關係型數據庫設計範式

爲了創建冗餘較小、結構合理的關係數據庫，設計關係數據庫時必須遵循必定的規則， 即關係數據庫的設計範式。

第一範式(First Normal Form, 1NF)

關係型數據庫的第一範式要求：

• 全部字段都是不可分割的

舉例來講，客戶數據表中包含客戶名和地址，地址由城市和街道組成。應用常常須要分別訪問城市或街道字段。

數據表customers(name,city, street)是符合第一範式的，而數據表customers(name,address)則不知足第一範式的要求。

定義一個知足第一範式的數據表：

courses(student_id, course_id, school_name, president, credit)
primary key(student_id, course_id)

上表仍然存在四個問題：

• 數據冗餘： school_name, president屬性重複出現

• 插入異常： 若一個新建school沒有開始招生則不能加入數據表中

• 刪除異常： 若一學院全部學生均畢業，則該學院信息消失

• 修改異常： 若一學院院長更換，則需修改該學院全部學生的數據；

若一學生轉院則需修改其所選全部課程的數據。

第二範式(Second Normal Form, 2NF)

第二範式是在第一範式的基礎上定義的，它要求：

• 表的設計知足第一範式

• 除主鍵外全部屬性徹底函數依賴於主鍵

候選碼是函數決定全部非主屬性的最小集合，但不排除候選碼的真子集決定某些而非所有非主屬性的狀況.

而2NF禁止候選碼的真子集函數決定任何非主屬性.

如上文數據表:

courses(student_id, course_id, school_name, president, credit)
primary key(student_id, course_id)

school_name和president屬性依賴於student_id屬性，不依賴於course_id屬性。

也就是說school,president屬性部分函數依賴於主鍵，不知足第二範式的要求。

若將上表拆分爲兩個數據表：

courses(student_id, course_id, credit)
primary key(student_id, course_id)

students(student_id, school_name, president)
primary key(student_id)

拆分後的數據表知足了第二範式的要求。

如今分析一下，第一範式沒有解決的四個問題：

• 數據冗餘： 減小了school_name和president重複出現的次數

• 插入異常： 未解決

• 刪除異常： 未解決

• 修改異常： 解決了學生轉院的問題，未解決院長更換的問題

第三範式(Third Normal Form, 3NF)

第三範式定義在第二範式的基礎上：

• 表的設計知足第二範式的要求

• 除非主屬性直接依賴於主鍵

看上文數據表的定義

students(student_id, school_name, president)
primary key(student_id)

存在傳遞函數依賴student_id->school_name->president,不知足第三範式。

進行進一步拆分：

courses(student_id, course_id, credit)
primary key(student_id, course_id)

students(student_id, school_name)
primary key(student_id)

schools(school_name, president)
primary key

拆分後消除了傳遞函數依賴。

分析第三範式對上述四個問題處理。

• 數據冗餘： 除了主鍵外全部屬性只出現一次

• 刪除異常： 容許刪除全部學生而保留學院信息

• 插入異常： 容許創建沒有學生的學院

• 更新異常： 更換院長，學生轉院均只需修改一條記錄

第三範式基本上能夠解決上述問題。

BCNF

BC(Boyce-Codd)範式在3NF的基礎上進一步消除了傳遞依賴.

BCNF要求:

• 關係模式符合3NF

• 函數依賴集F中全部函數依賴X->F, 左部X必須包含R的全部候選碼.

即全部候選碼都直接決定全部非主屬性.

BCNF分解算法

給定關係模式R和其上的函數依賴集F, 將R進行知足BCNF的無損鏈接分解:

1. 置初值p = {R}

2. 檢查p中的關係模式若均知足BCNF則中止分解, 不然重複執行3.

3. 在p中選出不知足BCNF的關係模式S, 其中必有非平凡依賴B->C, 且B不是S的候選碼.將S分解爲S1= {B,C}和S2 = R - {C}, 用S1,S2代替p中S的位置.

示例:

R = {A, B, C} F = {A->B, B->C}

候選碼A, 函數依賴B->C, 由於B不是Candidate Key因此要進行分解:

{B, C} {A, B}

第四範式(Forth Normal Form, 4NF)

4NF要求:

• 必須知足BCNF

• 非主屬性不能存在多值

示例:

phone(user_id,  phone, cell)

若某用戶有多個phone同時又有多個cell時此表設計顯然不合理.

能夠採用以下的拆分方案:

phone(user_id, phone, type)

拆分後的數據表知足了4NF.