關(guān)于數(shù)據(jù)庫的三大范式

設(shè)計范式（范式,數(shù)據(jù)庫設(shè)計范式,數(shù)據(jù)庫的設(shè)計范式）是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合。構(gòu)造數(shù)據(jù)庫必須遵循一定的規(guī)則。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這種規(guī)則就是范式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(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)庫有六種范式：第一范式（1

設(shè)計范式（范式,數(shù)據(jù)庫設(shè)計范式,數(shù)據(jù)庫的設(shè)計范式）是符合某一種級別的關(guān)系模式的集合。構(gòu)造數(shù)據(jù)庫必須遵循一定的規(guī)則。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，這種規(guī)則就是范式。關(guān)系數(shù)據(jù)庫中的關(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)建一個數(shù)據(jù)庫的過程中，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)庫得到的結(jié)果更加明確。這樣可能使數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生重復(fù)數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致創(chuàng)建多余的表。范化是在識別數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)元素、關(guān)系，以及定義所需的表和各表中的項目這些初始工作之后的一個細(xì)化的過程。
下面是范化的一個例子 Customer Item purchased Purchase price Thomas Shirt $40 Maria Tennis shoes $35 Evelyn Shirt $40 Pajaro Trousers $25
如果上面這個表用于保存物品的價格，而你想要刪除其中的一個顧客，這時你就必須同時刪除一個價格。范化就是要解決這個問題，你可以將這個表化為兩個表，一個用于存儲每個顧客和他所買物品的信息，另一個用于存儲每件產(chǎn)品和其價格的信息，這樣對其中一個表做添加或刪除操作就不會影響另一個表。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫的幾種設(shè)計范式介紹

1 第一范式（1NF）

在任何一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，第一范式（1NF）是對關(guān)系模式的基本要求，不滿足第一范式（1NF）的數(shù)據(jù)庫就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。
所謂第一范式（1NF）是指數(shù)據(jù)庫表的每一列都是不可分割的基本數(shù)據(jù)項，同一列中不能有多個值，即實體中的某個屬性不能有多個值或者不能有重復(fù)的屬性。如果出現(xiàn)重復(fù)的屬性，就可能需要定義一個新的實體，新的實體由重復(fù)的屬性構(gòu)成，新實體與原實體之間為一對多關(guān)系。在第一范式（1NF）中表的每一行只包含一個實例的信息。例如，對于圖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員工的信息，一個員工的信息在表中只出現(xiàn)一次。簡而言之，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)庫表中的每個實例或行必須可以被惟一地區(qū)分。為實現(xiàn)區(qū)分通常需要為表加上一個列，以存儲各個實例的惟一標(biāo)識。如圖3-2 員工信息表中加上了員工編號（emp_id）列，因為每個員工的員工編號是惟一的，因此每個員工可以被惟一區(qū)分。這個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，那么這個屬性和主關(guān)鍵字的這一部分應(yīng)該分離出來形成一個新的實體，新實體與原實體之間是一對多的關(guān)系。為實現(xiàn)區(qū)分通常需要為表加上一個列，以存儲各個實例的惟一標(biāo)識。簡而言之，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）。簡而言之，第三范式（3NF）要求一個數(shù)據(jù)庫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，存在一個部門信息表，其中每個部門有部門編號（dept_id）、部門名稱、部門簡介等信息。那么在圖3-2的員工信息表中列出部門編號后就不能再將部門名稱、部門簡介等與部門有關(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，否則就會有大量的數(shù)據(jù)冗余。簡而言之，第三范式就是屬性不依賴于其它非主屬性。

數(shù)據(jù)庫設(shè)計三大范式應(yīng)用實例剖析

數(shù)據(jù)庫的設(shè)計范式是數(shù)據(jù)庫設(shè)計所需要滿足的規(guī)范，滿足這些規(guī)范的數(shù)據(jù)庫是簡潔的、結(jié)構(gòu)明晰的，同時，不會發(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)庫的編程人員制造麻煩，而且面目可憎，可能存儲了大量不需要的冗余信息。
設(shè)計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)計數(shù)據(jù)庫。
實質(zhì)上，設(shè)計范式用很形象、很簡潔的話語就能說清楚，道明白。本文將對范式進(jìn)行通俗地說明，并以筆者曾經(jīng)設(shè)計的一個簡單論壇的數(shù)據(jù)庫為例來講解怎樣將這些范式應(yīng)用于實際工程。

范式說明

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

例如，如下的數(shù)據(jù)庫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，因為這些DBMS不允許你把數(shù)據(jù)庫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)計出不符合第一范式的數(shù)據(jù)庫都是不可能的。

第二范式（2NF）：數(shù)據(jù)庫表中不存在非關(guān)鍵字段對任一候選關(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, 姓名, 年齡, 課程名稱, 成績, 學(xué)分)，關(guān)鍵字為組合關(guān)鍵字(學(xué)號, 課程名稱)，因為存在如下決定關(guān)系：
(學(xué)號, 課程名稱) → (姓名, 年齡, 成績, 學(xué)分)

這個數(shù)據(jù)庫表不滿足第二范式，因為存在如下決定關(guān)系：
(課程名稱) → (學(xué)分)
(學(xué)號) → (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，這個選課關(guān)系表會存在如下問題：
(1) 數(shù)據(jù)冗余：
同一門課程由n個學(xué)生選修，"學(xué)分"就重復(fù)n-1次；同一個學(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，暫時還沒有人選修。這樣，由于還沒有"學(xué)號"關(guān)鍵字，課程名稱和學(xué)分也無法記錄入數(shù)據(jù)庫。
(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)庫表中刪除。但是，與此同時，課程名稱和學(xué)分信息也被刪除了。很顯然，這也會導(dǎo)致插入異常。

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

這樣的數(shù)據(jù)庫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)庫表都符合第二范式，因為不可能存在組合關(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, 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"，因為存在如下決定關(guān)系：
(學(xué)號) → (姓名, 年齡, 所在學(xué)院, 學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話)

這個數(shù)據(jù)庫是符合2NF的，但是不符合3NF，因為存在如下決定關(guān)系：
(學(xué)號) → (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"對關(guān)鍵字段"學(xué)號"的傳遞函數(shù)依賴。

它也會存在數(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)系表分為如下兩個表：
學(xué)生：(學(xué)號, 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)庫表中如果不存在任何字段對任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。

假設(shè)倉庫管理關(guān)系表為StorehouseManage(倉庫ID, 存儲物品ID, 管理員ID, 數(shù)量)，且有一個管理員只在一個倉庫工作；一個倉庫可以存儲多種物品。這個數(shù)據(jù)庫表中存在如下決定關(guān)系：
(倉庫ID, 存儲物品ID) →(管理員ID, 數(shù)量)
(管理員ID, 存儲物品ID) → (倉庫ID, 數(shù)量)
所以，(倉庫ID, 存儲物品ID)和(管理員ID, 存儲物品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：
(倉庫ID) → (管理員ID)
(管理員ID) → (倉庫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。它會出現(xiàn)如下異常情況：
(1) 刪除異常：
當(dāng)倉庫被清空后，所有"存儲物品ID"和"數(shù)量"信息被刪除的同時，"倉庫ID"和"管理員ID"信息也被刪除了。
(2) 插入異常：
當(dāng)倉庫沒有存儲任何物品時，無法給倉庫分配管理員。
(3) 更新異常：
如果倉庫換了管理員，則表中所有行的管理員ID都要修改。

把倉庫管理關(guān)系表分解為二個關(guān)系表：
倉庫管理：StorehouseManage(倉庫ID, 管理員ID)；
倉庫：Storehouse(倉庫ID, 存儲物品ID, 數(shù)量)。
這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合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論壇的數(shù)據(jù)庫，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)庫設(shè)計為僅僅存在表：
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
這個數(shù)據(jù)庫表符合第一范式，但是沒有任何一組候選關(guān)鍵字能決定數(shù)據(jù)庫表的整行，唯一的關(guān)鍵字段用戶名也不能完全決定整個元組。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)計不符合第二范式，因為存在如下決定關(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，這個設(shè)計會導(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)計是滿足第1、2、3范式和BCNF范式要求的，但是這樣的設(shè)計是不是最好的呢？
不一定。

觀察可知，第4項"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項的"帖子信息"中；第5項"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)庫表1顯然滿足所有范式的要求；

數(shù)據(jù)庫表2中存在非關(guān)鍵字“標(biāo)題”、“內(nèi)容”對關(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)計并不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余和操作異常；

數(shù)據(jù)庫表3中也存在非關(guān)鍵字段"標(biāo)題"、"內(nèi)容"對關(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)庫表2相似，這一設(shè)計也不會導(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)計反而比較好！

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

對于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)計導(dǎo)致不符合范式要求，但是并不會導(dǎo)致操作異常和數(shù)據(jù)冗余。

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