M2 - Bases de dades / UF1NF3: Normalització
El disseny d’una base de dades pot ser una tasca extremadament complexa. Hi ha diferents metodologies que permeten abordar el problema de trobar l’esquema relacional que representi millor la realitat que es vol modelitzar.
Coneixem el model Entitat-Relació per establir models per a qualsevol realitat, del qual s’obté, com a resultat, el diagrama Entitat-Relació, altrament anomenat diagrama de Chen. També coneixem el procés de traducció d’un diagrama Entitat-Relació a un esquema relacional.
Per tant, si per arribar a l’esquema relacional que ha de modelitzar la realitat hem seguit el camí que consisteix a, primerament, efectuar el diagrama Entitat-Relació per després efectuar-ne la traducció al model relacional, i el diagrama Entitat-Relació era correcte, haurem obtingut un esquema relacional del tot correcte. Aquest seria el camí aconsellable.
En l’apartat del “Model relacional” d’aquesta unitat, es presenta
el procés de traducció d’un diagrama Entitat-Relació a un esquema
relacional.
Però no sempre és així i ens trobem dissenys efectuats directament en l’esquema relacional. Hi ha diferents causes que ho provoquen:
- D’entrada, el model Entitat-Relació és posterior al model relacional i, per tant, hi ha bases de dades que van ser formulades directament en la terminologia relacional. No hi havia cap altra opció!
- Hi ha dissenyadors que “no volen perdre el temps” en un model Entitat-Relació i dissenyen directament en el model relacional. Quin error més gran!
- De vegades, s’ha de modificar la base de dades a causa de noves necessitats, i el disseny s’efectua directament sobre aquesta en lloc d’analitzar-se i realitzar-se sobre el model Entitat-Relació per després transferir els canvis a l’esquema relacional. Quin error més gran!
Fixeu-vos que donem un suport absolut al fet d’utilitzar el model Entitat-Relació per obtenir-ne posteriorment el model relacional. Un bon disseny en el model Entitat-Relació acostuma a proporcionar una base de dades relacional ben dissenyada, cosa que no passarà si el disseny Entitat-Relació incorpora errors. D’altra banda, si no hi ha hagut el disseny Entitat-Relació previ, hi ha més possibilitats de tenir una base de dades relacional mal dissenyada.
La teoria de la normalització és un mètode que permet assegurar si un disseny relacional (tant si
prové de la traducció d’un diagrama Entitat-Relació com si s’ha efectuat directament en el model
relacional) és més o menys correcte.
En general, els mals dissenys poden originar les situacions següents:
- Repetició de la informació
- Impossibilitat de representar certa informació:
- Anomalies en les insercions
- Anomalies en les modificacions
- Anomalies en els esborraments
Un bon disseny ha d’aconseguir el següent:
- Emmagatzemar tota la informació necessària amb el mínim d’informació redundant.
- Mantenir el mínim de lligams entre les relacions de la base de dades per tal de facilitar-ne la utilització.
- Millorar la consultabilitat de les dades emmagatzemades.
- Minimitzar els problemes d’actualització (altes, baixes i modificacions) que poden sorgir en haver d’actualitzar simultàniament dades de diferents relacions.
Exemple de disseny relacional inadequat
Considerem el disseny relacional de la taula.1 per enregistrar la informació dels professors amb els
alumnes de cadascun i la qualificació que han obtingut en els diversos crèdits.
Taula Exemple de disseny relacional inadequat
DniProf NomProfessor DniAlum NomAlumne Edat Credit Nota
__________________________________________________________________________________
33.333.333 Joan Finestra 77.777.777 Anna Taula 20 ADBD 4.5
33.333.333 Joan Finestra 88.888.888 Miquel Cadira 19 ADBD 5.7
33.333.333 Joan Finestra 77.777.777 Anna Taula 20 SGBD 6
33.333.333 Joan Finestra 88.888.888 Miquel Cadira 19 SGBD 7
44.444.444 Maria Porta 77.777.777 Anna Taula 20 MET 6
44.444.444 Maria Porta 88.888.888 Miquel Cadira 19 MET 5
44.444.444 Maria Porta 77.777.777 Anna Taula 20 LLC 4
44.444.444 Maria Porta 88.888.888 Miquel Cadira 19 LLC 3
Oi que convindreu que aquest disseny està pensat amb els peus? Ràpidament, hi veiem els
problemes següents:
* Hi ha informació repetida, fet que pot provocar inconsistències. Fixem-nos que en cas
d’haver de modificar qualsevol dels valors dels camps que formen la clau primària (DniProf,
NomProfessor, DniAlum, NomAlumne, Edat, Credit), el canvi s’ha d’efectuar en totes les
files en què apareix aquest valor.
* No hi pot haver valors nuls en les columnes que formen la clau primària.
* Així, si no coneixem l’edat d’un alumne, tenim un greu problema.
* En cas d’arribar a la conclusió que necessitem emmagatzemar més informació dels professors
o dels alumnes, caldrà afegir més columnes i repetir la informació per a cada fila en què
aparegui el professor o alumne.
* Consultar la informació en la taula.1 pot esdevenir feixuc atesa la gran quantitat d’informació
diferent que conté.
El mètode que proposa la teoria de la normalització per determinar si un disseny relacional és correcte consisteix a avaluar el disseny de totes les relacions (taules) per tal de veure en quin grau de normalitat es troba cadascuna i, així, poder decidir si el disseny ja és correcte o si cal refinar-lo.
La teoria de la normalització defineix les formes normals com a indicadors per avaluar el grau de
normalitat de les relacions, i es diu que una relació està en una forma normal determinada quan
satisfà un conjunt determinat de condicions.
Hi ha diferents graus de normalitat i, per tant, de formes normals, les quals compleixen la relació d’inclusió de la figura.1, que s’ha d’interpretar en el sentit que a mesura que augmenta el nivell de la forma normal, la relació ha de complir un conjunt de condicions més restrictiu i, per tant, continua verificant les condicions de les formes normals de nivell inferior.
Figura Relació d’inclusió entre les diverses formes normals
Així, doncs, l’objectiu hauria de ser aconseguir un esquema relacional en què totes les relacions tinguessin el grau màxim de normalitat, és a dir, en què totes es trobessin en la cinquena forma normal (5FN).
El procés de normalització per aconseguir que una relació que es troba en una forma normal X passi
a estar en una forma normal Y superior a X consisteix sempre en la descomposició o subdivisió de la
relació original (forma normal X) en dues o més relacions que verifiquin el nivell de forma normal Y.
Per tant, el procés de normalització augmenta el nombre de relacions presents en la base de dades. Amb això, segur que s’aconsegueix una disminució de redundàncies i una disminució de les anomalies en els problemes d’actualització de la informació, però, en canvi, es penalitzen les consultes, ja que la seva execució haurà d’anar a cercar la informació en moltes taules relacionades entre elles.
Així, doncs, cal trobar un equilibri, i de vegades pot ser convenient renunciar al nivell màxim de normalització (5FN) i, per tant, permetre una certa redundància en els esquemes amb la finalitat d’alleugerir els costos de les consultes. En aquestes situacions, es parla d’un procés de desnormalització.
El nostre objectiu final és conèixer les condicions que han de complir les relacions per assolir cadascun dels nivells de forma normal, i el procés per dividir les relacions en noves relacions que verifiquin les condicions desitjades. Per aconseguir-ho, hem de conèixer els conceptes de relació universal i dependència funcional.
La relació universal
En efectuar directament el disseny relacional d’una base de dades, el dissenyador es troba amb un conjunt de conceptes que tradueix en atributs, els quals, pel seu significat, agruparà en una o més relacions.
Anomenem relació universal la relació consistent en l’agrupament dels atributs corresponents a tots
els conceptes que constitueixen una base de dades relacional.
Taula Relació universal per a un esquema relacional ideat per a una gestió de comandes de compra
Num DataComanda Article Descripcio Qtat Preu DataPrevista NomProv PaisProv Moneda
22.523 25-05-2000 PC3-500 PC Pentium III a 500 5 150 1-06-2000 ARKANSAS XINA EUR
22.523 25-05-2000 PRO-15 Protector pantalla 15” 5 8 1-06-2000 ARKANSAS XINA EUR
22.524 27-05-2000 PC3-500 PC Pentium III a 500 15 145 5-06-2000 MELISSA ITÀLIA USD
22.524 27-05-2000 PRO-15 Protector pantalla 15” 15 50 5-06-2000 MELISSA ITÀLIA USD
22.525 27-05-2000 INK430 Cartutx de tinta 430 20 25 31-5-2000 ARKANSAS XINA EUR
Així, imaginem que es vol dissenyar una base de dades per al control de les comandes de compra d’una organització determinada. Imaginem que cal incloure-hi els conceptes corresponents a número i data de la comanda; codi, descripció, quantitat i preu pactat per cada article sol·licitat; data prevista de lliurament de la comanda; nom (NomProv) i país (PaisProv) del proveïdor; i moneda en què es pacta la comanda. La relació universal es representa en la taula.2.
Oi que hi ha molta redundància i poca organització? Evidentment, el disseny relacional d’una base de dades basat en la relació universal acostuma a ser del tot incorrecte, i fa necessari aplicar un procés de normalització per tal d’anar dividint la relació en altres relacions de manera que assoleixin graus de normalitat millors, és a dir, compleixin les restriccions corresponents a les formes normals més elevades.
Molt poques vegades es parteix de la relació universal. L’experiència dels dissenyadors provoca que, d’entrada, ja es pensi en relacions que assoleixen un cert grau de normalitat.
