数据库设计范式

爱被打了一巴掌 2023-10-14 13:26 30阅读 0赞

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数据库的设计范式都包括哪些  
我们在设计关系型数据库模型的时候，需要对关系内部各个属性之间联系的合理化程度进行定义，这就有了不同等级的规范要求，这些规范要求被称为范式（NF）。你可以把范式理解为，一张数据表的设计结构需要满足的某种设计标准的级别。

目前关系型数据库一共有 6 种范式，按照范式级别，从低到高分别是：1NF（第一范式）、2NF（第二范式）、3NF（第三范式）、BCNF（巴斯 - 科德范式）、4NF（第四范式）和 5NF（第五范式，又叫做完美范式）。

数据库的范式设计越高阶，冗余度就越低，同时高阶的范式一定符合低阶范式的要求，比如满足 2NF 的一定满足 1NF，满足 3NF 的一定满足 2NF，依次类推。

一般来说数据表的设计应尽量满足 3NF。但也不绝对，有时候为了提高某些查询性能，我们还需要破坏范式规则，也就是反规范化。

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数据表中的那些键  
范式的定义会使用到主键和候选键（因为主键和候选键可以唯一标识元组），数据库中的键（Key）由一个或者多个属性组成。我总结了下数据表中常用的几种键和属性的定义：

超键：能唯一标识元组的属性集叫做超键。  
候选键：如果超键不包括多余的属性，那么这个超键就是候选键。  
主键：用户可以从候选键中选择一个作为主键。  
外键：如果数据表 R1 中的某属性集不是 R1 的主键，而是另一个数据表 R2 的主键，那么这个属性集就是数据表 R1 的外键。  
主属性：包含在任一候选键中的属性称为主属性。  
非主属性：与主属性相对，指的是不包含在任何一个候选键中的属性。  
通常，我们也将候选键称之为“码”，把主键也称为“主码”。因为键可能是由多个属性组成的，针对单个属性，我们还可以用主属性和非主属性来进行区分。

举个例子  
我们之前用过 NBA 的球员表（player）和球队表（team）。这里我可以把球员表定义为包含球员编号、姓名、身份证号、年龄和球队编号；球队表包含球队编号、主教练和球队所在地。

对于球员表来说，超键就是包括球员编号或者身份证号的任意组合，比如（球员编号）（球员编号，姓名）（身份证号，年龄）等。

候选键就是最小的超键，对于球员表来说，候选键就是（球员编号）或者（身份证号）。

主键是我们自己选定，也就是从候选键中选择一个，比如（球员编号）。

外键就是球员表中的球队编号。

在 player 表中，主属性是（球员编号）（身份证号），其他的属性（姓名）（年龄）（球队编号）都是非主属性。

从 1NF 到 3NF  
了解了数据表中的 4 种键之后，我们再来看下 1NF、2NF 和 3NF，BCNF 我们放在后面讲。

> 1NF 指的是数据库表中的任何属性都是原子性的，不可再分。这很好理解，我们在设计某个字段的时候，对于字段 X 来说，就不能把字段 X  
> 拆分成字段 X-1 和字段 X-2。事实上，任何的 DBMS 都会满足第一范式的要求，不会将字段进行拆分。

> 2NF指的数据表里的非主属性都要和这个数据表的候选键有完全依赖关系。所谓完全依赖不同于部分依赖，也就是不能仅依赖候选键的一部分属性，而必须依赖全部属性。

这里我举一个没有满足 2NF 的例子，比如说我们设计一张球员比赛表 player\_game，里面包含球员编号、姓名、年龄、比赛编号、比赛时间和比赛场地等属性，这里候选键和主键都为（球员编号，比赛编号），我们可以通过候选键来决定如下的关系：

(球员编号, 比赛编号) → (姓名, 年龄, 比赛时间, 比赛场地，得分)

上面这个关系说明球员编号和比赛编号的组合决定了球员的姓名、年龄、比赛时间、比赛地点和该比赛的得分数据。

但是这个数据表不满足第二范式，因为数据表中的字段之间还存在着如下的对应关系：

(球员编号) → (姓名，年龄)

(比赛编号) → (比赛时间, 比赛场地)

也就是说候选键中的某个字段决定了非主属性。你也可以理解为，对于非主属性来说，并非完全依赖候选键。这样会产生怎样的问题呢？

1.  数据冗余：如果一个球员可以参加 m 场比赛，那么球员的姓名和年龄就重复了 m-1 次。一个比赛也可能会有 n 个球员参加，比赛的时间和地点就重复了 n-1 次。
2.  插入异常：如果我们想要添加一场新的比赛，但是这时还没有确定参加的球员都有谁，那么就没法插入。
3.  删除异常：如果我要删除某个球员编号，如果没有单独保存比赛表的话，就会同时把比赛信息删除掉。
4.  更新异常：如果我们调整了某个比赛的时间，那么数据表中所有这个比赛的时间都需要进行调整，否则就会出现一场比赛时间不同的情况。  
    为了避免出现上述的情况，我们可以把球员比赛表设计为下面的三张表。

球员 player 表包含球员编号、姓名和年龄等属性；比赛 game 表包含比赛编号、比赛时间和比赛场地等属性；球员比赛关系 player\_game 表包含球员编号、比赛编号和得分等属性。

这样的话，每张数据表都符合第二范式，也就避免了异常情况的发生。某种程度上 2NF 是对 1NF 原子性的升级。1NF 告诉我们字段属性需要是原子性的，而 2NF 告诉我们一张表就是一个独立的对象，也就是说一张表只表达一个意思。

> 3NF 在满足 2NF 的同时，对任何非主属性都不传递依赖于候选键。也就是说不能存在非主属性 A 依赖于非主属性 B，非主属性 B  
> 依赖于候选键的情况。

我们用球员 player 表举例子，这张表包含的属性包括球员编号、姓名、球队名称和球队主教练。现在，我们把属性之间的依赖关系画出来，如下图所示：

![在这里插入图片描述][9be36562400f4f15b5ff6923cbc350d1.png]  
你能看到球员编号决定了球队名称，同时球队名称决定了球队主教练，非主属性球队主教练就会传递依赖于球员编号，因此不符合 3NF 的要求。

如果要达到 3NF 的要求，需要把数据表拆成下面这样：

球员表的属性包括球员编号、姓名和球队名称；球队表的属性包括球队名称、球队主教练。

我再总结一下，1NF 需要保证表中每个属性都保持原子性；2NF 需要保证表中的非主属性与候选键完全依赖；3NF 需要保证表中的非主属性与候选键不存在传递依赖。

### 另解 ###

为了建立冗余较小、结构合理的数据库，设计数据库时必须遵循一定的规则。在关系型数据库中这种规则就称为范式。范式是符合某一种设计要求的总结。要想设计一个结构合理的关系型数据库，必须满足一定的范式。  
在实际开发中最为常见的设计范式有三个：  
1．第一范式(确保每列保持原子性)  
第一范式是最基本的范式。如果数据库表中的所有字段值都是不可分解的原子值，就说明该数据库表满足了第一范式。  
第一范式的合理遵循需要根据系统的实际需求来定。比如某些数据库系统中需要用到“地址”这个属性，本来直接将“地址”属性设计成一个数据库表的字段就行。但是如果系统经常会访问“地址”属性中的“城市”部分，那么就非要将“地址”这个属性重新拆分为省份、城市、详细地址等多个部分进行存储，这样在对地址中某一部分操作的时候将非常方便。这样设计才算满足了数据库的第一范式，如下表所示。  
![在这里插入图片描述][73184ee462464a94b818dd4a3da9b253.png]

上表所示的用户信息遵循了第一范式的要求，这样在对用户使用城市进行分类的时候就非常方便，也提高了数据库的性能。

2．第二范式(确保表中的每列都和主键相关)  
第二范式在第一范式的基础之上更进一层。第二范式需要确保数据库表中的每一列都和主键相关，而不能只与主键的某一部分相关（主要针对联合主键而言）。也就是说在一个数据库表中，一个表中只能保存一种数据，不可以把多种数据保存在同一张数据库表中。  
比如要设计一个订单信息表，因为订单中可能会有多种商品，所以要将订单编号和商品编号作为数据库表的联合主键，如下表所示。  
订单信息表  
![在这里插入图片描述][b6ebff46cc63430eb40837ece4c9e3d0.png]

这样就产生一个问题：这个表中是以订单编号和商品编号作为联合主键。这样在该表中商品名称、单位、商品价格等信息不与该表的主键相关，而仅仅是与商品编号相关。所以在这里违反了第二范式的设计原则。  
而如果把这个订单信息表进行拆分，把商品信息分离到另一个表中，把订单项目表也分离到另一个表中，就非常完美了。如下所示。  
![在这里插入图片描述][77bfc911759b46669086f7ef1e1d5fcf.png]

这样设计，在很大程度上减小了数据库的冗余。如果要获取订单的商品信息，使用商品编号到商品信息表中查询即可。

3．第三范式(确保每列都和主键列直接相关,而不是间接相关)  
第三范式需要确保数据表中的每一列数据都和主键直接相关，而不能间接相关。  
比如在设计一个订单数据表的时候，可以将客户编号作为一个外键和订单表建立相应的关系。而不可以在订单表中添加关于客户其它信息（比如姓名、所属公司等）的字段。如下面这两个表所示的设计就是一个满足第三范式的数据库表。  
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这样在查询订单信息的时候，就可以使用客户编号来引用客户信息表中的记录，也不必在订单信息表中多次输入客户信息的内容，减小了数据冗余。

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