前言

數(shù)據(jù)庫設(shè)計六范式

為了建立冗余較小、結(jié)構(gòu)合理的數(shù)據(jù)庫，設(shè)計數(shù)據(jù)庫時必須遵循一定的規(guī)則。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中這種規(guī)則就稱為范式。范式是符合某一種設(shè)計要求的總結(jié)。要想設(shè)計一個結(jié)構(gòu)合理的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，必須滿足一定的范式。

在實際開發(fā)中最為常見的設(shè)計范式有三個：

1．第一范式（1NF）無重復(fù)的列(確保每列保持原子性)

第一范式是最基本的范式。如果數(shù)據(jù)庫表中的所有字段值都是不可分解的原子值，就說明該數(shù)據(jù)庫表滿足了第一范式。不滿足第一范式（1NF）的數(shù)據(jù)庫就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫。
第一范式的合理遵循需要根據(jù)系統(tǒng)的實際需求來定。比如某些數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中需要用到“地址”這個屬性，本來直接將“地址”屬性設(shè)計成一個數(shù)據(jù)庫表的字段就行。但是如果系統(tǒng)經(jīng)常會訪問“地址”屬性中的“城市”部分，那么就非要將“地址”這個屬性重新拆分為省份、城市、詳細地址等多個部分進行存儲，這樣在對地址中某一部分操作的時候?qū)⒎浅７奖恪＿@樣設(shè)計才算滿足了數(shù)據(jù)庫的第一范式，如下表所示。

上表所示的用戶信息遵循了第一范式的要求，這樣在對用戶使用城市進行分類的時候就非常方便，也提高了數(shù)據(jù)庫的性能。

2．第二范式（2NF）屬性完全依賴于主鍵 (消除部分子函數(shù)依賴，確保表中的每列都和主鍵相關(guān))

第二范式在第一范式的基礎(chǔ)之上更進一層。第二范式需要確保數(shù)據(jù)庫表中的每一列都和主鍵相關(guān)，而不能只與主鍵的某一部分相關(guān)（主要針對聯(lián)合主鍵而言）。也就是說在一個數(shù)據(jù)庫表中，一個表中只能保存一種數(shù)據(jù)，不可以把多種數(shù)據(jù)保存在同一張數(shù)據(jù)庫表中。第二范式要求數(shù)據(jù)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。這個惟一屬性列被稱為主關(guān)鍵字或主鍵、主碼。

比如要設(shè)計一個訂單信息表，因為訂單中可能會有多種商品，所以要將訂單編號和商品編號作為數(shù)據(jù)庫表的聯(lián)合主鍵，如下表所示。
訂單信息表

這樣就產(chǎn)生一個問題：這個表中是以訂單編號和商品編號作為聯(lián)合主鍵。這樣在該表中商品名稱、單位、商品價格等信息不與該表的主鍵相關(guān)，而僅僅是與商品編號相關(guān)。所以在這里違反了第二范式的設(shè)計原則。
不符合第二范式，會出現(xiàn)的問題：
(1) 數(shù)據(jù)冗余：同一個客戶下的訂單，所屬單位和聯(lián)系方式出現(xiàn)了冗余
(2) 更新異常：如果調(diào)整了某個商品的價格，表中所有下單該商品的價格表都需要調(diào)整，否則會出現(xiàn)同一商品價格不統(tǒng)一的情況
(3) 插入異常：如果商家新增了一個商品，由于還沒有人買過沒有訂單號，導(dǎo)致表中無法插入這樣的信息信息了
(4) 刪除異常：如果客戶已完成訂單，或者客戶退貨取消訂單，就需要刪除訂單編號，這樣又會導(dǎo)致商品信息被刪除，問題更大了。
如果把這個訂單信息表進行拆分，把商品信息分離到另一個表中，把訂單項目表也分離到另一個表中，就非常完美了。

這樣設(shè)計，在很大程度上減小了數(shù)據(jù)庫的冗余。如果要獲取訂單的商品信息，使用商品編號到商品信息表中查詢即可。

3．第三范式（3NF）屬性不依賴于其它非主屬性 （消除傳遞依賴，確保每列都和主鍵列直接相關(guān),而不是間接相關(guān))

第三范式需要確保數(shù)據(jù)表中的每一列數(shù)據(jù)都和主鍵直接相關(guān)，而不能間接相關(guān)。數(shù)據(jù)表中如果不存在非關(guān)鍵字段對任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。簡而言之，第三范式就是屬性不依賴于其它非主屬性。所謂傳遞函數(shù)依賴，指的是如果存在"A → B → C"的決定關(guān)系，則C傳遞函數(shù)依賴于A。
因此，滿足第三范式的數(shù)據(jù)庫表應(yīng)該不存在如下依賴關(guān)系：
關(guān)鍵字段 → 非關(guān)鍵字段x → 非關(guān)鍵字段y

比如在設(shè)計一個訂單數(shù)據(jù)表的時候，可以將客戶編號作為一個外鍵和訂單表建立相應(yīng)的關(guān)系。而不可以在訂單表中添加關(guān)于客戶其它信息（比如姓名、所屬公司等）的字段。如下面這兩個表所示的設(shè)計就是一個滿足第三范式的數(shù)據(jù)庫表。

這樣在查詢訂單信息的時候，就可以使用客戶編號來引用客戶信息表中的記錄，也不必在訂單信息表中多次輸入客戶信息的內(nèi)容，減小了數(shù)據(jù)冗余。
再找一張圖，供大家參考一下：

4、BCNF 鮑依斯-科得范式 （針對某一列與復(fù)合主鍵中的某一列有關(guān)，而與其他主鍵無關(guān)）

所謂BCNF，是指在第三范式的基礎(chǔ)上進一步消除主屬性對于碼的部分函數(shù)依賴和傳遞依賴。BCNF需要符合3NF，并且，主屬性不依賴于主屬性。

假設(shè)倉庫管理關(guān)系表為StorehouseManage(倉庫ID,存儲物品ID,管理員ID,數(shù)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(shù)據(jù)庫表中存在如下決定關(guān)系：

(倉庫ID,存儲物品ID) →(管理員ID,數(shù)量)

(管理員ID,存儲物品ID) → (倉庫ID,數(shù)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(guān)鍵字，表中的唯一非關(guān)鍵字段為數(shù)量，它是符合第三范式的。但是，由于存在如下決定關(guān)系：

(倉庫ID) → (管理員ID)

(管理員ID) → (倉庫ID)

即存在關(guān)鍵字段決定關(guān)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(shù)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(guān)系表分解為二個關(guān)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(shù)量)。

這樣的數(shù)據(jù)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。

又如，有這樣一個配件管理表WPE(WNO,PNO,ENO,QNT),其中WNO表示倉庫號，PNO表示配件號，ENO表示職工號，QNT表示數(shù)量。

有以下約束要求：

（1）一個倉庫有多名職工；

（2）一個職工僅在一個倉庫工作；

（3）每個倉庫里一種型號的配件由專人負責，但一個人可以管理幾種配件；

（4）同一種型號的配件可以分放在幾個倉庫中。

分析表中的函數(shù)依賴關(guān)系，可以得到：

（1）ENO->WNO;

（2）（WNO，PNO）->QNT

（3）（WNO，PNO）->ENO

（4）（ENO，PNO）->QNT

可以看到，候選鍵有：（ENO,PNO）;(WNO,PNO)。所以，ENO,PNO,WNO均為主屬性，QNT為非主屬性。顯然，非主屬性是直接依賴于候選鍵的。所以此表滿足第三范式。

而我們觀察一下主屬性：（WNO,PNO）->ENO;ENO->WNO。顯然WNO對于候選鍵（WNO,PNO）存在傳遞依賴，所以不符合BCNF.

解決這個問題的辦法是分拆為兩個表：管理表EP（ENO，PNO，QNT）；工作表EW（ENO，WNO）。但這樣做會導(dǎo)致函數(shù)依賴（WNO,PNO）->ENO丟失。

雖然，不滿足BCNF，也會導(dǎo)致一些冗余和一致性的問題。但是，將表分解成滿足BCNF的表又可能丟失一些函數(shù)依賴。所以，一般情況下不會強制要求關(guān)系表要滿足BCNF。

5、4NF（第四范式）

對于第四范式，從理論層面來講是，關(guān)系模式R∈1NF,如果對于R對于R的每個非平凡多值依賴X→→Y(Y不屬于X),X都含有候選碼，則R∈4NF。4NF就是限制關(guān)系模式的屬性之間不允許有非平凡且非函數(shù)依賴的多值依賴。顯然一個關(guān)系模式是4NF，則必為BCNF。

也就是說，當一個表中的非主屬性互相獨立時（3NF），這些非主屬性不應(yīng)該有多值。若有多值就違反了第四范式。

有這樣一個用戶聯(lián)系方式表TELEPHONE(CUSTOMERID,PHONE,CELL)。CUSTOMERID為用戶ID,PHONE為用戶的固定電話,CELL為用戶的移動電話。

本來，這是一個非常簡單的第3范式表。主鍵為CUSTOMERID，不存在傳遞依賴。但在某些情況下，這樣的表還是不合理的。比如說，用戶有兩個固定電話，兩個移動電話。這時，表的具體表示如下：

CUSTOMERID PHONE CELL

1000 8828-1234 149088888888

1000 8838-1234 149099999999

由于PHONE和CELL是互相獨立的，而有些用戶又有兩個和多個值。這時此表就違反第四范式。

在這種情況下，此表的設(shè)計就會帶來很多維護上的麻煩。例如，如果用戶放棄第一行的固定電話和第二行的移動電話，那么這兩行會合并嗎？等等

解決問題的方法為，設(shè)計一個新表NEW_PHONE(CUSTOMERID,NUMBER,TYPE).這樣就可以對每個用戶處理不同類型的多個電話號碼，而不會違反第四范式。

顯然，第四范式的應(yīng)用范圍比較小，因為只有在某些特殊情況下，要考慮將表規(guī)范到第四范式。所以在實際應(yīng)用中，一般不要求表滿足第四范式。

6、5NF（第五范式）

第五范式（5NF）：是最終范式。消除了4NF中的連接依賴。

第五范式有以下要求：

（1）必須滿足第四范式

（2）表必須可以分解為較小的表，除非那些表在邏輯上擁有與原始表相同的主鍵。

第五范式是在第四范式的基礎(chǔ)上做的進一步規(guī)范化。第四范式處理的是相互獨立的多值情況，而第五范式則處理相互依賴的多值情況。

有一個銷售信息表SALES（SALEPERSON，VENDOR，PRODUCT）。SALEPERSON代表銷售人員，VENDOR代表供和商，PRODUCT則代表產(chǎn)品。

在某些情況下，這個表中會產(chǎn)生一些冗余。可以將表分解為PERSON_VENDOR表（SALEPERSON，VENDOR）；PERSON_PRODUCT表（SALEPERSON，PRODUCT）；VENDOR-_PRODICT表（VENDOR，PRODUCT）