Konzeption und Modellierung von relationalen Datenbanken

Normalformen von Datenbanken

Um mögliche Fehler bei der Arbeit mit den gespeicherten Daten zu vermeiden, wird die Struktur von Tabellen und Datenbanken anhand objektiver Kriterien bewertet und verbessert. Dazu unterscheidet man zwischen verschiedenen Normalformen. Durch die Normalisierung wird die Struktur einer Datenbank optimiert, in dem sie in eine bestimmte Normalform gebracht wird. Die Normalform einer Datenbank ist ein Maß für die Struktur einer Datenbank. Sie gibt Hinweise dazu, wie redundant Daten in einer Datenbank gespeichert sind. Daten enthalten Redundanz, wenn man Teile von ihnen weglassen kann, ohne dass es zu einem Informationsverlust kommen würde. Falls Daten in einer Datenbank redundant abgelegt sind, ist das Risiko von Inkonsistenzen hoch. Daher sollte bei der Erstellung der Struktur der Datenbanktabellen auf möglichst geringe Redundanz geachtet werden. Je höher die Normalform, desto weniger redundant liegen die Daten vor. Zur Bestimmung einer Normalform wird die Struktur von Attributen einer Relation und deren Abhängigkeiten untereinander betrachtet. Die untenstehende Abbildung zeigt die Abhängigkeiten der im Folgenden näher erläuterten Normalformen. Darüber hinaus gibt es mit der Boyce-Codd-Normalform und der 4. Normalform weitere Stufen oberhalb der 3. Normalform. Für die meisten praktischen Projekte reicht jedoch die 3. Normalform aus, häufig wird schon diese aus Effizienzgründen nicht erreicht.

Je nach Anforderungen an den Datenbestand wird ein Datenschema durch Normalisierung in die erforderliche Normalform gebracht. Anhand des in der untenstehenden Tabelle gegebenen Beispiels werden im Folgenden die 1., 2. und 3. Normalform von Tabellen erläutert. Das Beispiel gibt an, welcher Lieferant welchen Kunden mit welchem Artikel beliefert hat. Dazu gibt es drei Spalten in der Tabelle, die je Informationen zu Lieferant, Kunden und Artikel enthalten.

Erste Normalform

Folgende Bedingungen müssen erfüllt sein, damit eine Tabelle in der 1. Normalform vorliegt:

• Alle Attribute müssen atomare Werte enthalten. Zusammengesetzte Werte sind nicht erlaubt. Zu jedem Attribut muss genau ein Wert gespeichert werden.
  SOWIE
• Jeder einzelne Datensatz ist eindeutig über einen Primärschlüssel identifizierbar.

In obiger Tabelle werden diese Kriterien nicht erfüllt, da es sich bei allen Attributen um zusammengesetzte Werte handelt. Der Normalisierungsschritt für die erste Normalform teilt alle vorkommenden zusammengesetzten Werte, Wertaufzählungen oder geschachtelten Werte auf und legt neue Spalten für die Teilelemente an. Des Weiteren werden Schlüsselattribute identifiziert, mit denen sich Datensätze in der Tabelle eindeutig bezeichnen und voneinander unterscheiden lassen. Weiterhin wurde noch kein Primärschlüssel festgelegt. Die folgende Tabelle zeigt die in die 1. Normalform transformierte Beispieltabelle. Hier wurden die zusammengesetzten Attribute Lieferant, Kunde und Artikel in ihre einzelnen Bestandteile zerlegt und jeweils als separates Attribut definiert. Darüber hinaus wurde ein zusammengesetzter Primärschlüssel bestimmt, nämlich die Attribute KundeNummer und ArtikelID. In der untenstehenden Tabelle und allen folgenden Tabellen sind als Primärschlüssel verwendete Attribute dunkel hinterlegt.

In der folgenden Tabelle wird eine mögliche Alternative dargestellt, bei der als Primärschlüssel ein künstlicher Schlüssel gewählt wurde. Dazu wurde die Tabelle um die Spalte ArtikellieferungID erweitert.

Mit Erreichen der ersten Normalform wird es möglich, nach bestimmten Attributen zu sortieren und Datensätze eindeutig zu referenzieren und zu verändern.

Zweite Normalform

Die zweite Normalform ist nur für Tabellen mit zusammengesetzten Primärschlüsseln relevant. Folgende Kriterien müssen zusätzlich zu allen Kriterien der 1. Normalform erfüllt sein:

• Jedes Nichtschlüsselattribut ist immer abhängig vom gesamten zusammengesetzten Primärschlüssel und nicht nur von einem Teil des Schlüssels.

Besteht der Primärschlüssel aus mindestens zwei Attributen, so müssen alle anderen Attribute der Relation immer vom gesamten Schlüssel abhängig sein. Es reicht nicht aus, wenn ein Attribut nur von einem Teil eines Schlüssel abhängig ist. In der vorletzen Tabelle, die in der 1. Normalform vorliegt, sind allerdings die in folgender Abbildung illustrierten Abhängigkeiten erkennbar:

• Die Attribute KundeName und KundeVorname sind von der KundeNummer abhängig, da aus dem Attribut KundeNummer die beiden Attribute KundeName und KundeVorname folgen. KundeNummer ist jedoch nur ein Teil des Primärschlüssels.
• Das Attribut ArtikelName ist von der ArtikelID abhängig, da aus dem Attribut ArtikelID auf den Wert von ArtikelName geschlossen werden kann. ArtikelID ist jedoch nur ein Teil des Primärschlüssels.

In den folgenden drei Tabellen sind die Ergebnisse einer in die 2. Normalform transformierten Tabelle abgebildet. Die Abhängigkeiten zu Teilen des Primärschlüssels wurden dadurch aufgelöst, dass zwei neue Tabellen Kunde und Artikel erstellt wurden.

Für obige Tabelle als aternativer Vorschlag zur ersten Normalform gibt es keine 2. Normalform, da für diese Tabelle ein einfacher (künstlicher) Primärschlüssel gewählt wurde.

Durch die Normalisierung in die 2. Normalform wird erreicht, dass jede Relation bzw. Tabelle genau einen Sachverhalt abbildet. Es wird Redundanz beseitigt, indem gleiche Informationen, wie Artikel oder Kunde, in eigenen Tabellen zusammengefasst und in anderen Tabellen referenziert werden. So werden im Beispiel KundeName und ArtikelName nun genau 1x gespeichert und nicht mehrfach, wie es noch in der 1. Normalform der Fall war.

Dritte Normalform

Eine Tabelle liegt in der 3. Normalform vor, wenn die Kriterien der 1. Normalform bzw. bei Tabellen mit zusammengesetztem Primärschlüssel die Kriterien der 2. Normalform erfüllt sind. Darüber hinaus muss folgendes gelten:

• Jedes Nichtschlüsselattribut hängt direkt vom Schlüsselattribut ab. Es gibt keine funktionalen Abhängigkeiten zwischen Attributen, die nicht Teil des Primärschlüssels sind.

Mit der 2. Normalform sind die verbliebenen Nichtschlüsselattribute einer Tabelle zwar thematisch miteinander verbunden. Es muss allerdings untersucht werden, ob es nicht Abhängigkeiten zwischen den Attributen gibt, die man in eine eigene Tabelle auslagern sollte.

Die folgende Abbildung stellt die Ahängigkeiten zwischen den Attributen LieferantName und LieferantSitz aus der obigen Tabelle "Artikellieferung, 2. Normalform" dar. Diese beiden Attribute haben Abhängigkeiten, die nicht in Bezug zu einem Teil des Primärschlüssels stehen. Daher müssen diese Abhängigkeiten erst aufgelöst werden, damit die 3. Normalform erreicht werden kann.

Die 3. Normalform der ursprünglichen Beispieltabelle ist in der folgenden Abbildung dargestellt. Es wurden insgesamt 4 Tabellen erstellt.

Die 3. Normalform der ursprünglichen Tabelle mit einem neu eingeführten einfachen Primärschlüssel zeigt die nachstehende Abbildung. Auch hier wurden für die 3. Normalform insgesamt 4 Tabellen erstellt.

In der dritten Normalform sind alle transitiven Abhängigkeiten von Daten sofort ersichtlich, da sie direkt durch die Struktur der Tabellen abgebildet sind.