數據庫範式

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　　數據庫範式是數據庫設計中必不可少的知識，沒有對範式的理解，就沒法設計出高效率、優雅的數據庫。甚至設計出錯誤的數據庫。而想要理解並掌握範式卻並非那麼容易。教科書中通常以關係代數的方法來解釋數據庫範式。這樣作雖然可以十分準確的表達數據庫範式，但比較抽象，不太直觀，不便於理解，更難以記憶。
　　本文用較爲直白的語言介紹範式，旨在便於理解和記憶，這樣作可能會出現一些不精確的表述。但對於初學者應該是個不錯的入門。我寫下這些的目的主要是爲了增強記憶，其實我也比較菜，我但願當我對一些概念生疏的時候，回過頭來看看本身寫的筆記，能夠快速地進入狀態。若是你發現其中用錯誤，請指正。
下面開始進入正題：

1、基礎概念
　　要理解範式，首先必須對知道什麼是關係數據庫，若是你不知道，我能夠簡單的不能再簡單的說一下：關係數據庫就是用二維表來保存數據。表和表之間能夠……（省略10W字）。

而後你應該理解如下概念：

實體：現實世界中客觀存在並能夠被區別的事物。好比「一個學生」、「一本書」、「一門課」等等。值得強調的是這裏所說的「事物」不只僅是看得見摸得着的「東西」，它也能夠是虛擬的，好比說「老師與學校的關係」。

屬性：教科書上解釋爲：「實體所具備的某一特性」，因而可知，屬性一開始是個邏輯概念，好比說，「性別」是「人」的一個屬性。在關係數據庫中，屬性又是個物理概念，屬性能夠看做是「表的一列」。

元組：表中的一行就是一個元組。

份量：元組的某個屬性值。在一個關係數據庫中，它是一個操做原子，即關係數據庫在作任何操做的時候，屬性是「不可分的」。不然就不是關係數據庫了。

碼：表中能夠惟一肯定一個元組的某個屬性（或者屬性組），若是這樣的碼有不止一個，那麼你們都叫候選碼，咱們從候選碼中挑一個出來作老大，它就叫主碼。

全碼：若是一個碼包含了全部的屬性，這個碼就是全碼。

主屬性：一個屬性只要在任何一個候選碼中出現過，這個屬性就是主屬性。

非主屬性：與上面相反，沒有在任何候選碼中出現過，這個屬性就是非主屬性。

外碼：一個屬性（或屬性組），它不是碼，可是它別的表的碼，它就是外碼。

2、6個範式
好了，上面已經介紹了咱們掌握範式所須要的所有基礎概念，下面咱們就來說範式。首先要明白，範式的包含關係。一個數據庫設計若是符合第二範式，必定也符合第一範式。若是符合第三範式，必定也符合第二範式……

 

·第一範式（1NF）：屬性不可分。

在前面已經介紹了屬性值的概念，咱們說，它是「不可分的」。而第一範式要求屬性也不可分。那麼它和屬性值不可分有什麼區別呢？給一個例子：

這個表中，屬性值「分」了。「電話」這個屬性裏對於「小明」屬性值分紅了兩個。

這兩種狀況都不知足第一範式。不知足第一範式的數據庫，不是關係數據庫！因此，咱們在任何關係數據庫管理系統中，作不出這樣的「表」來。針對上述狀況能夠作成這樣的表：這個表中，屬性 「分」了。也就是「電話」分爲了「手機」和「座機」兩個屬性。

 

·第二範式（2NF）：符合1NF，而且，非主屬性徹底依賴於碼。（注意是徹底依賴不能是部分依賴，設有函數依賴W→A，若存在XW，有X→A成立，那麼稱W→A是局部依賴，不然就稱W→A是徹底函數依賴）

一個學生上一門課，必定是特定某個老師教。因此有（學生，課程）－>老師；

一個學生上一門課，必定在特定某個教室。因此有（學生，課程）－>教室；

一個學生上一門課，他老師的職稱能夠肯定。因此有（學生，課程）－>老師職稱；

一個學生上一門課，必定是特定某個教材。因此有（學生，課程）－>教材

一個學生上一門課，必定在特定時間。因此有（學生，課程）－>上課時間

所以（學生，課程）是一個碼。

然而，一個課程，必定指定了某個教材，一年級語文確定用的是《小學語文1》，那麼就有課程－>教材。（學生，課程）是個碼，課程卻決定了教材，這就叫作不徹底依賴，或者說部分依賴。出現這樣的狀況，就不知足第二範式！

有什麼很差嗎？你能夠想一想：

一、校長要新增長一門課程叫「微積分」，教材是《大學數學》，怎麼辦？學生還沒選課，而學生又是主屬性，主屬性不能空，課程怎麼記錄呢，教材記到哪呢? ……鬱悶了吧?(插入異常)

二、下學期沒學生學一年級語文（上）了，學一年級語文（下）去了，那麼表中將不存在一年級語文（上），也就沒了《小學語文1》。這時候，校長問：一年級語文（上）用的什麼教材啊？……鬱悶了吧?(刪除異常)

三、校長說：一年級語文（上）換教材，換成《大學語文》。有10000個學生選了這門課，改動好大啊！改累死了……鬱悶了吧？（修改/更新異常，在這裏你可能以爲直接把教材《小學語文1》替換成《大學語文》不就能夠了，可是替換操做雖然計算機運行速度很快，可是畢竟也要替換10000次，形成了很大的時間開銷）

那應該怎麼解決呢？投影分解，將一個表分解成兩個或若干個表

 

·第三範式（3NF）：符合2NF，而且，消除傳遞依賴（也就是每一個非主屬性都不傳遞依賴於候選鍵，判斷傳遞函數依賴，指的是若是存在"A → B → C"的決定關係，則C傳遞函數依賴於A。）

上面的「學生上課新表」符合2NF，可是它有傳遞依賴！在哪呢？問題就出在「老師」和「老師職稱」這裏。一個老師必定能肯定一個老師職稱。（學生，課程）->老師->職稱。

有什麼問題嗎？想一想：

一、老師升級了，變教授了，要改數據庫，表中有N條，改了N次……（修改異常）
二、沒人選這個老師的課了，老師的職稱也沒了記錄……（刪除異常）
三、新來一個老師，還沒分配教什麼課，他的職稱記到哪？……（插入異常）
那應該怎麼解決呢？和上面同樣，投影分解：

 

·BC範式（BCNF）：符合3NF，而且，主屬性不依賴於主屬性(也就是不存在任何字段對任一候選關鍵字段的傳遞函數依賴)

BC範式既檢查非主屬性，又檢查主屬性。當只檢查非主屬性時，就成了第三範式。知足BC範式的關係都必然知足第三範式。

還能夠這麼說：若一個關係達到了第三範式，而且它只有一個候選碼，或者它的每一個候選碼都是單屬性，則該關係天然達到BC範式。

給你舉個例子：假設倉庫管理關係表 (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做；一個倉庫能夠存儲多種物品。

這個數據庫表中存在以下決定關係：

(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)

因此，(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，表中的惟一非關鍵字段爲數量，它是符合第三範式的。可是，因爲存在以下決定關係：

(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狀況，因此其不符合BCNF範式。它會出現以下異常狀況：

(1) 刪除異常：

當倉庫被清空後，全部"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，沒法給倉庫分配管理員。

(3) 更新異常：

若是倉庫換了管理員，則表中全部行的管理員ID都要修改。

把倉庫管理關係表分解爲二個關係表：

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範式的，消除了刪除異常、插入異常和更新異常。

通常，一個數據庫設計符合3NF或BCNF就能夠了。在BC範式以上還有第四範式、第五範式。

·第四範式：要求把同一表內的多對多關係刪除。

·第五範式：從最終結構從新創建原始結構。

其實數據庫設計範式這方面重點掌握的就是1NF、2NF、3NF、BCNF

 

四種範式之間存在以下關係：

這裏主要區別3NF和BCNF，一句話就是3NF是要知足不存在非主屬性對候選碼的傳遞函數依賴，BCNF是要知足不存在任一屬性（包含非主屬性和主屬性）對候選碼的傳遞函數依賴。