关系数据库规范化逻辑设计----范式设计（NF，normalization）
文章目录
- 1. 范式设计是为了解决什么问题？
- 2. 几种常见的范式设计
- **先回顾一下三范式**：
- 2.1 第一范式（1NF）
- 2.2 第二范式（2NF）
- 2.3 第三范式（3NF）和扩充的第三范式（BCNF，Boyce Codd Normal Form）
- 2.3.1 第三范式（3NF）
- 2.3.2 扩充的第三范式（BCNF）
- 2.4 第四范式（4NF）
- 3. 总结
- 4. 范式设计需要注意的地方
- 5. 补充知识
- 5.1关系数据库模型
1. 范式设计是为了解决什么问题？
（1）数据冗余（某个分量重复出现很多次，导致存储空间的浪费）————减小冗余
（2）更新异常（修改某项属性时，导致其他表格的改属性都需要大量修改）————方便更新
（3）插入异常（缺少码值时，是不能执行插入操作的）————正常导入数据
（4）删除异常（即本来是想删除某项元组，但删除某项元组的同时，把不该删除的其他信息也删除了）
2. 几种常见的范式设计
（1）范式（NF）：一张数据表的表结构所符合的某种设计标准的级别，分为1NF，2NF，3NF，BCNF，4NF，5NF。
（2）一般在我们设计关系型数据库的时候，最多考虑到BCNF就够。
（3）高一级范式的设计，必定符合低一级范式，例如符合2NF的关系模式，必定符合1NF。
先回顾一下三范式：
- 第一范式
定义：当关系模式R的所有属性都不能在分解为更基本的数据单位时，称R是满足第一范式的，简记为1NF。
理解：
1、每一列属性都是不可再分的属性值，确保每一列的原子性；
2、两列的属性相近或相似或一样，尽量合并属性一样的列，确保不产生冗余数据。
例子：用户表的"地址"字段，需要拆分成 省 市 等字段。
- 第二范式：
定义：如果关系模式R满足1NF，并且R得所有非主属性都完全依赖于R的每一个候选关键属性，称R满足第二范式，简记为2NF。
理解：每一行的数据只能与其中一列相关，即一行数据只做一件事。只要数据列中出现数据重复，就要把表拆分开来。
例子：一个人同时订几个房间，就会出来一个订单号多条数据，这样子联系人都是重复的，就会造成数据冗余。我们应该把该表拆成两个表。
- 第三范式：
定义：设R是满足1NF的关系模式，X是R的任意属性集，如果X非传递依赖于R的任意一个候选关键字，称R满足第三范式，简记为3NF。
理解：数据不能存在传递关系，即没个属性都跟主键有直接关系而不是间接关系。像：a–>b–>c 属性之间含有这样的关系，是不符合第三范式的。
例子：比如Student表（学号，姓名，年龄，性别，所在院校，院校地址，院校电话）。存在递推关系： 学号–> 所在院校 --> (院校地址，院校电话)。此时应该拆成两个表：
用户-院校关系表（学号，姓名，年龄，性别，所在院校）–
院校表（所在院校，院校地址，院校电话）
2.1 第一范式（1NF）
（1）定义：如果关系表的每个分量都是不可分的数据项，确保每一列的原子性，则该关系表满足第一范式。
（2）举例说明：
下表1是不符合1NF的示例
表2是符合1NF的示例
（3）1NF仍存在的问题：数据冗余过大，插入异常，删除异常，修改异常。比如表3
问题1. 每一名学生的学号、姓名、系名、系主任这些数据重复多次。每个系与对应的系主任的数据也重复多次——数据冗余过大
问题2. 假如李小明转系到法律系，那么为了保证数据库中数据的一致性，需修改三条记录中系与系主任的数据。——修改异常。
问题3. 假如将某个系中所有学生相关的记录都删除，那么所有系与系主任的数据也就随之消失了（一个系所有学生都没有了，并不表示这个系就没有了）。——删除异常
问题4. 假如学校新建了一个系，但是暂时还没有招收任何学生，那么是无法将系名与系主任的数据单独地添加到数据表中去的——插入异常
2.2 第二范式（2NF）
（1）定义：如果关系表满足第一范式，且每个非主属性 完全函数依赖于 任何一个候选码，则该关系表满足第二范式。
（2）简单理解：在数据表中，X属性组能确定Y。即如果两行的X相同，则Y一定也相同的表。
（3）举例说明：
表4
| 关系分析 | 2NF逻辑设计 |
|---|---|
| 学号 → 姓名 学号 → 系名 学号 → 系主任 学号 → 系名 → 系主任 学号 + 课名 → 分数 |
 |
图1 是2NF的逻辑设计
表5 2NF设计表
（4）2NF已经解决了的问题：
问题1. 数据冗余是否减少了？——学生的姓名、系名与系主任，不再像之前一样重复那么多次了。——有改进
问题2. 李小明转系到法律系——只需要修改一次李小明对应的系的值即可。——有改进
（5）2NF仍存在的问题
问题3. 删除某个系中所有的学生记录——该系的信息仍然全部丢失。——无改进
问题4. 插入一个尚无学生的新系的信息。——因为学生表的码是学号，不能为空，所以此操作不被允许。——无改进
（6）原因：仍然存在非主属性（系主任）对于码（学号）的传递函数依赖（学号 → 系名 → 系主任）。
2.3 第三范式（3NF）和扩充的第三范式（BCNF，Boyce Codd Normal Form）
2.3.1 第三范式（3NF）
（1）定义：如果关系模式R满足第一范式，且R中不存在这样的码，属性组Y和非主属性Z（Y不是Z的子集）使得X能确定Y，Y能确定Z成立，Y不能确定X，则该关系表满足第三范式。（第三范式属于第二范式）。
（2）简单理解：数据不能存在传递关系，即每个属性都跟主键有直接关系而不是间接关系。
像：a–>b–>c 属性之间含有这样的关系，是不符合第三范式的。
（3）举例说明：
| 关系分析 | 3NF逻辑设计 |
|---|---|
| 选课（学号，课名，分数） 学生（学号，姓名，系名） 系（系名，系主任） |
 |
表6 3NF设计表
（4）3NF已解决的问题
问题1. 删除某个系中所有的学生记录——该系的信息不会丢失。——有改进
问题2. 插入一个尚无学生的新系的信息。——因为系表与学生表目前是独立的两张表，所以不影响。——有改进
问题3. 数据冗余更加少了。——有改进
（5）3NF仍存在的问题：3NF缺点示例1如下，
| 要求 | 关系分析 |
|---|---|
| 1. 某公司有若干个仓库。 | |
| 2. 每个仓库只能有一名管理员，一名管理员只能在一个仓库中工作。 | 仓库名 → 管理员 管理员 → 仓库名 |
| 3. 一个仓库中可以存放多种物品，一种物品也可存放在不同仓库， 每种物品在每个仓库中都有对应的数量。 |
（仓库名，物品名）→ 数量 |
| 码：（管理员，物品名），（仓库名，物品名） 3NF设计数据表 |
 |
问题1. 先新增加一个仓库，但尚未存放任何物品，是否可以为该仓库指派管理员？——不可以，因为物品名也是主属性，根据实体完整性的要求，主属性不能为空。
问题2. 某仓库被清空后，需要删除所有与这个仓库相关的物品存放记录，会带来什么问题？——仓库本身与管理员的信息也被随之删除了。
问题3. 如果某仓库更换了管理员，会带来什么问题？——这个仓库有几条物品存放记录，就要修改多少次管理员信息。
（6）原因分析：存在着主属性对于码的部分函数依赖与传递函数依赖。（主属性【仓库名】对于码【（管理员，物品名）】的部分函数依赖。）
2.3.2 扩充的第三范式（BCNF）
（1）定义：如果关系模式R满足第一范式，“X能确定Y” 且 “Y不是X的子集”时 X必含有码，则该关系表满足BCNF。
（2）简单理解：要求每个决定因素都包含码，没有码就不能确定其他属性。
（3）举例说明：
| BCNF逻辑设计 |
|---|
| 仓库表（仓库名，管理员） |
| 库存表（仓库名，物品名，数量） |
（4）特点：
- 所有非主属性对每个码都是完全函数依赖；
- 所有主属性对每个不包含它的码也是完全函数依赖；
- 没有任何属性完全依赖于非码的任何一组属性。
2.4 第四范式（4NF）
（1）定义：在关系模式满足第一范式的情况下，消除了非平凡且非函数依赖的多值依赖。
3. 总结
（1）规范化范式设计的基本思想—— 逐步消除数据依赖中不合适的部分，使模式中的各关系模式达到某种程度的 “ 分离 ” 。
（2）让一个关系描述一个概念、实体或实体间的关系。
（3）多于一个概念就把它“分离”出去。
总结：因此，规范化设计实质上是概念上的单一化。
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下图描述了规范化的过程： 
4. 范式设计需要注意的地方
三大范式只是一般设计数据库的基本理念，可以建立冗余较小、结构合理的数据库。
如果有特殊情况，当然要特殊对待，数据库设计最重要的是看需求跟性能，需求 > 性能 > 表结构。所以不能一味地追求范式建立数据库。
5. 补充知识
5.1关系数据库模型
（1）关系(relation)：一张表即是一个关系。
（2）元组(tuple)：表中的一行即一个元组。
（3）属性(attribute)：表中的一列即为一个属性，给属性起的名称即为属性名。
（4）码(key)：指表中的某个属性组，它可以唯一确定一个元组。
（5）候选码(candidate key)：候选码是能唯一地标志一个元组的属性组，且该属性组的子集不能。
5.1 候选码的诸属性称为主属性；
5.2 不在候选码中的属性称为非主属性。
（6）主码（primary key）：若一个关系有多个候选码，则选择一个作为主码。
（7）域(domain)：域是指一组具有相同数据类型的值的集合。
（8）分量：元组种的一个属性值。
（9）关系模型：是对关系的描述，关系名（属性1，属性2，…），如——学生（编号，学号，姓名，年龄，院系）。
（10）X完全函数依赖Y？指X能确定Y，且X的子集不能确定Y，即Y为候选码。
（11）X部分函数依赖Y？指X能确定Y，但Y不完全函数依赖于X，即X的子集也能确定Y。