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數據庫范式1NF 2NF 3NF BCNF(實例）

??? 設計范式（范式,數據庫設計范式,數據庫的設計范式）是符合某一種級別的關系模式的集合。構造數據庫必須遵循一定的規(guī)則。在關系數據庫中，這種規(guī)則就是范式。關系數據庫中的關系必須滿足一定的要求，即滿足不同的范式。目前關系數據庫有六種范式：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）。在第一范式的基礎上進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，數據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)建一個數據庫的過程中，范化是將其轉化為一些表的過程，這種方法可以使從數據庫得到的結果更加明確。這樣可能使數據庫產生重復數據，從而導致創(chuàng)建多余的表。范化是在識別數據庫中的數據元素、關系，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。

關系數據庫的幾種設計范式介紹

1 第一范式（1NF）

??? 在任何一個關系數據庫中，第一范式（1NF）是對關系模式的基本要求，不滿足第一范式（1NF）的數據庫就不是關系數據庫。
??? 所謂第一范式（1NF）是指數據庫表的每一列都是不可分割的基本數據項，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的屬性。如果出現(xiàn)重復的屬性，就可能需要定義一個新的實體，新的實體由重復的屬性構成，新實體與原實體之間為一對多關系。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的列。

2 第二范式（2NF）

??? 第二范式（2NF）是在第一范式（1NF）的基礎上建立起來的，即滿足第二范式（2NF）必須先滿足第一范式（1NF）。第二范式（2NF）要求數據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鍵字。所謂完全依賴是指不能存在僅依賴主關鍵字一部分的屬性，如果存在，那么這個屬性和主關鍵字的這一部分應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識。簡而言之，第二范式就是非主屬性非部分依賴于主關鍵字。

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）要求一個數據庫表中不包含已在其它表中已包含的非主關鍵字信息。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，則根據第三范式（3NF）也應該構建它，否則就會有大量的數據冗余。簡而言之，第三范式就是屬性不依賴于其它非主屬性。

數據庫設計三大范式應用實例剖析

???? 數據庫的設計范式是數據庫設計所需要滿足的規(guī)范，滿足這些規(guī)范的數據庫是簡潔的、結構明晰的，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，不僅給數據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。
??? 設計范式是不是很難懂呢？非也，大學教材上給我們一堆數學公式我們當然看不懂，也記不住。所以我們很多人就根本不按照范式來設計數據庫。
實質上，設計范式用很形象、很簡潔的話語就能說清楚，道明白。本文將對范式進行通俗地說明，并以筆者曾經設計的一個簡單論壇的數據庫為例來講解怎樣將這些范式應用于實際工程。

范式說明

??? 第一范式（1NF）：數據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成，包括整型、實數、字符型、邏輯型、日期型等。

??? 例如，如下的數據庫表是符合第一范式的：

??? 字段1 字段2 字段3 字段4

??? 而這樣的數據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，在當前的任何關系數據庫管理系統(tǒng)（DBMS）中，傻瓜也不可能做出不符合第一范式的數據庫，因為這些DBMS不允許你把數據庫表的一列再分成二列或多列。因此，你想在現(xiàn)有的DBMS中設計出不符合第一范式的數據庫都是不可能的。?

??? 第二范式（2NF）：數據庫表中不存在非關鍵字段對任一候選關鍵字段的部分函數依賴（部分函數依賴指的是存在組合關鍵字中的某些字段決定非關鍵字段的情況），也即所有非關鍵字段都完全依賴于任意一組候選關鍵字。

??? 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：
??? (學號, 課程名稱) → (姓名, 年齡, 成績, 學分)?

??? 這個數據庫表不滿足第二范式，因為存在如下決定關系：
??? (課程名稱) → (學分)
??? (學號) → (姓名, 年齡)
??? 即存在組合關鍵字中的字段決定非關鍵字的情況。?

??? 由于不符合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(xiàn)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，由于還沒有"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。

??? 第三范式（3NF）：在第二范式的基礎上，數據表中如果不存在非關鍵字段對任一候選關鍵字段的傳遞函數依賴則符合第三范式。所謂傳遞函數依賴，指的是如果存在"A → B → C"的決定關系，則C傳遞函數依賴于A。因此，滿足第三范式的數據庫表應該不存在如下依賴關系：
??? 關鍵字段 → 非關鍵字段x → 非關鍵字段y

??? 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。
鮑依斯-科得范式（BCNF）：在第三范式的基礎上，數據庫表中如果不存在任何字段對任一候選關鍵字段的傳遞函數依賴則符合第三范式。

??? 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，由于存在如下決定關系：
??? (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(xiàn)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。

范式應用

??? 我們來逐步搞定一個論壇的數據庫，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)帖標題，發(fā)帖內容，回復標題，回復內容

??? 第一次我們將數據庫設計為僅僅存在表：
??? 用戶名 email 主頁 電話 聯(lián)系地址 發(fā)帖標題 發(fā)帖內容 回復標題 回復內容
??? 這個數據庫表符合第一范式，但是沒有任何一組候選關鍵字能決定數據庫表的整行，唯一的關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)帖標題 發(fā)帖內容 回復ID 回復標題 回復內容?
??? 這樣數據表中的關鍵字(用戶名，發(fā)帖ID，回復ID)能決定整行：
??? (用戶名,發(fā)帖ID,回復ID) → (email,主頁,電話,聯(lián)系地址,發(fā)帖標題,發(fā)帖內容,回復標題,回復內容)
??? 但是，這樣的設計不符合第二范式，因為存在如下決定關系：
??? (用戶名) → (email,主頁,電話,聯(lián)系地址)
??? (發(fā)帖ID) → (發(fā)帖標題,發(fā)帖內容)
??? (回復ID) → (回復標題,回復內容)
??? 即非關鍵字段部分函數依賴于候選關鍵字段，很明顯，這個設計會導致大量的數據冗余和操作異常。

我們將數據庫表分解為（帶下劃線的為關鍵字）：
（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，標題，內容
（3） 回復信息：回復ID，標題，內容
（4） 發(fā)貼：用戶名，發(fā)帖ID
（5） 回復：發(fā)帖ID，回復ID

??? 這樣的設計是滿足第1、2、3范式和BCNF范式要求的，但是這樣的設計是不是最好的呢？
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"中的"發(fā)帖ID"和"回復ID"之間也是1：N的關系，因此我們可以把"回復"合并到第3項的"回復信息"中。這樣可以一定量地減少數據冗余，新的設計為：
（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，標題，內容
（3） 回復信息：發(fā)帖ID，回復ID，標題，內容

??? 數據庫表1顯然滿足所有范式的要求；

??? 數據庫表2中存在非關鍵字“標題”、“內容”對關鍵字段“發(fā)帖ID”的部分函數依賴，即不滿足第二范式的要求，但是這一設計并不會導致數據冗余和操作異常；

??? 數據庫表3中也存在非關鍵字段"標題"、"內容"對關鍵字段"回復ID"的部分函數依賴，也不滿足第二范式的要求，但是與數據庫表2相似，這一設計也不會導致數據冗余和操作異常。

??? 由此可以看出，并不一定要強行滿足范式的要求，對于1：N關系，當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，但是這種設計反而比較好！

??? 對于M：N的關系，不能將M一邊或N一邊合并到另一邊去，這樣會導致不符合范式要求，同時導致操作異常和數據冗余。

??? 對于1：1的關系，我們可以將左邊的1或者右邊的1合并到另一邊去，設計導致不符合范式要求，但是并不會導致操作異常和數據冗余。

結論

??? 滿足范式要求的數據庫設計是結構清晰的，同時可避免數據冗余和操作異常。這并意味著不符合范式要求的設計一定是錯誤的，在數據庫表中存在1：1或1：N關系這種較特殊的情況下，合并導致的不符合范式要求反而是合理的。

??? 在我們設計數據庫的時候，一定要時刻考慮范式的要求。