數(shù)據(jù)庫(kù)三范式詳解 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的必備知識(shí)

隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，數(shù)據(jù)庫(kù)的使用越來(lái)越廣泛。而數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)則顯得尤為重要，不僅涉及到數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定性，還關(guān)乎著數(shù)據(jù)的查詢效率和操作的流暢度。在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，三范式是一個(gè)非常基礎(chǔ)且重要的知識(shí)點(diǎn)，本文將從三范式的定義、要求、實(shí)現(xiàn)以及優(yōu)缺點(diǎn)等方面來(lái)詳細(xì)解析。

一、三范式的定義

三范式是關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)理論中的一個(gè)重要概念，也是設(shè)計(jì)一些關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)原則。它在某種程度上其實(shí)就是依賴?yán)碚摱鴣?lái)。三范式包含以下三個(gè)范式：

1. 之一范式（1NF）

之一范式是指數(shù)據(jù)庫(kù)表的每一列都是原子性的，即不可再分。也就是說(shuō)，如果一列中包含多個(gè)值，并且這些值沒(méi)有任何順序、邏輯關(guān)系，則應(yīng)該將這些值拆分成獨(dú)立的列。這樣能夠消除表中數(shù)據(jù)冗余，并提高數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化程度。

2. 第二范式（2NF）

第二范式是指數(shù)據(jù)庫(kù)表中的每一列都必須有對(duì)應(yīng)的主鍵，且表中的每一列都要與主鍵相關(guān)。也就是說(shuō)，每個(gè)表中只有一個(gè)主鍵，而每個(gè)非主鍵列都必須完全依賴于這個(gè)主鍵，而不能依賴于主鍵的一部分。

3. 第三范式（3NF）

第三范式是指數(shù)據(jù)庫(kù)表中的每一列都必須與主鍵直接相關(guān)，而不是間接相關(guān)。也就是說(shuō)，如果某個(gè)非主鍵列直接依賴于另一個(gè)非主鍵列而不是主鍵，則應(yīng)該將其拆分成獨(dú)立的表，以消除數(shù)據(jù)的冗余性。

二、三范式的要求

通過(guò)三范式的定義，我們可以發(fā)現(xiàn)它主要包含了以下幾個(gè)要求：

1. 消除冗余

三范式能夠有效地消除重復(fù)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)冗余，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。

2. 提高數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化程度

三范式要求數(shù)據(jù)庫(kù)表中的每個(gè)列都是原子性的，這能夠提高數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化程度，使數(shù)據(jù)查詢更加方便快捷。

3. 確保表之間的獨(dú)立性

通過(guò)將表拆分成多個(gè)獨(dú)立的表，并確保每個(gè)表都有獨(dú)自的主鍵，能夠保證表之間的獨(dú)立性，避免了數(shù)據(jù)之間的混淆和干擾。

三、三范式的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)三范式時(shí)，需要遵循以下幾個(gè)步驟：

1. 找出每個(gè)表的主鍵

在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，要先確定每個(gè)表的主鍵，主鍵可以是單一列，也可以是多列的組合。主鍵不僅要唯一，而且要能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

2. 檢查非主鍵列

檢查每張表的非主鍵列，如果該列只與主鍵相關(guān)，那么就滿足第二范式。如果該列同時(shí)還依賴于其他非主鍵列，則需要將其拆分成另一個(gè)表，以滿足第三范式。

3. 拆分表

如果在第二步中發(fā)現(xiàn)有某些列不滿足第三范式，就需要將其拆分成獨(dú)立的表。在拆分表的過(guò)程中，需要注意新表的主鍵與原表的主鍵之間要建立一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，以便于查詢時(shí)能夠連接兩張表。

四、三范式的優(yōu)缺點(diǎn)

三范式在數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中有著非常重要的作用，不過(guò)它也存在一些缺點(diǎn)：

1. 對(duì)性能的影響

由于三范式的要求嚴(yán)格，數(shù)據(jù)表的拆分、合并等操作需要耗費(fèi)較多的時(shí)間，而且查詢也會(huì)變得更加復(fù)雜，影響數(shù)據(jù)庫(kù)的性能。

2. 設(shè)計(jì)難度較大

三范式需要嚴(yán)格遵循其規(guī)定，這就要求設(shè)計(jì)者必須對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)有較高的理解和技能水平，否則很難做到設(shè)計(jì)的完美。

3. 不適用于所有情況

三范式不能完全適用于所有的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)場(chǎng)景，有時(shí)候過(guò)分嚴(yán)格的三范式反而會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生不利影響。

綜上所述，三范式雖然有一定的缺點(diǎn)，但它作為數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之一，仍然是必備的知識(shí)。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要靈活運(yùn)用三范式的要求，尋找到適合自己的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)方案，從而達(dá)到更好的數(shù)據(jù)管理和利用效果。

相關(guān)問(wèn)題拓展閱讀：

• 詳細(xì)說(shuō)明數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范的三個(gè)范式 ??

詳細(xì)說(shuō)明數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范的三個(gè)范式 ??

通坦做俗理解

1、不可分（原子性尺信皮）

2、一表一事（每個(gè)字段都跟主鍵有關(guān)系）

3、直接相關(guān)（每陵差個(gè)字段跟主鍵都是之接相關(guān)而不是間接相關(guān)）

第三范式的要求如下：，每一列只有一個(gè)值，每一行都能區(qū)分。，每一個(gè)表都不包含其他表已經(jīng)包含的非主關(guān)鍵字信息。實(shí)質(zhì)上，設(shè)計(jì)范式用很形象、很簡(jiǎn)潔的話語(yǔ)就能說(shuō)清楚。這里將對(duì)范式進(jìn)行通俗地說(shuō)明，以一個(gè)簡(jiǎn)單論壇的數(shù)據(jù)庫(kù)為例講解怎么樣將這些范式應(yīng)用于實(shí)際工程.范式說(shuō)明之一范式（1NF）：數(shù)據(jù)庫(kù)表中的字段都是單一屬性的，不可再分。這個(gè)單一屬性由基本類型構(gòu)成，包括整型、實(shí)數(shù)、字符型、邏輯型、日期型等。 例如，符合之一范式： 字段1 字段2 字段3 字段 不符合之一范式： 字液豎段1 字段2 字段3 字段 字段3.1 字段3.很顯然，在當(dāng)前的任何關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)（DBMS）中，傻瓜也不可能做出不符合之一范式的數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)檫@些DBMS不允許你把數(shù)據(jù)庫(kù)表的一列再分成二列或多列。因此，你想在現(xiàn)有的DBMS中設(shè)計(jì)出不符合之一范式的數(shù)據(jù)庫(kù)都是不可能的。第二范式（2NF）：數(shù)據(jù)庫(kù)表中不存在非關(guān)鍵字段對(duì)任一候選關(guān)鍵字段的部分函數(shù)依賴（部分函數(shù)依賴指的是存在組合關(guān)鍵字中的某些字段決定非關(guān)鍵字段的情況），也即所有非關(guān)鍵字段都完全依賴于任意一組候選關(guān)鍵字。 假定選課關(guān)系表為SelectCourse(學(xué)號(hào), 姓名, 年齡, 課程名稱, 成績(jī), 學(xué)分)， 關(guān)鍵字為組合關(guān)鍵字(學(xué)號(hào), 課程名稱)，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：(學(xué)號(hào), 課程名稱) → (姓名, 年齡, 成績(jī), 學(xué)分) 這個(gè)表不滿足第二范式，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系： (課程名稱) → (學(xué)分)(學(xué)號(hào)) → (姓名, 年齡) 即存在組合關(guān)鍵字中凳態(tài)的字段決定非關(guān)鍵字的情況。 由于不符合2NF，這個(gè)選課關(guān)系表會(huì)存在如下問(wèn)題：(1) 數(shù)據(jù)冗余： 同一門課程由n個(gè)學(xué)生選修，”學(xué)分棗埋源”就重復(fù)n-1次；同一個(gè)學(xué)生選修了m門課程，姓名和年齡就重復(fù)了m-1次。(2) 更新異常： 若調(diào)整了某門課程的學(xué)分，數(shù)據(jù)表中所有行的”學(xué)分”值都要更新，否則會(huì)出現(xiàn)同一門課程學(xué)分不同的情況。

滿足更低程度要求的范式屬于之一范式，簡(jiǎn)稱1NF；在之一范式中進(jìn)一步滿足非野核主屬性對(duì)主屬性完全依賴要求的關(guān)段脊冊(cè)系屬于第二范式，在第二范式中進(jìn)一步滿足非主屬性對(duì)主屬性沒(méi)有傳遞依賴要求的關(guān)系屬于第握宏三范式。這些范式是遞進(jìn)的，范式越高、規(guī)范化程度越高。但數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中并不能一味追求高范式，因?yàn)楦叻妒酵馕吨樵冃实慕档停m然冗余減少了，但有時(shí)為了效率，應(yīng)當(dāng)留部分冗余的），因此數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，往往在效率與冗余中尋找折中或者平衡。

　　關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系要滿足一定的要求。若關(guān)系滿足不同程度的要求，就稱它屬于不同的范式（Normal Form）。范式也叫關(guān)系范式，因?yàn)榉妒酱嬖谟陉P(guān)系中。范式是關(guān)系模式滿足不同程度的規(guī)范化要求的標(biāo)準(zhǔn)。滿足更低程困敗御度要求的范式屬于之一范式，簡(jiǎn)稱1NF；在之一范式中進(jìn)一步滿足一些要求的關(guān)系屬于第二范式，簡(jiǎn)稱2NF，依次類推，還有3NF、BCNF、4NF、5NF，這些都是關(guān)系范式。

　　對(duì)關(guān)系模式的屬性間的函數(shù)依賴加以不同的限制就形成了不同的范式。這些范式是遞進(jìn)的，即如果是一個(gè)關(guān)系是1NF的，它比不是1NF的關(guān)系要好；同樣，2NF的關(guān)系比1NF的關(guān)系要好等等，范式越高、規(guī)范化程度越高，關(guān)系模式就越好。

　　

之一范式

　　定義 設(shè) R 是一個(gè)關(guān)系模式，如果 R 中的每一個(gè)屬性 A 的值域中的每個(gè)值都是不可分解的，則稱 R 是屬于之一范式的，記作 R ∈ 1NF。

　　例如：在關(guān)系 SA（姓名，工資）中，屬性“工資”還可再分為基本工資，獎(jiǎng)金還有補(bǔ)貼 3 個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)，這違背了之一范式中元組的每個(gè)屬性不可再分的原則，所以它不滿足之一范式。

　　將非之一范式的關(guān)系轉(zhuǎn)換為之一范式的關(guān)系非常簡(jiǎn)單，只需要將所有數(shù)據(jù)項(xiàng)都分解成不可再分的最小數(shù)據(jù)項(xiàng)就可以了。例如上面的關(guān)系改為 SA（姓名，基本工資，獎(jiǎng)金，補(bǔ)貼）即可。

　　

第二范式

　　定義 如果關(guān)系 R ∈ 1NF，并且 R 中每一個(gè)非主屬性完全函數(shù)依賴于任一個(gè)候選碼，則 R ∈ 2NF。

　　從定義可以看出，若某個(gè) 1NF 的關(guān)系的主碼只由一個(gè)列組成，那么這個(gè)關(guān)系就是 2NF 關(guān)系。但是，如果主碼是由多個(gè)屬性列共同組成的復(fù)合主碼，并且存在非主屬性對(duì)屬性的部分函數(shù)依賴，則這個(gè)關(guān)系不是 2NF 關(guān)系。

　　例如：在關(guān)系 SB（學(xué)號(hào)，姓名，系名，系主任，課號(hào)，成績(jī)）中，、

　　非主屬性“姓名”僅函數(shù)依賴于“學(xué)號(hào)”，也就是“姓名”部分函數(shù)依賴于主碼（學(xué)號(hào)，課號(hào)）而不是完全依賴；

　　非主屬性“系名”僅函數(shù)依賴于“學(xué)號(hào)”，也就是“系名”部分函數(shù)依賴于主碼（學(xué)號(hào)，課號(hào)）而不是完全依賴；

　　非主屬性“系主任”僅函數(shù)依賴于“學(xué)號(hào)”，也就是“系主任”部分函數(shù)依賴于主碼（學(xué)號(hào)，課號(hào)）而不是完全依賴。

　　所以 SB 不滿足第二范式，不是 2NF 關(guān)系?？梢杂媚Ｊ椒纸獾姆椒▽⒎?2NF 的關(guān)系模式分解為多個(gè) 2NF 的關(guān)系模式。去掉部分函數(shù)依賴關(guān)系的分解過(guò)程如下：

　　1. 用組成主碼的屬性枯灶的每一個(gè)子集作為主碼構(gòu)成一個(gè)表。

　　2. 對(duì)于每個(gè)表，將依賴于此主碼的屬性放置到此表中。汪巖

　　例如：將 SB 分解為兩個(gè)關(guān)系模式

　　SC（學(xué)號(hào)，課號(hào)，成績(jī)），主碼為（學(xué)號(hào)，課號(hào)）

　　SD（學(xué)號(hào)，姓名，系名，系主任），主碼為 學(xué)號(hào)。

　　

第三范式

　　定義 如果關(guān)系 R ∈ 2NF，并且 R 中每一個(gè)非主屬性對(duì)任何候選碼都不存在傳遞函數(shù)依賴，則 R ∈ 3NF 。

　　從定義中可以看出，如果存在非主屬性對(duì)主碼的傳遞依賴，則相應(yīng)的關(guān)系模式就不是 3NF。

　　接著上面的例子，關(guān)系模式 SC 和 SD 均是 2NF 的，但在關(guān)系 SD（學(xué)號(hào)，姓名，系名，系主任）中，存在如下函數(shù)依賴：

　　學(xué)號(hào) → 系名

　　系名 → 系主任

　　系名 －\→ 學(xué)號(hào)

　　那么，存在著一個(gè)傳遞函數(shù)依賴“學(xué)號(hào) → 系主任”成立。

　　從上面的分析可以知道，因?yàn)樵?SD 中存在傳遞函數(shù)依賴，所以 SD 不滿足 3NF。因此需要對(duì)其進(jìn)行下一步的分解。去掉傳遞函數(shù)依賴的分解過(guò)程如下：

　　1. 對(duì)于不是候選碼的每個(gè)決定因子，從關(guān)系模式中刪除依賴于該決定因子的屬性。

　　2. 新建一個(gè)關(guān)系模式，新的關(guān)系模式中應(yīng)包含在原表中所有依賴于該決定因子的屬性。

　　3. 將決定因子作為新關(guān)系模式的主碼。

　　例如：將 SD 分解為

　　SE（學(xué)號(hào)，姓名，系名）

　　SF（系名，系主任）

　　這兩個(gè)關(guān)系模式不再存在傳遞依賴，它們均為第三范式。在通常的數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)中，一般要求要達(dá)到 3NF。3NF 是一個(gè)實(shí)際可用的關(guān)系模式應(yīng)滿足的更低范式。

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