數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的三大范式、BCNF、4NF

一、理解數(shù)據(jù)庫的范式需要理解幾個(gè)基本概念： 碼：表中可以唯一確定一個(gè)元組的某個(gè)屬性（或者屬性組），如果這樣的碼有不止一個(gè)，那么大家都叫候選碼，我們從候選碼中挑一個(gè)出來做老大，它就叫主碼。相當(dāng)于鍵的意思。主屬性：一個(gè)屬性只要在任何一個(gè)候選碼中

一、理解數(shù)據(jù)庫的范式需要理解幾個(gè)基本概念：
碼：表中可以唯一確定一個(gè)元組的某個(gè)屬性（或者屬性組），如果這樣的碼有不止一個(gè)，那么大家都叫候選碼，我們從候選碼中挑一個(gè)出來做老大，它就叫主碼。相當(dāng)于鍵值的意思。 主屬性：一個(gè)屬性只要在任何一個(gè)候選碼中出現(xiàn)過，這個(gè)屬性就是主屬性。 非主屬性：與上面相反，沒有在任何候選碼中出現(xiàn)過，這個(gè)屬性就是非主屬性。 外碼：一個(gè)屬性（或?qū)傩越M），它不是碼，但是它別的表的碼，它就是外碼。
二、范式詳解

為了建立冗余較小、結(jié)構(gòu)合理的數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫時(shí)必須遵循一定的規(guī)則。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中這種規(guī)則就稱為范式。范式是符合某一種設(shè)計(jì)要求的總結(jié)。要想設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)合理的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，必須滿足一定的范式。

在實(shí)際開發(fā)中最為常見的設(shè)計(jì)范式有三個(gè)：

1．第一范式(確保每列保持原子性)

第一范式是最基本的范式。如果數(shù)據(jù)庫表中的所有字段值都是不可分解的原子值，就說明該數(shù)據(jù)庫表滿足了第一范式。

第一范式的合理遵循需要根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際需求來定。比如某些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中需要用到“地址”這個(gè)屬性，本來直接將“地址”屬性設(shè)計(jì)成一個(gè)數(shù)據(jù)庫表的字段就行。但是如果系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)訪問“地址”屬性中的“城市”部分，那么就非要將“地址”這個(gè)屬性重新拆分為省份、城市、詳細(xì)地址等多個(gè)部分進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣在對(duì)地址中某一部分操作的時(shí)候?qū)⒎浅７奖?。這樣設(shè)計(jì)才算滿足了數(shù)據(jù)庫的第一范式，如下表所示。

上表所示的用戶信息遵循了第一范式的要求，這樣在對(duì)用戶使用城市進(jìn)行分類的時(shí)候就非常方便，也提高了數(shù)據(jù)庫的性能。

2．第二范式(確保表中的每列都和主鍵相關(guān))

第二范式在第一范式的基礎(chǔ)之上更進(jìn)一層。第二范式需要確保數(shù)據(jù)庫表中的每一列都和主鍵相關(guān)，而不能只與主鍵的某一部分相關(guān)（主要針對(duì)聯(lián)合主鍵而言）。也就是說在一個(gè)數(shù)據(jù)庫表中，一個(gè)表中只能保存一種數(shù)據(jù)，不可以把多種數(shù)據(jù)保存在同一張數(shù)據(jù)庫表中。

比如要設(shè)計(jì)一個(gè)訂單信息表，因?yàn)橛唵沃锌赡軙?huì)有多種商品，所以要將訂單編號(hào)和商品編號(hào)作為數(shù)據(jù)庫表的聯(lián)合主鍵，如下表所示。

訂單信息表

這樣就產(chǎn)生一個(gè)問題：這個(gè)表中是以訂單編號(hào)和商品編號(hào)作為聯(lián)合主鍵。這樣在該表中商品名稱、單位、商品價(jià)格等信息不與該表的主鍵相關(guān)，而僅僅是與商品編號(hào)相關(guān)。所以在這里違反了第二范式的設(shè)計(jì)原則。

而如果把這個(gè)訂單信息表進(jìn)行拆分，把商品信息分離到另一個(gè)表中，把訂單項(xiàng)目表也分離到另一個(gè)表中，就非常完美了。如下所示。

這樣設(shè)計(jì)，在很大程度上減小了數(shù)據(jù)庫的冗余。如果要獲取訂單的商品信息，使用商品編號(hào)到商品信息表中查詢即可。

3．第三范式(確保每列都和主鍵列直接相關(guān),而不是間接相關(guān))

第三范式需要確保數(shù)據(jù)表中的每一列數(shù)據(jù)都和主鍵直接相關(guān)，而不能間接相關(guān)。

比如在設(shè)計(jì)一個(gè)訂單數(shù)據(jù)表的時(shí)候，可以將客戶編號(hào)作為一個(gè)外鍵和訂單表建立相應(yīng)的關(guān)系。而不可以在訂單表中添加關(guān)于客戶其它信息（比如姓名、所屬公司等）的字段。如下面這兩個(gè)表所示的設(shè)計(jì)就是一個(gè)滿足第三范式的數(shù)據(jù)庫表。

這樣在查詢訂單信息的時(shí)候，就可以使用客戶編號(hào)來引用客戶信息表中的記錄，也不必在訂單信息表中多次輸入客戶信息的內(nèi)容，減小了數(shù)據(jù)冗余。

4、BCNF范式

鮑依斯-科得范式（BCNF是3NF的改進(jìn)形式）

一個(gè)滿足BCNF的關(guān)系模式的條件:

　　1.所有非主屬性對(duì)每一個(gè)碼都是完全函數(shù)依賴。

　　2.所有的主屬性對(duì)每一個(gè)不包含它的碼,也是完全函數(shù)依賴。

　　3.沒有任何屬性完全函數(shù)依賴于非碼的任何一組屬性。

假設(shè)倉庫管理關(guān)系表為StorehouseManage(倉庫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)倉庫工作；一個(gè)倉庫可以存儲(chǔ)多種物品。這個(gè)數(shù)據(jù)庫表中存在如下決定關(guān)系：

　　 (倉庫ID, 存儲(chǔ)物品ID) →(管理員ID, 數(shù)量)

　　 (管理員ID, 存儲(chǔ)物品ID) → (倉庫ID, 數(shù)量)

　　 所以，(倉庫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。

把倉庫管理關(guān)系表分解為二個(gè)關(guān)系表：

　　 倉庫管理：StorehouseManage(倉庫ID, 管理員ID)；

　　 倉庫：Storehouse(倉庫ID, 存儲(chǔ)物品ID, 數(shù)量)。

　　 這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合BCNF范式的。

5、4NF

4NF就是限制關(guān)系模式的屬性之間不允許有非平凡且非函數(shù)依賴的多值依賴。因?yàn)楦鶕?jù)定義，對(duì)于每一個(gè)非平凡的多值依賴X→→Y，X都含有候選碼，于是就有X→Y，所以4NF所允許的非平凡的多值依賴實(shí)際上是函數(shù)依賴。

這里解決幾個(gè)概念：
函數(shù)依賴簡單點(diǎn)說就是：某個(gè)屬性集決定另一個(gè)屬性集時(shí)，稱另一屬性集依賴于該屬性集。

（1）數(shù)據(jù)依賴 在計(jì)算機(jī)科學(xué)中，數(shù)據(jù)依賴是指一種狀態(tài)，當(dāng)程序結(jié)構(gòu)導(dǎo)致數(shù)據(jù)引用之前處理過的數(shù)據(jù)時(shí)的狀態(tài)。其中最重要的是函數(shù)依賴和多值依賴。 （2）函數(shù)依賴 設(shè)X,Y是關(guān)系R的兩個(gè)屬性集合，當(dāng)任何時(shí)刻R中的任意兩個(gè)元組中的X屬性值相同時(shí)，則它們的Y屬性值也相同，則稱X函數(shù)決定Y，或Y函數(shù)依賴于X。 （3）平凡函數(shù)依賴 當(dāng)關(guān)系中屬性集合Y是屬性集合X的子集時(shí)(Y?X)，存在函數(shù)依賴X→Y，即一組屬性函數(shù)決定它的所有子集，這種函數(shù)依賴稱為平凡函數(shù)依賴。 （4）非平凡函數(shù)依賴 當(dāng)關(guān)系中屬性集合Y不是屬性集合X的子集時(shí)，存在函數(shù)依賴X→Y，則稱這種函數(shù)依賴為非平凡函數(shù)依賴。 （5）完全函數(shù)依賴 設(shè)X,Y是關(guān)系R的兩個(gè)屬性集合，X’是X的真子集，存在X→Y，但對(duì)每一個(gè)X’都有X’!→Y，則稱Y完全函數(shù)依賴于X。 （6）部分函數(shù)依賴 設(shè)X,Y是關(guān)系R的兩個(gè)屬性集合，存在X→Y，若X’是X的真子集，存在X’→Y，則稱Y部分函數(shù)依賴于X。 （7）傳遞函數(shù)依賴 設(shè)X,Y,Z是關(guān)系R中互不相同的屬性集合，存在X→Y(Y !→X),Y→Z，則稱Z傳遞函數(shù)依賴于X。 （8）多值依賴 設(shè)R(U)是屬性集U上的一個(gè)關(guān)系模式。X，Y，Z是U的子集,并且Z=U-X-Y。關(guān)系模式R(U)中多值依賴X→→Y成立，當(dāng)且僅當(dāng)對(duì)R(U)的任一關(guān)系r,給定的一對(duì)(x，z)值有一組Y的值，這組值僅僅決定于x值而與z值無關(guān)。 平凡的多值依賴與非平凡的多值依賴： 若X→→Y,而Z為空集，則稱X→→Y為平凡的多值依賴；若Z不為空，則稱其為非平凡的多值依賴。

 

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