數(shù)據(jù)庫(kù)三大范式詳解

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數(shù)據(jù)庫(kù)范式1NF 2NF 3NF BCNF(實(shí)例）

??? 設(shè)計(jì)范式（范式,數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)范式,數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)范式）是符合某一種級(jí)別的關(guān)系模式的集合。構(gòu)造數(shù)據(jù)庫(kù)必須遵循一定的規(guī)則。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，這種規(guī)則就是范式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系必須滿足一定的要求，即滿足不同的范式。目前關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)有六種范式：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、第四范式（4NF）、第五范式（5NF）和第六范式（6NF）。滿足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基礎(chǔ)上進(jìn)一步滿足更多要求的稱為第二范式（2NF），其余范式以次類推。一般說來，數(shù)據(jù)庫(kù)只需滿足第三范式（3NF）就行了。下面我們舉例介紹第一范式（1NF）、第二范式（2NF）和第三范式（3NF）。
??? 在創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的過程中，范化是將其轉(zhuǎn)化為一些表的過程，這種方法可以使從數(shù)據(jù)庫(kù)得到的結(jié)果更加明確。這樣可能使數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生重復(fù)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致創(chuàng)建多余的表。范化是在識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)元素、關(guān)系，以及定義所需的表和各表中的項(xiàng)目這些初始工作之后的一個(gè)細(xì)化的過程。
??? 下面是范化的一個(gè)例子 Customer Item purchased Purchase price Thomas Shirt $40 Maria Tennis shoes $35 Evelyn Shirt $40 Pajaro Trousers $25
如果上面這個(gè)表用于保存物品的價(jià)格，而你想要?jiǎng)h除其中的一個(gè)顧客，這時(shí)你就必須同時(shí)刪除一個(gè)價(jià)格。范化就是要解決這個(gè)問題，你可以將這個(gè)表化為兩個(gè)表，一個(gè)用于存儲(chǔ)每個(gè)顧客和他所買物品的信息，另一個(gè)用于存儲(chǔ)每件產(chǎn)品和其價(jià)格的信息，這樣對(duì)其中一個(gè)表做添加或刪除操作就不會(huì)影響另一個(gè)表。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的幾種設(shè)計(jì)范式介紹

1 第一范式（1NF）

??? 在任何一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中，第一范式（1NF）是對(duì)關(guān)系模式的基本要求，不滿足第一范式（1NF）的數(shù)據(jù)庫(kù)就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。
??? 所謂第一范式（1NF）是指數(shù)據(jù)庫(kù)表的每一列都是不可分割的基本數(shù)據(jù)項(xiàng)，同一列中不能有多個(gè)值，即實(shí)體中的某個(gè)屬性不能有多個(gè)值或者不能有重復(fù)的屬性。如果出現(xiàn)重復(fù)的屬性，就可能需要定義一個(gè)新的實(shí)體，新的實(shí)體由重復(fù)的屬性構(gòu)成，新實(shí)體與原實(shí)體之間為一對(duì)多關(guān)系。在第一范式（1NF）中表的每一行只包含一個(gè)實(shí)例的信息。例如，對(duì)于圖3-2 中的員工信息表，不能將員工信息都放在一列中顯示，也不能將其中的兩列或多列在一列中顯示；員工信息表的每一行只表示一個(gè)員工的信息，一個(gè)員工的信息在表中只出現(xiàn)一次。簡(jiǎn)而言之，第一范式就是無重復(fù)的列。

2 第二范式（2NF）

??? 第二范式（2NF）是在第一范式（1NF）的基礎(chǔ)上建立起來的，即滿足第二范式（2NF）必須先滿足第一范式（1NF）。第二范式（2NF）要求數(shù)據(jù)庫(kù)表中的每個(gè)實(shí)例或行必須可以被惟一地區(qū)分。為實(shí)現(xiàn)區(qū)分通常需要為表加上一個(gè)列，以存儲(chǔ)各個(gè)實(shí)例的惟一標(biāo)識(shí)。如圖3-2 員工信息表中加上了員工編號(hào)（emp_id）列，因?yàn)槊總€(gè)員工的員工編號(hào)是惟一的，因此每個(gè)員工可以被惟一區(qū)分。這個(gè)惟一屬性列被稱為主關(guān)鍵字或主鍵、主碼。
第二范式（2NF）要求實(shí)體的屬性完全依賴于主關(guān)鍵字。所謂完全依賴是指不能存在僅依賴主關(guān)鍵字一部分的屬性，如果存在，那么這個(gè)屬性和主關(guān)鍵字的這一部分應(yīng)該分離出來形成一個(gè)新的實(shí)體，新實(shí)體與原實(shí)體之間是一對(duì)多的關(guān)系。為實(shí)現(xiàn)區(qū)分通常需要為表加上一個(gè)列，以存儲(chǔ)各個(gè)實(shí)例的惟一標(biāo)識(shí)。簡(jiǎn)而言之，第二范式就是非主屬性非部分依賴于主關(guān)鍵字。

3 第三范式（3NF）

??? 滿足第三范式（3NF）必須先滿足第二范式（2NF）。簡(jiǎn)而言之，第三范式（3NF）要求一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表中不包含已在其它表中已包含的非主關(guān)鍵字信息。例如，存在一個(gè)部門信息表，其中每個(gè)部門有部門編號(hào)（dept_id）、部門名稱、部門簡(jiǎn)介等信息。那么在圖3-2的員工信息表中列出部門編號(hào)后就不能再將部門名稱、部門簡(jiǎn)介等與部門有關(guān)的信息再加入員工信息表中。如果不存在部門信息表，則根據(jù)第三范式（3NF）也應(yīng)該構(gòu)建它，否則就會(huì)有大量的數(shù)據(jù)冗余。簡(jiǎn)而言之，第三范式就是屬性不依賴于其它非主屬性。

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)三大范式應(yīng)用實(shí)例剖析

???? 數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)范式是數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)所需要滿足的規(guī)范，滿足這些規(guī)范的數(shù)據(jù)庫(kù)是簡(jiǎn)潔的、結(jié)構(gòu)明晰的，同時(shí)，不會(huì)發(fā)生插入（insert）、刪除（delete）和更新（update）操作異常。反之則是亂七八糟，不僅給數(shù)據(jù)庫(kù)的編程人員制造麻煩，而且面目可憎，可能存儲(chǔ)了大量不需要的冗余信息。
??? 設(shè)計(jì)范式是不是很難懂呢？非也，大學(xué)教材上給我們一堆數(shù)學(xué)公式我們當(dāng)然看不懂，也記不住。所以我們很多人就根本不按照范式來設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。
實(shí)質(zhì)上，設(shè)計(jì)范式用很形象、很簡(jiǎn)潔的話語就能說清楚，道明白。本文將對(duì)范式進(jìn)行通俗地說明，并以筆者曾經(jīng)設(shè)計(jì)的一個(gè)簡(jiǎn)單論壇的數(shù)據(jù)庫(kù)為例來講解怎樣將這些范式應(yīng)用于實(shí)際工程。

范式說明

??? 第一范式（1NF）：數(shù)據(jù)庫(kù)表中的字段都是單一屬性的，不可再分。這個(gè)單一屬性由基本類型構(gòu)成，包括整型、實(shí)數(shù)、字符型、邏輯型、日期型等。

??? 例如，如下的數(shù)據(jù)庫(kù)表是符合第一范式的：

??? 字段1 字段2 字段3 字段4

??? 而這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)表是不符合第一范式的：

??? 字段1 字段2 字段3 字段4
??? 字段3.1 字段3.2?

??? 很顯然，在當(dāng)前的任何關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）中，傻瓜也不可能做出不符合第一范式的數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)檫@些DBMS不允許你把數(shù)據(jù)庫(kù)表的一列再分成二列或多列。因此，你想在現(xiàn)有的DBMS中設(shè)計(jì)出不符合第一范式的數(shù)據(jù)庫(kù)都是不可能的。?

??? 第二范式（2NF）：數(shù)據(jù)庫(kù)表中不存在非關(guān)鍵字段對(duì)任一候選關(guān)鍵字段的部分函數(shù)依賴（部分函數(shù)依賴指的是存在組合關(guān)鍵字中的某些字段決定非關(guān)鍵字段的情況），也即所有非關(guān)鍵字段都完全依賴于任意一組候選關(guān)鍵字。

??? 假定選課關(guān)系表為SelectCourse(學(xué)號(hào), 姓名, 年齡, 課程名稱, 成績(jī), 學(xué)分)，關(guān)鍵字為組合關(guān)鍵字(學(xué)號(hào), 課程名稱)，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：
??? (學(xué)號(hào), 課程名稱) → (姓名, 年齡, 成績(jī), 學(xué)分)?

??? 這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表不滿足第二范式，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：
??? (課程名稱) → (學(xué)分)
??? (學(xué)號(hào)) → (姓名, 年齡)
??? 即存在組合關(guān)鍵字中的字段決定非關(guān)鍵字的情況。?

??? 由于不符合2NF，這個(gè)選課關(guān)系表會(huì)存在如下問題：
??? (1) 數(shù)據(jù)冗余：
??? 同一門課程由n個(gè)學(xué)生選修，"學(xué)分"就重復(fù)n-1次；同一個(gè)學(xué)生選修了m門課程，姓名和年齡就重復(fù)了m-1次。
??? (2) 更新異常：
??? 若調(diào)整了某門課程的學(xué)分，數(shù)據(jù)表中所有行的"學(xué)分"值都要更新，否則會(huì)出現(xiàn)同一門課程學(xué)分不同的情況。
??? (3) 插入異常：
??? 假設(shè)要開設(shè)一門新的課程，暫時(shí)還沒有人選修。這樣，由于還沒有"學(xué)號(hào)"關(guān)鍵字，課程名稱和學(xué)分也無法記錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。
??? (4) 刪除異常：
??? 假設(shè)一批學(xué)生已經(jīng)完成課程的選修，這些選修記錄就應(yīng)該從數(shù)據(jù)庫(kù)表中刪除。但是，與此同時(shí)，課程名稱和學(xué)分信息也被刪除了。很顯然，這也會(huì)導(dǎo)致插入異常。

??? 把選課關(guān)系表SelectCourse改為如下三個(gè)表：
??? 學(xué)生：Student(學(xué)號(hào), 姓名, 年齡)；
??? 課程：Course(課程名稱, 學(xué)分)；
??? 選課關(guān)系：SelectCourse(學(xué)號(hào), 課程名稱, 成績(jī))。

??? 這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)表是符合第二范式的， 消除了數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。
??? 另外，所有單關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)庫(kù)表都符合第二范式，因?yàn)椴豢赡艽嬖诮M合關(guān)鍵字。

??? 第三范式（3NF）：在第二范式的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)表中如果不存在非關(guān)鍵字段對(duì)任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。所謂傳遞函數(shù)依賴，指的是如果存在"A → B → C"的決定關(guān)系，則C傳遞函數(shù)依賴于A。因此，滿足第三范式的數(shù)據(jù)庫(kù)表應(yīng)該不存在如下依賴關(guān)系：
??? 關(guān)鍵字段 → 非關(guān)鍵字段x → 非關(guān)鍵字段y

??? 假定學(xué)生關(guān)系表為Student(學(xué)號(hào), 姓名, 年齡, 所在學(xué)院, 學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話)，關(guān)鍵字為單一關(guān)鍵字"學(xué)號(hào)"，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：
??? (學(xué)號(hào)) → (姓名, 年齡, 所在學(xué)院, 學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話)

??? 這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是符合2NF的，但是不符合3NF，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：
??? (學(xué)號(hào)) → (所在學(xué)院) → (學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話)
??? 即存在非關(guān)鍵字段"學(xué)院地點(diǎn)"、"學(xué)院電話"對(duì)關(guān)鍵字段"學(xué)號(hào)"的傳遞函數(shù)依賴。
???
??? 它也會(huì)存在數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常的情況，讀者可自行分析得知。
??? 把學(xué)生關(guān)系表分為如下兩個(gè)表：
??? 學(xué)生：(學(xué)號(hào), 姓名, 年齡, 所在學(xué)院)；
??? 學(xué)院：(學(xué)院, 地點(diǎn), 電話)。?

??? 這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)表是符合第三范式的，消除了數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。
鮑依斯-科得范式（BCNF）：在第三范式的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫(kù)表中如果不存在任何字段對(duì)任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。

??? 假設(shè)倉(cāng)庫(kù)管理關(guān)系表為StorehouseManage(倉(cāng)庫(kù)ID, 存儲(chǔ)物品ID, 管理員ID, 數(shù)量)，且有一個(gè)管理員只在一個(gè)倉(cāng)庫(kù)工作；一個(gè)倉(cāng)庫(kù)可以存儲(chǔ)多種物品。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表中存在如下決定關(guān)系：
??? (倉(cāng)庫(kù)ID, 存儲(chǔ)物品ID) →(管理員ID, 數(shù)量)
??? (管理員ID, 存儲(chǔ)物品ID) → (倉(cāng)庫(kù)ID, 數(shù)量)
??? 所以，(倉(cāng)庫(kù)ID, 存儲(chǔ)物品ID)和(管理員ID, 存儲(chǔ)物品ID)都是StorehouseManage的候選關(guān)鍵字，表中的唯一非關(guān)鍵字段為數(shù)量，它是符合第三范式的。但是，由于存在如下決定關(guān)系：
??? (倉(cāng)庫(kù)ID) → (管理員ID)
??? (管理員ID) → (倉(cāng)庫(kù)ID)
??? 即存在關(guān)鍵字段決定關(guān)鍵字段的情況，所以其不符合BCNF范式。它會(huì)出現(xiàn)如下異常情況：
??? (1) 刪除異常：
??? 當(dāng)倉(cāng)庫(kù)被清空后，所有"存儲(chǔ)物品ID"和"數(shù)量"信息被刪除的同時(shí)，"倉(cāng)庫(kù)ID"和"管理員ID"信息也被刪除了。
??? (2) 插入異常：
??? 當(dāng)倉(cāng)庫(kù)沒有存儲(chǔ)任何物品時(shí)，無法給倉(cāng)庫(kù)分配管理員。
??? (3) 更新異常：
??? 如果倉(cāng)庫(kù)換了管理員，則表中所有行的管理員ID都要修改。

??? 把倉(cāng)庫(kù)管理關(guān)系表分解為二個(gè)關(guān)系表：
??? 倉(cāng)庫(kù)管理：StorehouseManage(倉(cāng)庫(kù)ID, 管理員ID)；
??? 倉(cāng)庫(kù)：Storehouse(倉(cāng)庫(kù)ID, 存儲(chǔ)物品ID, 數(shù)量)。
??? 這樣的數(shù)據(jù)庫(kù)表是符合BCNF范式的，消除了刪除異常、插入異常和更新異常。

范式應(yīng)用

??? 我們來逐步搞定一個(gè)論壇的數(shù)據(jù)庫(kù)，有如下信息：
??? （1） 用戶：用戶名，email，主頁，電話，聯(lián)系地址
??? （2） 帖子：發(fā)帖標(biāo)題，發(fā)帖內(nèi)容，回復(fù)標(biāo)題，回復(fù)內(nèi)容

??? 第一次我們將數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)為僅僅存在表：
??? 用戶名 email 主頁 電話 聯(lián)系地址 發(fā)帖標(biāo)題 發(fā)帖內(nèi)容 回復(fù)標(biāo)題 回復(fù)內(nèi)容
??? 這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)表符合第一范式，但是沒有任何一組候選關(guān)鍵字能決定數(shù)據(jù)庫(kù)表的整行，唯一的關(guān)鍵字段用戶名也不能完全決定整個(gè)元組。我們需要增加"發(fā)帖ID"、"回復(fù)ID"字段，即將表修改為：
??? 用戶名 email 主頁 電話 聯(lián)系地址 發(fā)帖ID 發(fā)帖標(biāo)題 發(fā)帖內(nèi)容 回復(fù)ID 回復(fù)標(biāo)題 回復(fù)內(nèi)容?
??? 這樣數(shù)據(jù)表中的關(guān)鍵字(用戶名，發(fā)帖ID，回復(fù)ID)能決定整行：
??? (用戶名,發(fā)帖ID,回復(fù)ID) → (email,主頁,電話,聯(lián)系地址,發(fā)帖標(biāo)題,發(fā)帖內(nèi)容,回復(fù)標(biāo)題,回復(fù)內(nèi)容)
??? 但是，這樣的設(shè)計(jì)不符合第二范式，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：
??? (用戶名) → (email,主頁,電話,聯(lián)系地址)
??? (發(fā)帖ID) → (發(fā)帖標(biāo)題,發(fā)帖內(nèi)容)
??? (回復(fù)ID) → (回復(fù)標(biāo)題,回復(fù)內(nèi)容)
??? 即非關(guān)鍵字段部分函數(shù)依賴于候選關(guān)鍵字段，很明顯，這個(gè)設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)冗余和操作異常。

我們將數(shù)據(jù)庫(kù)表分解為（帶下劃線的為關(guān)鍵字）：
（1） 用戶信息：用戶名，email，主頁，電話，聯(lián)系地址
（2） 帖子信息：發(fā)帖ID，標(biāo)題，內(nèi)容
（3） 回復(fù)信息：回復(fù)ID，標(biāo)題，內(nèi)容
（4） 發(fā)貼：用戶名，發(fā)帖ID
（5） 回復(fù)：發(fā)帖ID，回復(fù)ID

??? 這樣的設(shè)計(jì)是滿足第1、2、3范式和BCNF范式要求的，但是這樣的設(shè)計(jì)是不是最好的呢？
不一定。

??? 觀察可知，第4項(xiàng)"發(fā)帖"中的"用戶名"和"發(fā)帖ID"之間是1：N的關(guān)系，因此我們可以把"發(fā)帖"合并到第2項(xiàng)的"帖子信息"中；第5項(xiàng)"回復(fù)"中的"發(fā)帖ID"和"回復(fù)ID"之間也是1：N的關(guān)系，因此我們可以把"回復(fù)"合并到第3項(xiàng)的"回復(fù)信息"中。這樣可以一定量地減少數(shù)據(jù)冗余，新的設(shè)計(jì)為：
（1） 用戶信息：用戶名，email，主頁，電話，聯(lián)系地址
（2） 帖子信息：用戶名，發(fā)帖ID，標(biāo)題，內(nèi)容
（3） 回復(fù)信息：發(fā)帖ID，回復(fù)ID，標(biāo)題，內(nèi)容

??? 數(shù)據(jù)庫(kù)表1顯然滿足所有范式的要求；

??? 數(shù)據(jù)庫(kù)表2中存在非關(guān)鍵字“標(biāo)題”、“內(nèi)容”對(duì)關(guān)鍵字段“發(fā)帖ID”的部分函數(shù)依賴，即不滿足第二范式的要求，但是這一設(shè)計(jì)并不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余和操作異常；

??? 數(shù)據(jù)庫(kù)表3中也存在非關(guān)鍵字段"標(biāo)題"、"內(nèi)容"對(duì)關(guān)鍵字段"回復(fù)ID"的部分函數(shù)依賴，也不滿足第二范式的要求，但是與數(shù)據(jù)庫(kù)表2相似，這一設(shè)計(jì)也不會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余和操作異常。

??? 由此可以看出，并不一定要強(qiáng)行滿足范式的要求，對(duì)于1：N關(guān)系，當(dāng)1的一邊合并到N的那邊后，N的那邊就不再滿足第二范式了，但是這種設(shè)計(jì)反而比較好！

??? 對(duì)于M：N的關(guān)系，不能將M一邊或N一邊合并到另一邊去，這樣會(huì)導(dǎo)致不符合范式要求，同時(shí)導(dǎo)致操作異常和數(shù)據(jù)冗余。

??? 對(duì)于1：1的關(guān)系，我們可以將左邊的1或者右邊的1合并到另一邊去，設(shè)計(jì)導(dǎo)致不符合范式要求，但是并不會(huì)導(dǎo)致操作異常和數(shù)據(jù)冗余。

結(jié)論

??? 滿足范式要求的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)清晰的，同時(shí)可避免數(shù)據(jù)冗余和操作異常。這并意味著不符合范式要求的設(shè)計(jì)一定是錯(cuò)誤的，在數(shù)據(jù)庫(kù)表中存在1：1或1：N關(guān)系這種較特殊的情況下，合并導(dǎo)致的不符合范式要求反而是合理的。

??? 在我們?cè)O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，一定要時(shí)刻考慮范式的要求。