 8

9 Was sind Anomalien? UPDATE-Anomalie Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach UPDATE-Anomalie: Für Prod-Nr nicht mehr Deko als Funktion sondern Gebrauch Gefahr von Vergessen eines Tupels => Inkonsistenz Viel Änderungen, obwohl sich nur 1 Sachverhalt ändert. 9

10 Vermeidung von Anomalien ==> Anomalien resultieren aus Redundanz (= mehrfachen Vorkommen gleicher Daten)! Nicht-Trennung von Konzepten Ziel: Trennung von Konzepten d.h. Redundanzfreiheit und Anomaliefreiheit Lösung: Eliminierung von funktionalen Abhängigkeiten innerhalb einer Tabelle Ergebnis: Sachverhalte genau einmal repräsentiert Es ist immer nur eine Operation nötig 10

11 Funktionale Abhängigkeit Funktion zwischen einer Menge X und Y: Abbildung einer Menge X auf eine Menge Y, für die gilt: Für alle x Element aus X gibt es genau ein y Element aus Y. ->Bild auf Tafel Funktionale Abhängigkeit: Eine Menge B von Attributen b1, b2, bn ist funktional abhängig von einer Menge A von Attributen a1, a2, an, wenn eine Funktion zwischen A und B besteht, d. h. für alle Werte aus A gibt es genau einen Wert aus B in anderen Worten: In einer Relation ist Attribut(-menge) B funktional abhängig von Attribut(-menge) A, wenn für jeden beliebigen Wert a aus A immer nur ein Wert b aus B existiert. z. B. ISBN -> Titel, aber nicht: ISBN -> Autor, da mehrere Autoren zu ISBN 11

12 Definition der zweiten Normalform (2NF) 1. Normalform (1NF): Eine Relation ist in der 1NF, wenn die Wertebereiche aller Attribute nur atomare Werte zulassen. 2. Normalform (2NF): 1NF + jedes Nicht-Schlüssel-Attribut ist funktional abhängig vom Gesamtschlüssel, nicht aber von einzelnen Schlüsselteilen. (2NF kann nur bei zusammengesetzten Schlüsseln verletzt sein!) 12

13 2NF (Delete-, Insert- und Update-Anomalien: - Produkt ganz aus Programm nehmen - Neues Tonprodukt einführen, aber noch nicht auf den Markt bringen) Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Was ist der Schlüssel? Welche Attribute sind von welchen funktional abhängig? Welche Attribute sind von Schlüsselteilen funktional abhängig? Bilden Sie jeweils Relationen mit Attributen, die vom gleichen Schlüsselteil abhängig sind, wie sehen die Relationen aus? Wie sieht das ER-Diagramm aus? Können die obigen Anomalien nach der Normalisierung noch auftreten? 13

14 2NF (Delete- und Insert-Anomalien - Produkt ganz aus Programm nehmen - Neues Tonprodukt einführen, aber noch nicht auf den Markt bringen) Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Töpferprodukt Töpferprodukt Markt_2 Prod-Nr Produktart Funktion Prod-Nr Verkauftsmarkt Marktstandort marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Kaffee-Service Gebrauch Schale Deko Krug Deko Krug Deko Töpfermarkt Verkauftsmarkt Marktstandort Termin Internat. Tonmarkt Strasbourg Rheinischer Töpfermarkt Mainz Odenwälder Töpferwelt Erbach Internat. Tonmarkt Strasbourg Internat. Tonmarkt Strasbourg Rheinischer Töpfermarkt Mainz Odenwälder Töpferwelt Erbach Internat. Tonmarkt Strasbourg Internat. Tonmarkt Strasbourg Odenwälder Töpferwelt Erbach 80 Alles, was von einem Teil des Schlussels abhängt -> eigenen Relation 14

15 2NF (Delete- und Insert-Anomalien - Produkt ganz aus Programm nehmen - Neues Tonprodukt einführen, aber noch nicht auf den Markt bringen) Töpferprodukt Markt Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Töpferprodukt Töpferprodukt Markt_2 Prod-Nr Produktart Funktion Prod-Nr Verkauftsmarkt Marktstandort marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Kaffee-Service Gebrauch Schale Deko Krug Deko Krug Deko Töpfermarkt Verkauftsmarkt Marktstandort Termin Internat. Tonmarkt Strasbourg Rheinischer Töpfermarkt Mainz Odenwälder Töpferwelt Erbach Internat. Tonmarkt Strasbourg Internat. Tonmarkt Strasbourg Rheinischer Töpfermarkt Mainz Odenwälder Töpferwelt Erbach Internat. Tonmarkt Strasbourg Internat. Tonmarkt Strasbourg Odenwälder Töpferwelt Erbach 80 2NF? 15

16 Aufgabe 2NF LV_fuer_FB: LV_Name Fachbereich Sem LV_Kürzel LV-Beschr Digitaltechnik EIT 3 DT Beschr. DT: Digitaltechnik I 2 DT Beschr. DT: Ist diese Relation in 2. Normalform? Warum nicht? Was muss in extra Relation ausgelagert werden? (Digitaltechnik wird immer mit DT abgekürzt und hat immer die gleiche Beschr.) Wie sehen die Relationen aus? Wie sieht ER-Diagramm aus? 16

17 1. Normalform (1NF): Definition der dritten Normalform (3NF) Eine Relation ist in der 1NF, wenn die Wertebereiche aller Attribute nur atomare Werte zulassen. 2. Normalform (2NF): 1NF + jedes Nicht-Schlüssel-Attribut ist funktional abhängig vom Gesamtschlüssel, nicht aber von einzelnen Schlüsselteilen. 3. Normalform (3NF): 2NF + es sind keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen Attributen erlaubt, die nicht als Schlüssel definiert sind. 17

18 3NF (Update-Anomalie: - Für Produktart Krug nicht mehr Deko als Funktion sondern Gebrauch ) Töpferprodukt Prod-Nr Produktart Funktion Tee-Service Gebrauch Kaffee-Service Gebrauch Schale Deko Krug Deko Krug Deko Welche Attribute sind von welchen funktional abhängig? (Eine Produktart habe immer die gleiche Funktion) Wie sehen die Relationen aus? Wie sieht das ER-Diagramm aus? 18

19 3NF (Update-Anomalie: - Für Produktart Krug nicht mehr Deko als Funktion sondern Gebrauch ) Töpferprodukt Prod-Nr Produktart Funktion Tee-Service Gebrauch Kaffee-Service Gebrauch Schale Deko Krug Deko Krug Deko Töpferprodukt_2 Prod-Nr Produktart Tee-Service Kaffee-Service Schale Krug Krug Töpferprodukt_Art Produktart Funktion Tee-Service Gebrauch Kaffee-Service Gebrauch Schale Deko Krug Deko 19

20 Töpferprodukt Markt Gesamtlösung Können die obigen Anomalien nach der Normalisierung noch auftreten? Prod-Nr Produktart Funktion Verkaufsmarkt Marktstandort Termin marktspez.preis Tee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Kaffee-Service Gebrauch Internat. Tonmarkt Strasbourg Schale Deko Rheinischer Tonmarkt Mainz Schale Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Schale Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Internat. Tonmarkt Strasbourg Krug Deko Odenwälder Töpferwelt Erbach Töpferprodukt_2 Prod-Nr Produktart Tee-Service Kaffee-Service Schale Krug Krug Töpferprodukt Art Produktart Tee-Service Kaffee-Service Schale Krug Funktion Gebrauch Gebrauch Deko Deko Töpferprodukt Markt_2 Prod-Nr Verkauftsmarkt Marktstandort marktspez.preis Internat. Tonmarkt Strasbourg Internat. Tonmarkt Strasbourg Rheinischer Töpfermarkt Mainz Odenwälder Töpferwelt Erbach Internat. Tonmarkt Strasbourg Internat. Tonmarkt Strasbourg Odenwälder Töpferwelt Erbach 80 Töpfermarkt Verkauftsmarkt Marktstandort Termin Internat. Tonmarkt Strasbourg Rheinischer Töpfermarkt Mainz Odenwälder Töpferwelt Erbach

21 Aufgabe 3NF S_g_Fb: MatNr Name Vorname Anschrift Fb_Kuerzel Zahl_Stud Meyer H FBI 1090 ist diese Relation in 3. Normalform? Wie sehen die Relationen aus? Wie sieht das ER-Diagramm aus? 21

22 Aufgabe Normalisierung Präsidentenbeispiel -> Overheadfolie Sind diese Relation in 1., 2., 3. Normalform? Welche funktionalen Abhängigkeiten existieren? Wie sieht das ER-Diagramm aus? Wie sehen die Relationen aus? 22

23 Normalisierung vs. De-Normalisierung Häufige Einwände gegen Normalisierung: Erfordert mehr Speicherplatz! nicht korrekt Umständlicher zu handhaben! Reduziert Laufzeit-Performanz! nicht korrekt wenn View-Konzept (Sichten) unterstützt korrekt Daher: In der Praxis meist 3NF üblich Empfehlung + Erfahrung: bereits in konzeptionellem Entwurf (ERM) normalisiert denken Falls Laufzeitverbesserung notwendig: -> Gezielt de-normalisieren (und zwar nur dort, wo es viel bringt) 23

24 . Ende Normalisierung für Vorlesung 24

25 Definition der Boyce-Codd-Normalform (BCNF) 1. Normalform (1NF): Eine Relation ist in der 1NF, wenn die Wertebereiche aller Attribute nur atomare Werte zulassen. 2. Normalform (2NF): 1NF + jedes Nicht-Schlüssel-Attribut ist funktional abhängig vom Gesamtschlüssel, nicht aber von einzelnen Schlüsselteilen. 3. Normalform (3NF): 2NF + es sind keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen Attributen erlaubt, die nicht als Schlüssel definiert sind. Boyce-Codd-Normalform (BCNF): 3NF + es sind keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen Schlüsselteilen erlaubt. 25

26 Definition der vierten Normalform (4NF) 1. Normalform (1NF): Eine Relation ist in der 1NF, wenn die Wertebereiche aller Attribute nur atomare Werte zulassen. 2. Normalform (2NF): 1NF + jedes Nicht-Schlüssel-Attribut ist funktional abhängig vom Gesamtschlüssel, nicht aber von einzelnen Schlüsselteilen. 3. Normalform (3NF): 2NF + es sind keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen Attributen erlaubt, die nicht als Schlüssel definiert sind. Boyce-Codd-Normalform (BCNF): 3NF + es sind keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen Schlüsselteilen erlaubt. 4. Normalform (4NF): (3NF oder BCNF) + es gibt keine paarweise auftretenden mehrwertigen Abhängigkeiten in der Relation und es gibt keine weiteren Attribute, die von allen in der paarweisen mehrwertigen Abhängigkeit enthalten sind. 26

27 Vierte Normalform (4NF) Veranstaltung_nicht_in_4NF Veranst.schlüssel Fach Veranstaltungsart Prüfungsart 1 Datenbanken Proseminar Referat 2 Datenbanken Proseminar Fachgespräch 3 Datenbanken Seminar Referat 4 Datenbanken Seminar Fachgespräch 5 Rechnernetze Vorlesung Fachgespräch 6 Rechnernetze Vorlesung Klausur Fach_und_Veranstaltungsart_4NF Fach Veranstaltungsart Datenbanken Proseminar Datenbanken Seminar Rechnernetze Vorlesung Fach_und_Prüfungsart_4NF Fach Prüfungsart Datenbanken Referat Datenbanken Fachgespräch Rechnernetze Klausur Rechnernetze Fachgespräch 28

28 Aufgabe 4NF Person arbeitet in mehreren Projekten und hat mehrere Angehörige. Dargestellt als eine Relation mit dem zusammengesetzten Primärschlüssel oder zusätzliches Attribut als Primärschlüssel 29

29 Definition der fünften Normalform (5NF) 1. Normalform (1NF): Normalform (2NF): Normalform (3NF):... Boyce-Codd-Normalform (BCNF): Normalform (4NF): (3NF oder BCNF) + es gibt keine paarweise auftretenden mehrwertigen Abhängigkeiten in der Relation. 5. Normalform (5NF): 4NF + die Relation kann nicht in mehrere kleinere Relationen (mit jeweils versch. Schlüsseln) aufgespalten werden, die verschmolzen durch einen JOIN wieder die ursprüngliche ergeben würden. 30

30 Fünfte Normalform (5NF) Veranstaltung_nicht_in_5NF Veranst.schlüssel Fach Veranstaltungsart Prüfungsart 1 Datenbanken Proseminar Referat 2 Datenbanken Proseminar Fachgespräch 3 Datenbanken Seminar Referat 4 Datenbanken Seminar Fachgespräch 5 Rechnernetze Vorlesung Fachgespräch 6 Rechnernetze Vorlesung Klausur...gedacht gestrichen Fach_und_Veranstaltungsart _5NF Fach Veranstaltungsart Datenbanken Proseminar Datenbanken Seminar Rechnernetze Vorlesung Fach_und_Prüfungsart _5NF Fach Prüfungsart Datenbanken Referat Datenbanken Fachgespräch Rechnernetze Klausur Rechnernetze Fachgespräch Prüfungsart_und_Veranstaltungsart _5NF Prüfungsart Veranstaltungsart Referat Referat Fachgespräch Fachgespräch Klausur Proseminar Seminar Proseminar Vorlesung Vorlesung 31