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数据库范式——通俗易懂

数据库范式是数据库设计中必不可少的知识,没有对范式的理解,就无法设计出高效率、优雅的数据库。甚至设计出错误的数据库。而想要理解并掌握范式却并不是那么容易。教科书中一般以关系代数的方法来解释数据库范式。这样做虽然能够十分准确的表达数据库范式,但比较抽象,不太直观,不便于理解,更难以记忆。

本文用较为直白的语言介绍范式,旨在便于理解和记忆,这样做可能会出现一些不精确的表述。但对于初学者应该是个不错的入门。我写下这些的目的主要是为了加强记忆,其实我也比较菜,我希望当我对一些概念生疏的时候,回过头来看看自己写的笔记,可以快速地进入状态。如果你发现其中用错误,请指正。

下面开始进入正题:
一、基础概念

要理解范式,首先必须对知道什么是关系数据库,如果你不知道,我可以简单的不能再简单的说一下:关系数据库就是用二维表来保存数据。表和表之间可以……(省略10W字)。 然后你应该理解以下概念:

  • 实体:现实世界中客观存在并可以被区别的事物。比如“一个学生”、“一本书”、“一门课”等等。值得强调的是这里所说的“事物”不仅仅是看得见摸得着的“东西”,它也可以是虚拟的,不如说“老师与学校的关系”。
  • 属性:教科书上解释为:“实体所具有的某一特性”,由此可见,属性一开始是个逻辑概念,比如说,“性别”是“人”的一个属性。在关系数据库中,属性又是个物理概念,属性可以看作是“表的一列”。
  • 元组:表中的一行就是一个元组。
  • 分量:元组的某个属性值。在一个关系数据库中,它是一个操作原子,即关系数据库在做任何操作的时候,属性是“不可分的”。否则就不是关系数据库了。
  • 码:表中可以唯一确定一个元组的某个属性(或者属性组),如果这样的码有不止一个,那么大家都叫候选码,我们从候选码中挑一个出来做老大,它就叫主码。
  • 全码:如果一个码包含了所有的属性,这个码就是全码。
  • 主属性:一个属性只要在任何一个候选码中出现过,这个属性就是主属性。
  • 非主属性:与上面相反,没有在任何候选码中出现过,这个属性就是非主属性。
  • 外码:一个属性(或属性组),它不是码,但是它别的表的码,它就是外码。

二、6个范式

好了,上面已经介绍了我们掌握范式所需要的全部基础概念,下面我们就来讲范式。首先要明白,范式的包含关系。一个数据库设计如果符合第二范式,一定也符合第一范式。如果符合第三范式,一定也符合第二范式…
第一范式(1NF):属性不可分。 在前面我们已经介绍了属性值的概念,我们说,它是“不可分的”。而第一范式要求属性也不可分。那么它和属性值不可分有什么区别呢?给一个例子:

name tel age
大宝 13612345678 22
小明 13988776655 010-1234567 21

Ps:这个表中,属性值“分”了。

name tel age
手机 座机
大宝 13612345678 021-9876543 22
小明 13988776655 010-1234567 21

Ps:这个表中,属性 “分”了。 这两种情况都不满足第一范式。不满足第一范式的数据库,不是关系数据库!所以,我们在任何关系数据库管理系统中,做不出这样的“表”来。

第二范式(2NF:符合1NF,并且,非主属性完全依赖于码。 听起来好像很神秘,其实真的没什么。 一个候选码中的主属性也可能是好几个。如果一个主属性,它不能单独做为一个候选码,那么它也不能确定任何一个非主属性。给一个反例:我们考虑一个小学的教务管理系统,学生上课指定一个老师,一本教材,一个教室,一个时间,大家都上课去吧,没有问题。那么数据库怎么设计?(学生上课表)

学生 课程 老师 老师职称 教材 教室 上课时间
小明 一年级语文(上) 大宝 副教授 《小学语文1》 101 14:30

一个学生上一门课,一定在特定某个教室。所以有(学生,课程)->教室 一个学生上一门课,一定是特定某个老师教。所以有(学生,课程)->老师 一个学生上一门课,他老师的职称可以确定。所以有(学生,课程)->老师职称 一个学生上一门课,一定是特定某个教材。所以有(学生,课程)->教材 一个学生上一门课,一定在特定时间。所以有(学生,课程)->上课时间 因此(学生,课程)是一个码。 然而,一个课程,一定指定了某个教材,一年级语文肯定用的是《小学语文1》,那么就有课程->教材。(学生,课程)是个码,课程却决定了教材,这就叫做不完全依赖,或者说部分依赖。出现这样的情况,就不满足第二范式! 有什么不好吗?你可以想想: 1、校长要新增加一门课程叫“微积分”,教材是《大学数学》,怎么办?学生还没选课,而学生又是主属性,主属性不能空,课程怎么记录呢,教材记到哪呢? ……郁闷了吧?(插入异常) 2、下学期没学生学一年级语文(上)了,学一年级语文(下)去了,那么表中将不存在一年级语文(上),也就没了《小学语文1》。这时候,校长问:一年级语文(上)用的什么教材啊?……郁闷了吧?(删除异常) 3、校长说:一年级语文(上)换教材,换成《大学语文》。有10000个学生选了这么课,改动好大啊!改累死了……郁闷了吧?(修改异常) 那应该怎么解决呢?投影分解,将一个表分解成两个或若干个表

学生 课程 老师 老师职称 教室 上课时间
小明 一年级语文(上) 大宝 副教授 101 14:30

学生上课表新

课程 教材
一年级语文(上) 《小学语文1》

课程的表  第三范式(3NF):符合2NF,并且,消除传递依赖 上面的“学生上课表新”符合2NF,可以这样验证:两个主属性单独使用,不用确定其它四个非主属性的任何一个。但是它有传递依赖! 在哪呢?问题就出在“老师”和“老师职称”这里。一个老师一定能确定一个老师职称。 有什么问题吗?想想: 1、老师升级了,变教授了,要改数据库,表中有N条,改了N次……(修改异常) 2、没人选这个老师的课了,老师的职称也没了记录……(删除异常) 3、新来一个老师,还没分配教什么课,他的职称记到哪?……(插入异常) 那应该怎么解决呢?和上面一样,投影分解:

学生 课程 老师 教室 上课时间
小明 一年级语文(上) 大宝 101 14:30
老师 老师职称
大宝 副教授

BC范式(BCNF):符合3NF,并且,主属性不依赖于主属性 若关系模式属于第一范式,且每个属性都不传递依赖于键码,则R属于BC范式。
通常 BC范式的条件有多种等价的表述:每个非平凡依赖的左边必须包含键码;每个决定因素必须包含键码。
BC范式既检查非主属性,又检查主属性。当只检查非主属性时,就成了第三范式。满足BC范式的关系都必然满足第三范式。 还可以这么说:若一个关系达到了第三范式,并且它只有一个候选码,或者它的每个候选码都是单属性,则该关系自然达到BC范式。
一般,一个数据库设计符合3NF或BCNF就可以了。在BC范式以上还有第四范式、第五范式。
第四范式:要求把同一表内的多对多关系删除。
第五范式:从最终结构重新建立原始结构。
但在绝大多数应用中不需要设计到这种程度。并且,某些情况下,过于范式化甚至会对数据库的逻辑可读性和使用效率起到阻碍。数据库中一定程度的冗余并不一定是坏事情。如果你对第四范式、第五范式感兴趣可以看一看专业教材,从头学起,并且忘记我说的一切,以免对你产生误导

 

数据库范式——通俗易懂:等您坐沙发呢!

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