الوحدة 10: فهم عملية التوحيد (Normalization)

10.1 ما هو التوحيد (Normalization)؟

التوحيد (Normalization) هو عملية أساسية في تصميم قواعد البيانات العلائقية. تُعتبر أداة منهجية لتقليل التكرار وتحسين سلامة البيانات.

• تعريف:

  التوحيد هو عملية تنظيم الجداول (العلاقات) في قاعدة البيانات لتقليل التكرار (Redundancy) ومنع التناقضات (Inconsistencies) وحالات الشذوذ (Anomalies) التي تحدث عند إدخال أو تحديث أو حذف البيانات.

• الغرض من التوحيد:
  • إزالة الاعتماديات الجزئية والانتقالية: التي تسبب التكرار والمشاكل في التصميم.
  • تحسين سلامة البيانات (Data Integrity): بضمان أن البيانات دقيقة ومتسقة.
  • تسهيل الصيانة والتعديل: حيث أن التغيير في معلومة واحدة لا يتطلب تحديثها في أماكن متعددة.
  • تقليل مساحة التخزين: من خلال تجنب تكرار البيانات.

10.2 النماذج الموحدة (Normal Forms)

النماذج الموحدة (Normal Forms) هي مجموعة من الإرشادات أو الشروط التي يجب أن تستوفيها الجداول لتقييم مدى توحيدها. كل شكل طبيعي يمثل مستوى أعلى من التنظيم ويُقلل من التكرار وحالات الشذوذ بشكل أكبر.

فيما يلي أبرز النماذج الموحدة التي تُطبق بشكل شائع:

10.3 النموذج الموحد الأول (1NF – First Normal Form)

هو المستوى الأساسي للتطبيع. يجب أن يفي كل جدول في قاعدة البيانات بهذا الشكل الطبيعي ليعتبر "علائقياً" بالمعنى الحقيقي.

• الشرط:
  • الذرية (Atomicity): كل حقل (خلية) يجب أن يحتوي على قيمة واحدة فقط، وليس مجموعة من القيم أو قيم متعددة.
  • فرادة الصفوف (Unique Rows): كل صف في الجدول يجب أن يكون فريدًا، مما يعني وجود مفتاح أساسي (Primary Key) يُعرف كل صف بشكل فريد.
  • نفس النوع (Same Type): يجب أن تكون جميع القيم في عمود معين من نفس النوع.

10.4 النموذج الموحد الثاني (2NF – Second Normal Form)

يُعالج 2NF مشاكل الاعتماديات الجزئية (Partial Dependencies) التي تحدث عندما تعتمد سمات غير رئيسية على جزء فقط من المفتاح الرئيسي المركب.

• الشرط:
  • يجب أن يكون الجدول في 1NF.
  • لا وجود لاعتمادية جزئية: يجب ألا تعتمد أي سمة غير مفتاحية على جزء فقط من المفتاح الرئيسي المركب. يجب أن تعتمد على المفتاح الرئيسي بالكامل.

-- إنشاء جدول الطلاب
CREATE TABLE Students (
    StudentID INT PRIMARY KEY,
    StudentName VARCHAR(100) NOT NULL
);

-- إنشاء جدول المقررات
CREATE TABLE Courses (
    CourseID VARCHAR(10) PRIMARY KEY,
    CourseName VARCHAR(100) NOT NULL,
    Instructor VARCHAR(100)
);

-- إنشاء جدول التسجيل (للعلاقة M:N بين الطلاب والمقررات)
CREATE TABLE Enrollment (
    StudentID INT,
    CourseID VARCHAR(10),
    PRIMARY KEY (StudentID, CourseID), -- مفتاح رئيسي مركب
    FOREIGN KEY (StudentID) REFERENCES Students(StudentID),
    FOREIGN KEY (CourseID) REFERENCES Courses(CourseID)
);
                        

10.5 النموذج الموحد الثالث (3NF – Third Normal Form)

يُعالج 3NF مشاكل الاعتماديات الانتقالية (Transitive Dependencies) التي تحدث عندما تعتمد سمة غير رئيسية على سمة غير رئيسية أخرى.

• الشرط:
  • يجب أن يكون الجدول في 2NF.
  • لا وجود لاعتمادية انتقالية: يجب ألا تعتمد أي سمة غير مفتاحية على سمة أخرى غير مفتاحية. (أي أن السمات غير الرئيسية تعتمد مباشرة فقط على المفتاح الرئيسي).

-- إنشاء جدول الأقسام
CREATE TABLE Departments (
    DepartmentID VARCHAR(10) PRIMARY KEY,
    DepartmentName VARCHAR(100) NOT NULL,
    DepartmentLocation VARCHAR(100)
);

-- إنشاء جدول الموظفين
CREATE TABLE Employees (
    EmployeeID INT PRIMARY KEY,
    EmployeeName VARCHAR(100) NOT NULL,
    DepartmentID VARCHAR(10),
    FOREIGN KEY (DepartmentID) REFERENCES Departments(DepartmentID)
);
                        

10.6 نموذج بويس-كود الموحَّد (BCNF – Boyce-Codd Normal Form)

يُعتبر BCNF شكلاً طبيعيًا أكثر صرامة من 3NF، ويُعالج بعض الحالات الخاصة التي قد تسبب مشاكل في 3NF، خاصة عندما يكون هناك تداخل بين المفاتيح المحتملة (Candidate Keys).

• الشرط:
  • يجب أن يكون الجدول في 3NF.
  • لكل اعتماد وظيفي غير بديهي ($X \rightarrow Y$) في الجدول، يجب أن يكون X مفتاحًا فائقًا (Super Key). المفتاح الفائق هو أي مجموعة من السمات التي تُحدد بشكل فريد كل صف في الجدول (بما في ذلك المفتاح الرئيسي).

أهمية BCNF:

• حل الحالات المعقدة: يُعالج حالات الشذوذ التي لا يغطيها 3NF بشكل كامل، خاصة عندما يحتوي الجدول على مفتاحين أو أكثر متداخلين.
• أقصى درجات التطبيع: يضمن BCNF أن كل اعتماد وظيفي يعتمد فقط على مفتاح فائق، مما يُقلل التكرار إلى أقصى حد ممكن.

10.7 التوحيد وتصميم قواعد البيانات

التوحيد ليس مجرد مجموعة من القواعد النظرية؛ بل هو عملية عملية وحاسمة في تصميم قواعد البيانات ذات الكفاءة العالية والموثوقية.

• يساعد التوحيد على:
  • تقليل التكرار (Redundancy): يضمن أن كل معلومة مخزنة مرة واحدة فقط.
  • منع حالات الشذوذ (Anomalies):
    • شذوذ الإدخال (Insertion Anomaly): عدم القدرة على إضافة بيانات لكيان دون وجود بيانات لكيان آخر.
    • شذوذ التحديث (Update Anomaly): الحاجة لتحديث نفس البيانات في أماكن متعددة.
    • شذوذ الحذف (Deletion Anomaly): فقدان بيانات غير مقصودة عند حذف سجل.
  • تسهيل صيانة البيانات والتطبيقات: تصبح قاعدة البيانات أسهل في الفهم والتعديل مع تطور المتطلبات.
  • تعزيز سلامة البيانات (Data Integrity): بضمان اتساق البيانات ودقتها.

10.8 المصطلحات الأساسية والاختصارات (Key Terms and Abbreviations)

10.9 تمارين مقترحة (Suggested Exercises)

اختبر فهمك لمفاهيم هذه الوحدة بالإجابة على الأسئلة التالية:

1. تخيل جدولاً غير مُطبع يُسمى Student_Course_Grade_Instructor_Dept يحتوي على الأعمدة التالية: StudentID, StudentName, CourseID, CourseName, InstructorName, InstructorDept, Grade.
   أعد تصميم هذا الجدول خطوة بخطوة إلى 1NF ثم 2NF ثم 3NF. لكل خطوة، اذكر المشكلة (إن وجدت) والحل، مع توضيح الجداول الناتجة والمفاتيح الأساسية والخارجية.
   الاعتماديات المفترضة:
   • StudentID $\rightarrow$ StudentName
   • CourseID $\rightarrow$ CourseName
   • InstructorName $\rightarrow$ InstructorDept
   • (StudentID, CourseID) $\rightarrow$ Grade
   • CourseID $\rightarrow$ InstructorName (كل مقرر يدرسه مدرس واحد فقط)
2. أعطِ مثالًا عمليًا لـ حالة إدخال شاذة (Insertion Anomaly) في جدول غير مُطبع، ثم اشرح كيف يمكن حلها باستخدام عملية التوحيد، موضحًا الأشكال الطبيعية التي ستساعد في ذلك.
3. صف الفرق الأساسي بين النموذج الموحد الثالث (3NF) ونموذج بويس-كود الموحَّد (BCNF). أعطِ مثالًا عمليًا لجدول يكون في 3NF ولكنه ليس في BCNF، واشرح سبب ذلك وكيف يمكن تطبيعه إلى BCNF.
4. بالنظر إلى الجدول التالي الذي يُمثل تسجيلات الطلاب في مشاريع متعددة:

   ProjectID	ProjectName	StudentID	StudentName	Advisor	AdvisorDept
   P1	المكتبة الرقمية	S1	ليلى	د. ناصر	علوم حاسب
   P1	المكتبة الرقمية	S2	أحمد	د. ناصر	علوم حاسب
   P2	نظام إدارة المستشفى	S3	فاطمة	د. سارة	نظم معلومات

   الاعتماديات المفترضة:

   • ProjectID $\rightarrow$ ProjectName
   • StudentID $\rightarrow$ StudentName
   • Advisor $\rightarrow$ AdvisorDept
   • (ProjectID, StudentID) هو المفتاح الرئيسي.
   حلل هذا الجدول وقُم بتوحيده إلى BCNF، مع الرسم التوضيحي للجداول الجديدة والمفاتيح الرئيسية والخارجية.