數據庫設計六大范式


1. 第一范式(1NF)(針對具體某一列)

 
        所謂第一范式(1NF)是指在關系模型中,對域添加的一個規范要求,所有的域都應該是原子性的,即數據庫表的每一列都是不可分割的原子數據項,而不能是集合,數組,記錄等非原子數據項。即實體中的某個屬性有多個值時,必須拆分為不同的屬性。在符合第一范式(1NF)表中的每個域值只能是實體的一個屬性或一個屬性的一部分。簡而言之,第一范式就是無重復的域。

    例:下面這個表中張三其實是一個人,如果在一個java程序中應該是一個實體類,但是在數據庫中記錄成兩條記錄,因為tel列中包含了手機和宅電兩個屬性

    
id     name tel
1 張三 18656565656
2 張三 36522323

 

    正確的方式是下面這樣

id     name tel phone
1 張三 36522323    18656565656
       

 


 

2.第二范式( 2NF )(針對某一列與復合主鍵的一部分有關)

所謂第二范式,是指所有的非主屬性都完全依賴於關鍵字。從這個定義可以看出,第二范式不存在非主屬性對於部分候選關鍵字的部分依賴,不過允許非主屬性之間存在着傳遞依賴。

例:

假定選課關系表為SelectCourse(學號,姓名,年齡,課程名稱,成績,學分),關鍵字為組合關鍵字(學號,課程名稱),因為存在如下決定關系:

  

stuId name age kemu score xuefen
1   張三   16 數學 89 100
2 張三 16 語言 90 100

age、name是由stuId決定的,與kemu無關;

xuefen是由kemu決定的,與stuId無關;

score是由stuId和kumu共決定的;

 

  即存在組合關鍵字中的字段決定非關鍵字的情況。

  由於不符合2NF,這個選課關系表會存在如下問題:

  (1) 數據冗余:

  同一門課程由n個學生選修,"學分"就重復n-1次;同一個學生選修了m門課程,姓名和年齡就重復了m-1次。

  (2) 更新異常:

  若調整了某門課程的學分,數據表中所有行的"學分"值都要更新,否則會出現同一門課程學分不同的情況。

  (3) 插入異常:

  假設要開設一門新的課程,暫時還沒有人選修。這樣,由於還沒有"學號"關鍵字,課程名稱和學分也無法記錄入數據庫。

  (4) 刪除異常:

  假設一批學生已經完成課程的選修,這些選修記錄就應該從數據庫表中刪除。但是,與此同時,課程名稱和學分信息也被刪除了。很顯然,這也會導致插入異常。

  把選課關系表SelectCourse改為如下三個表:

  學生:Student(學號,姓名,年齡);

  課程:Course(課程名稱,學分);

  選課關系:SelectCourse(學號,課程名稱,成績)。

  這樣的數據庫表是符合第二范式的, 消除了數據冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。

  另外,所有單關鍵字的數據庫表都符合第二范式,因為不可能存在組合關鍵字。

3、第三范式(3NF)(針對某一列與主鍵無關,但是與某一非主鍵列有關)

所謂第三范式,是指每一個非主屬性既不部分依賴於也不傳遞依賴於關鍵字,也就是在第二范式的基礎上消除傳遞依賴(A>B>C)。

 

假定學生關系表為Student(學號,姓名,年齡,所在學院,學院地點,學院電話),關鍵字為單一關鍵字"學號",因為存在如下決定關系:

  (學號) → (姓名,年齡,所在學院,學院地點,學院電話)

  這個數據庫是符合2NF的,但是不符合3NF,因為存在如下決定關系:

  (學號) → (所在學院) → (學院地點,學院電話)

  即存在非關鍵字段"學院地點"、"學院電話"對關鍵字段"學號"的傳遞函數依賴。

  它也會存在數據冗余、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。

  把學生關系表分為如下兩個表:

  學生:(學號,姓名,年齡,所在學院);

  學院:(學院,地點,電話)。

  這樣的數據庫表是符合第三范式的,消除了數據冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。

4、BCNF(針對某一列與復合主鍵中的某一列有關,而與其他主鍵無關)

所謂BCNF,是指在第三范式的基礎上進一步消除主屬性對於碼的部分函數依賴和傳遞依賴。BCNF需要符合3NF,並且,主屬性不依賴於主屬性。

假設倉庫管理關系表為StorehouseManage(倉庫ID,存儲物品ID,管理員ID,數量),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。這個數據庫表中存在如下決定關系:

  (倉庫ID,存儲物品ID) →(管理員ID,數量)

  (管理員ID,存儲物品ID) → (倉庫ID,數量)

  所以,(倉庫ID,存儲物品ID)和(管理員ID,存儲物品ID)都是StorehouseManage的候選關鍵字,表中的唯一非關鍵字段為數量,它是符合第三范式的。但是,由於存在如下決定關系:

  (倉庫ID) → (管理員ID)

  (管理員ID) → (倉庫ID)

  即存在關鍵字段決定關鍵字段的情況,所以其不符合BCNF范式。它會出現如下異常情況:

  (1) 刪除異常:

  當倉庫被清空后,所有"存儲物品ID"和"數量"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。

  把倉庫管理關系表分解為二個關系表:

  倉庫管理:StorehouseManage(倉庫ID,管理員ID);

  倉庫:Storehouse(倉庫ID,存儲物品ID,數量)。

這樣的數據庫表是符合BCNF范式的,消除了刪除異常、插入異常和更新異常。

又如,有這樣一個配件管理表WPE(WNO,PNO,ENO,QNT),其中WNO表示倉庫號,PNO表示配件號,ENO表示職工號,QNT表示數量。

有以下約束要求:

(1)一個倉庫有多名職工;

(2)一個職工僅在一個倉庫工作;

(3)每個倉庫里一種型號的配件由專人負責,但一個人可以管理幾種配件;

(4)同一種型號的配件可以分放在幾個倉庫中。

分析表中的函數依賴關系,可以得到:

(1)ENO->WNO;

(2)(WNO,PNO)->QNT

(3)(WNO,PNO)->ENO

(4)(ENO,PNO)->QNT

可以看到,候選鍵有:(ENO,PNO);(WNO,PNO)。所以,ENO,PNO,WNO均為主屬性,QNT為非主屬性。顯然,非主屬性是直接依賴於候選鍵的。所以此表滿足第三范式。

而我們觀察一下主屬性:(WNO,PNO)->ENO;ENO->WNO。顯然WNO對於候選鍵(WNO,PNO)存在傳遞依賴,所以不符合BCNF.

解決這個問題的辦法是分拆為兩個表:管理表EP(ENO,PNO,QNT);工作表EW(ENO,WNO)。但這樣做會導致函數依賴(WNO,PNO)->ENO丟失。

雖然,不滿足BCNF,也會導致一些冗余和一致性的問題。但是,將表分解成滿足BCNF的表又可能丟失一些函數依賴。所以,一般情況下不會強制要求關系表要滿足BCNF。

5、4NF(第四范式)

對於第四范式,從理論層面來講是,關系模式R∈1NF,如果對於R對於R的每個非平凡多值依賴X→→Y(Y不屬於X),X都含有候選碼,則R∈4NF。4NF就是限制關系模式的屬性之間不允許有非平凡且非函數依賴的多值依賴。顯然一個關系模式是4NF,則必為BCNF。

也就是說,當一個表中的非主屬性互相獨立時(3NF),這些非主屬性不應該有多值。若有多值就違反了第四范式。

有這樣一個用戶聯系方式表TELEPHONE(CUSTOMERID,PHONE,CELL)。CUSTOMERID為用戶ID,PHONE為用戶的固定電話,CELL為用戶的移動電話。

本來,這是一個非常簡單的第3范式表。主鍵為CUSTOMERID,不存在傳遞依賴。但在某些情況下,這樣的表還是不合理的。比如說,用戶有兩個固定電話,兩個移動電話。這時,表的具體表示如下:

CUSTOMERID PHONE CELL

1000 8828-1234 149088888888

1000 8838-1234 149099999999

由於PHONE和CELL是互相獨立的,而有些用戶又有兩個和多個值。這時此表就違反第四范式。

在這種情況下,此表的設計就會帶來很多維護上的麻煩。例如,如果用戶放棄第一行的固定電話和第二行的移動電話,那么這兩行會合並嗎?等等

解決問題的方法為,設計一個新表NEW_PHONE(CUSTOMERID,NUMBER,TYPE).這樣就可以對每個用戶處理不同類型的多個電話號碼,而不會違反第四范式。

顯然,第四范式的應用范圍比較小,因為只有在某些特殊情況下,要考慮將表規范到第四范式。所以在實際應用中,一般不要求表滿足第四范式。

6、5NF(第五范式)

第五范式(5NF):是最終范式。消除了4NF中的連接依賴。

第五范式有以下要求:

(1)必須滿足第四范式

(2)表必須可以分解為較小的表,除非那些表在邏輯上擁有與原始表相同的主鍵。

第五范式是在第四范式的基礎上做的進一步規范化。第四范式處理的是相互獨立的多值情況,而第五范式則處理相互依賴的多值情況。

有一個銷售信息表SALES(SALEPERSON,VENDOR,PRODUCT)。SALEPERSON代表銷售人員,VENDOR代表供和商,PRODUCT則代表產品。

在某些情況下,這個表中會產生一些冗余。可以將表分解為PERSON_VENDOR表(SALEPERSON,VENDOR);PERSON_PRODUCT表(SALEPERSON,PRODUCT);VENDOR­_PRODICT表(VENDOR,PRODUCT)


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