范式的数据库具体解释

数据库范式1NF 2NF 3NF BCNF(实例）

    设计范式（范式,数据库设计范式,数据库的设计范式）是符合某一种级别的关系模式的集合。构造数据库必须遵循一定的规则。在关系数据库中，这样的规则就是范式。关系数据库中的关系必须满足一定的要求，即满足不同的范式。眼下关系数据库有六种范式：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）。满足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基础上进一步满足很多其它要求的称为第二范式（2NF），其余范式以次类推。一般说来。数据库仅仅需满足第三范式（3NF）即可了。以下我们举例介绍第一范式（1NF）、第二范式（2NF）和第三范式（3NF）。 
    在创建一个数据库的过程中，范化是将其转化为一些表的过程，这样的方法能够使从数据库得到的结果更加明白。这样可能使数据库产生反复数据，从而导致创建多余的表。范化是在识别数据库中的数据元素、关系，以及定义所需的表和各表中的项目这些初始工作之后的一个细化的过程。 
    以下是范化的一个样例 Customer Item purchased Purchase price Thomas Shirt $40 Maria Tennis shoes $35 Evelyn Shirt $40 Pajaro Trousers $25 
假设上面这个表用于保存物品的价格，而你想要删除当中的一个顾客，这时你就必须同一时候删除一个价格。范化就是要解决问题，你能够将这个表化为两个表。一个用于存储每一个顾客和他所买物品的信息，还有一个用于存储每件产品和其价格的信息，这样对当中一个表做加入或删除操作就不会影响还有一个表。

关系数据库的几种设计范式介绍

1 第一范式（1NF）

    在不论什么一个关系数据库中，第一范式（1NF）是对关系模式的基本要求。不满足第一范式（1NF）的数据库就不是关系数据库。 
    所谓第一范式（1NF）是指数据库表的每一列都是不可切割的基本数据项。同一列中不能有多个值，即实体中的某个属性不能有多个值或者不能有反复的属性。假设出现反复的属性，就可能须要定义一个新的实体，新的实体由反复的属性构成，新实体与原实体之间为一对多关系。在第一范式（1NF）中表的每一行仅仅包括一个实例的信息。比如，对于图3-2 中的员工信息表，不能将员工信息都放在一列中显示，也不能将当中的两列或多列在一列中显示；员工信息表的每一行仅仅表示一个员工的信息。一个员工的信息在表中仅仅出现一次。

简而言之，第一范式就是无反复的列。

2 第二范式（2NF）

    第二范式（2NF）是在第一范式（1NF）的基础上建立起来的。即满足第二范式（2NF）必须先满足第一范式（1NF）。

第二范式（2NF）要求数据库表中的每一个实例或行必须能够被惟一地区分。

为实现区分通常须要为表加上一个列。以存储各个实例的惟一标识。如图3-2 员工信息表中加上了员工编号（emp_id）列，由于每一个员工的员工编号是惟一的。因此每一个员工能够被惟一区分。这个惟一属性列被称为主keyword或主键、主码。

 
第二范式（2NF）要求实体的属性全然依赖于主keyword。所谓全然依赖是指不能存在仅依赖主keyword一部分的属性，假设存在，那么这个属性和主keyword的这一部分应该分离出来形成一个新的实体，新实体与原实体之间是一对多的关系。

为实现区分通常须要为表加上一个列。以存储各个实例的惟一标识。简而言之，第二范式就是非主属性非部分依赖于主keyword。

3 第三范式（3NF） 

    满足第三范式（3NF）必须先满足第二范式（2NF）。简而言之，第三范式（3NF）要求一个数据库表中不包括已在其他表中已包括的非主keyword信息。

比如，存在一个部门信息表，当中每一个部门有部门编号（dept_id）、部门名称、部门简单介绍等信息。那么在图3-2的员工信息表中列出部门编号后就不能再将部门名称、部门简单介绍等与部门有关的信息再增加员工信息表中。假设不存在部门信息表。则依据第三范式（3NF）也应该构建它。否则就会有大量的数据冗余。简而言之。第三范式就是属性不依赖于其他非主属性。

数据库设计三大范式应用实例剖析 

     数据库的设计范式是数据库设计所须要满足的规范，满足这些规范的数据库是简洁的、结构明晰的，同一时候，不会发生插入（insert）、删除（delete）和更新（update）操作异常。反之则是乱七八糟，不仅给数据库的编程人员制造麻烦，并且面目可憎，可能存储了大量不须要的冗余信息。 
    设计范式是不是非常难懂呢？非也，大学教材上给我们一堆数学公式我们当然看不懂。也记不住。所以我们非常多人就根本不依照范式来设计数据库。

 
实质上，设计范式用非常形象、非常简洁的话语就能说清楚，道明确。

本文将对范式进行通俗地说明。并以笔者以前设计的一个简单论坛的数据库为例来解说如何将这些范式应用于实际project。

范式说明 

    第一范式（1NF）：数据库表中的字段都是单一属性的，不可再分。这个单一属性由基本类型构成，包含整型、实数、字符型、逻辑型、日期型等。

    比如。例如以下的数据库表是符合第一范式的：

    字段1 字段2 字段3 字段4

    而这种数据库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 

    非常显然。在当前的不论什么关系数据库管理系统（DBMS）中，傻瓜也不可能做出不符合第一范式的数据库，由于这些DBMS不同意你把数据库表的一列再分成二列或多列。因此。你想在现有的DBMS中设计出不符合第一范式的数据库都是不可能的。 

    第二范式（2NF）：数据库表中不存在非keyword段对任一候选keyword段的部分函数依赖（部分函数依赖指的是存在组合keyword中的某些字段决定非keyword段的情况）。也即全部非keyword段都全然依赖于随意一组候选keyword。

    假定选课关系表为SelectCourse(学号, 姓名, 年龄, 课程名称, 成绩, 学分)，keyword为组合keyword(学号, 课程名称)，由于存在例如以下决定关系： 
    (学号, 课程名称) → (姓名, 年龄, 成绩, 学分) 

    这个数据库表不满足第二范式，由于存在例如以下决定关系： 
    (课程名称) → (学分) 
    (学号) → (姓名, 年龄) 
    即存在组合keyword中的字段决定非keyword的情况。 

    因为不符合2NF，这个选课关系表会存在例如以下问题： 
    (1) 数据冗余： 
    同一门课程由n个学生选修。”学分”就反复n-1次；同一个学生选修了m门课程，姓名和年龄就反复了m-1次。 
    (2) 更新异常： 
    若调整了某门课程的学分。数据表中全部行的”学分”值都要更新。否则会出现同一门课程学分不同的情况。 
    (3) 插入异常： 
    如果要开设一门新的课程，临时还没有人选修。

这样，因为还没有”学号”keyword。课程名称和学分也无法记录入数据库。 
    (4) 删除异常： 
    如果一批学生已经完毕课程的选修，这些选修记录就应该从数据库表中删除。可是，与此同一时候，课程名称和学分信息也被删除了。

非常显然。这也会导致插入异常。 

    把选课关系表SelectCourse改为例如以下三个表： 
    学生：Student(学号, 姓名, 年龄)。 
    课程：Course(课程名称, 学分)； 
    选课关系：SelectCourse(学号, 课程名称, 成绩)。 

    这种数据库表是符合第二范式的。 消除了数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常。 
    另外，全部单keyword的数据库表都符合第二范式，由于不可能存在组合keyword。

    第三范式（3NF）：在第二范式的基础上，数据表中假设不存在非keyword段对任一候选keyword段的传递函数依赖则符合第三范式。

所谓传递函数依赖，指的是假设存在”A → B → C”的决定关系，则C传递函数依赖于A。因此。满足第三范式的数据库表应该不存在例如以下依赖关系： 
    keyword段 → 非keyword段x → 非keyword段y 

    假定学生关系表为Student(学号, 姓名, 年龄, 所在学院, 学院地点, 学院电话)。keyword为单一keyword”学号”。由于存在例如以下决定关系： 
    (学号) → (姓名, 年龄, 所在学院, 学院地点, 学院电话) 

    这个数据库是符合2NF的，可是不符合3NF。由于存在例如以下决定关系： 
    (学号) → (所在学院) → (学院地点, 学院电话) 
    即存在非keyword段”学院地点”、”学院电话”对keyword段”学号”的传递函数依赖。 
    
    它也会存在数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常的情况，读者可自行分析得知。

 
    把学生关系表分为例如以下两个表： 
    学生：(学号, 姓名, 年龄, 所在学院)； 
    学院：(学院, 地点, 电话)。

    这种数据库表是符合第三范式的，消除了数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常。

 
鲍依斯-科得范式（BCNF）：在第三范式的基础上。数据库表中假设不存在不论什么字段对任一候选keyword段的传递函数依赖则符合第三范式。 

    如果仓库管理关系表为StorehouseManage(仓库ID, 存储物品ID, 管理员ID, 数量)，且有一个管理员仅仅在一个仓库工作；一个仓库能够存储多种物品。这个数据库表中存在例如以下决定关系： 
    (仓库ID, 存储物品ID) →(管理员ID, 数量) 
    (管理员ID, 存储物品ID) → (仓库ID, 数量) 
    所以。(仓库ID, 存储物品ID)和(管理员ID, 存储物品ID)都是StorehouseManage的候选keyword，表中的唯一非keyword段为数量，它是符合第三范式的。可是，因为存在例如以下决定关系： 
    (仓库ID) → (管理员ID) 
    (管理员ID) → (仓库ID) 
    即存在keyword段决定keyword段的情况，所以其不符合BCNF范式。

它会出现例如以下异常情况： 
    (1) 删除异常： 
    当仓库被清空后。全部”存储物品ID”和”数量”信息被删除的同一时候，”仓库ID”和”管理员ID”信息也被删除了。

 
    (2) 插入异常： 
    当仓库没有存储不论什么物品时，无法给仓库分配管理员。

 
    (3) 更新异常： 
    假设仓库换了管理员。则表中全部行的管理员ID都要改动。 

    把仓库管理关系表分解为二个关系表： 
    仓库管理：StorehouseManage(仓库ID, 管理员ID)。 
    仓库：Storehouse(仓库ID, 存储物品ID, 数量)。

 
    这种数据库表是符合BCNF范式的。消除了删除异常、插入异常和更新异常。 

范式应用 

    我们来逐步搞定一个论坛的数据库，有例如以下信息： 
    （1） 用户：username，email，主页，电话。联系地址 
    （2） 帖子：发帖标题。发帖内容。回复标题，回复内容 

    第一次我们将数据库设计为只存在表： 
    username email 主页 电话 联系地址 发帖标题 发帖内容 回复标题 回复内容 
    这个数据库表符合第一范式。可是没有不论什么一组候选keyword能决定数据库表的整行，唯一的keyword段username也不能全然决定整个元组。我们须要添加”发帖ID”、”回复ID”字段，即将表改动为： 
    username email 主页 电话 联系地址 发帖ID 发帖标题 发帖内容 回复ID 回复标题 回复内容 
    这样数据表中的keyword(username，发帖ID。回复ID)能决定整行： 
    (username,发帖ID,回复ID) → (email,主页,电话,联系地址,发帖标题,发帖内容,回复标题,回复内容) 
    可是，这种设计不符合第二范式，由于存在例如以下决定关系： 
    (username) → (email,主页,电话,联系地址) 
    (发帖ID) → (发帖标题,发帖内容) 
    (回复ID) → (回复标题,回复内容) 
    即非keyword段部分函数依赖于候选keyword段，非常明显，这个设计会导致大量的数据冗余和操作异常。 

我们将数据库表分解为（带下划线的为keyword）： 
（1） 用户信息：username，email。主页，电话，联系地址 
（2） 帖子信息：发帖ID，标题，内容 
（3） 回复信息：回复ID。标题。内容 
（4） 发贴：username，发帖ID 
（5） 回复：发帖ID。回复ID 

    这种设计是满足第1、2、3范式和BCNF范式要求的，可是这种设计是不是最好的呢？ 
不一定。 

    观察可知，第4项”发帖”中的”username”和”发帖ID”之间是1：N的关系，因此我们能够把”发帖”合并到第2项的”帖子信息”中。第5项”回复”中的”发帖ID”和”回复ID”之间也是1：N的关系，因此我们能够把”回复”合并到第3项的”回复信息”中。这样能够一定量地降低数据冗余。新的设计为： 
（1） 用户信息：username。email，主页。电话，联系地址 
（2） 帖子信息：username，发帖ID，标题，内容 
（3） 回复信息：发帖ID，回复ID，标题。内容 

    数据库表1显然满足全部范式的要求； 

    数据库表2中存在非keyword“标题”、“内容”对keyword段“发帖ID”的部分函数依赖。即不满足第二范式的要求，可是这一设计并不会导致数据冗余和操作异常； 

    数据库表3中也存在非keyword段”标题”、”内容”对keyword段”回复ID”的部分函数依赖，也不满足第二范式的要求，可是与数据库表2相似，这一设计也不会导致数据冗余和操作异常。 

    由此能够看出，并不一定要强行满足范式的要求，对于1：N关系，当1的一边合并到N的那边后，N的那边就不再满足第二范式了。可是这样的设计反而比較好！ 

    对于M：N的关系，不能将M一边或N一边合并到还有一边去，这样会导致不符合范式要求，同一时候导致操作异常和数据冗余。 

    对于1：1的关系。我们能够将左边的1或者右边的1合并到还有一边去。设计导致不符合范式要求。可是并不会导致操作异常和数据冗余。

结论 

    满足范式要求的数据库设计是结构清晰的，同一时候可避免数据冗余和操作异常。

这并意味着不符合范式要求的设计一定是错误的。在数据库表中存在1：1或1：N关系这样的较特殊的情况下，合并导致的不符合范式要求反而是合理的。

    在我们设计数据库的时候，一定要时刻考虑范式的要求。