數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)三大范式應(yīng)用實(shí)例剖析

1、數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)三大范式應(yīng)用實(shí)例剖析數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)三大范式應(yīng)用實(shí)例剖析 引言數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)范式是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)所需要滿 足的規(guī)范，滿足這些規(guī)范的數(shù)據(jù)庫是簡潔的、 結(jié) 構(gòu)明晰的，同時，不會發(fā)生插入(insert)、刪除 (delete)和更新(update)操作異常。反之則 是亂七八糟，不僅給數(shù)據(jù)庫的編程人員制造麻 煩，而且面目可憎，可能存儲了大量不需要的冗 余信息。設(shè)計(jì)范式是不是很難懂呢？非也，大學(xué)教材 上給我們一堆數(shù)學(xué)公式我們當(dāng)然看不懂，也記不 住。所以我們很多人就根本不按照范式來設(shè)計(jì)數(shù) 據(jù)庫。實(shí)質(zhì)上，設(shè)計(jì)范式用很形象、很簡潔的話語 就能說清楚，道明白。本文將對范式進(jìn)行通俗地 說明，并以筆者曾經(jīng)設(shè)計(jì)的一個簡

2、單論壇的數(shù)據(jù) 庫為例來講解怎樣將這些范式應(yīng)用于實(shí)際工程。范式說明第一范式(1NF):數(shù)據(jù)庫表中的字段都是 單一屬性的，不可再分。這個單一屬性由基本類 型構(gòu)成，包括整型、實(shí)數(shù)、字符型、邏輯型、日 期型等。例如，如下的數(shù)據(jù)庫表是符合第一范式的:字段1字段2字段3字段4而這樣的數(shù)據(jù)庫表是不符合第一范式的:字段1字段2字段3字段4字段3.1字段3.2很顯然，在當(dāng)前的任何關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (DBMS)中，傻瓜也不可能做出不符合第一范 式的數(shù)據(jù)庫，因?yàn)檫@些 DBMS不允許你把數(shù)據(jù) 庫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)出不符合第一范式的數(shù)據(jù)庫 都是不可能的。第二范式（2NF）:

3、數(shù)據(jù)庫表中不存在非關(guān) 鍵字段對任一候選關(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，姓 名，年齡，課程名稱，成績，學(xué)分），關(guān)鍵字為組 合關(guān)鍵字（學(xué)號，課程名稱），因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定 關(guān)系：（學(xué)號，課程名稱）一（姓名，年齡，成績, 學(xué)分）這個數(shù)據(jù)庫表不滿足第二范式，因?yàn)榇嬖谌?下決定關(guān)系：（課程名稱）一（學(xué)分）(學(xué)號)一(姓名，年齡)即存在組合關(guān)鍵字中的字段決定非關(guān)鍵字 的情況。由于不符合2NF,這個選課關(guān)系表會存在如 下問題：(1)數(shù)據(jù)冗余：同一

4、門課程由n個學(xué)生選修，學(xué)分就重復(fù) n-1次；同一個學(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，否則會出現(xiàn)同一門課程學(xué) 分不同的情況。(3)插入異常:假設(shè)要開設(shè)一門新的課程，暫時還沒有人選 修。這樣，由于還沒有“學(xué)號關(guān)鍵字，課程名稱 和學(xué)分也無法記錄入數(shù)據(jù)庫。（4）刪除異常：假設(shè)一批學(xué)生已經(jīng)完成課程的選修， 這些選 修記錄就應(yīng)該從數(shù)據(jù)庫表中刪除。但是，與此同 時，課程名稱和學(xué)分信息也被刪除了。很顯然， 這也會導(dǎo)致插入異常。把選課關(guān)系表SelectCourse改為如下三個 表：學(xué)生：Student（學(xué)號，姓名，年齡

5、）；課程：Course（課程名稱，學(xué)分）；選課關(guān)系：SelectCourse（學(xué)號，課程名稱 成績）。這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合第二范式的，消除了數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常另外，所有單關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)庫表都符合第二 范式，因?yàn)椴豢赡艽嬖诮M合關(guān)鍵字。第三范式（3NF）:在第二范式的基礎(chǔ)上， 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。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)鍵字段一非關(guān)鍵字段x -非關(guān)鍵字段 y假定學(xué)生關(guān)系表為 Student（學(xué)號，姓名

6、，年 齡，所在學(xué)院，學(xué)院地點(diǎn)，學(xué)院電話），關(guān)鍵字為 單一關(guān)鍵字學(xué)號，因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：（學(xué)號）一（姓名，年齡，所在學(xué)院，學(xué)院地 點(diǎn)，學(xué)院電話）這個數(shù)據(jù)庫是符合2NF的，但是不符合3NF, 因?yàn)榇嬖谌缦聸Q定關(guān)系：（學(xué)號）一（所在學(xué)院）一（學(xué)院地點(diǎn)，學(xué)院 電話）即存在非關(guān)鍵字段學(xué)院地點(diǎn)、學(xué)院電話 對關(guān)鍵字段學(xué)號的傳遞函數(shù)依賴。它也會存在數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常 和刪除異常的情況，讀者可自行分析得知。把學(xué)生關(guān)系表分為如下兩個表：學(xué)生：（學(xué)號，姓名，年齡，所在學(xué)院）；學(xué)院：（學(xué)院，地點(diǎn)，電話）。這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合第三范式的，消除了 數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。鮑依斯-科得范式（B

7、CNF）:在第三范式的 基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫表中如果不存在任何字段對任一 候選關(guān)鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。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） 一（管理員ID,數(shù) 量）（管理員ID,存儲物品ID） 一（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

8、關(guān)系：（倉庫ID） 一（管理員ID）(管理員ID)一(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(dāng)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(dāng)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

9、 除了刪除異常、插入異常和更新異常。范式應(yīng)用我們來逐步搞定一個論壇的數(shù)據(jù)庫，有如下 信息：(1)用戶：用戶名，email,主頁，電話， 聯(lián)系地址(2)帖子：發(fā)帖標(biāo)題，發(fā)帖內(nèi)容，回復(fù)標(biāo) 題，回復(fù)內(nèi)容第一次我們將數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)為僅僅存在表：用 戶 名email主 頁電 話聯(lián)系 地址發(fā)帖 標(biāo)題發(fā)帖 內(nèi)容回復(fù) 標(biāo)題回復(fù) 內(nèi)容這個數(shù)據(jù)庫表符合第一范式，但是沒有任何 一組候選關(guān)鍵字能決定數(shù)據(jù)庫表的整行，唯一的 關(guān)鍵字段用戶名也不能完全決定整個元組。我們 需要增加發(fā)帖ID、回復(fù)ID字段，即將表修 改為：用 戶 名email頁電 話聯(lián) 系 地 址發(fā) 帖 ID發(fā) 帖 標(biāo) 題發(fā) 帖 內(nèi) 容回 復(fù) ID回 復(fù) 標(biāo) 題回

10、 復(fù) 內(nèi) 容這樣數(shù)據(jù)表中的關(guān)鍵字（用戶名，發(fā)帖ID, 回復(fù)ID）能決定整行：（用戶名，發(fā)帖ID,回復(fù)ID） - （email,主頁. 電話，聯(lián)系地址，發(fā)帖標(biāo)題，發(fā)帖內(nèi)容，回復(fù)標(biāo)題，回 復(fù)內(nèi)容）但是，這樣的設(shè)計(jì)不符合第二范式，因?yàn)榇?在如下決定關(guān)系：（用戶名）一（email,主頁，電話，聯(lián)系地址）（發(fā)帖ID） 一（發(fā)帖標(biāo)題，發(fā)帖內(nèi)容）（回復(fù)ID） 一（回復(fù)標(biāo)題，回復(fù)內(nèi)容）即非關(guān)鍵字段部分函數(shù)依賴于候選關(guān)鍵字 段，很明顯，這個設(shè)計(jì)會導(dǎo)致大量的數(shù)據(jù)冗余和 操作異常。我們將數(shù)據(jù)庫表分解為（帶下劃線的為關(guān)鍵 字）：（1）用戶信息：用戶名，email,主頁， 電話，聯(lián)系地址（2）帖子信息：發(fā)帖ID ,標(biāo)題

11、，內(nèi)容（3）回復(fù)信息：回復(fù)ID,標(biāo)題，內(nèi)容(4)發(fā)貼：用戶名，發(fā)帖ID(5)回復(fù)：發(fā)帖ID ,回復(fù)ID這樣的設(shè)計(jì)是滿足第1、2、3范式和BCNF 范式要求的，但是這樣的設(shè)計(jì)是不是最好的呢？不一定。觀察可知，第4項(xiàng)發(fā)帖中的用戶名和 發(fā)帖ID之間是1: N的關(guān)系，因此我們可以把 發(fā)帖”合并到第2項(xiàng)的帖子信息”中；第5項(xiàng)” 回復(fù)中的發(fā)帖ID和回復(fù)ID之間也是1: N 的關(guān)系，因此我們可以把回復(fù)合并到第3項(xiàng)的 回復(fù)信息中。這樣可以一定量地減少數(shù)據(jù)冗 余，新的設(shè)計(jì)為：(1)用戶信息：用戶名，email,主頁，電話， 聯(lián)系地址(2)帖子信息：用戶名，發(fā)帖ID ,標(biāo)題，內(nèi)容(3)回復(fù)信息：發(fā)帖ID,回復(fù)ID

12、,標(biāo)題, 內(nèi)容數(shù)據(jù)庫表1顯然滿足所有范式的要求；數(shù)據(jù)庫表2中存在非關(guān)鍵字段標(biāo)題、內(nèi) 容對關(guān)鍵字段發(fā)帖ID”的部分函數(shù)依賴，即不 滿足第二范式的要求，但是這一設(shè)計(jì)并不會導(dǎo)致 數(shù)據(jù)冗余和操作異常；數(shù)據(jù)庫表3中也存在非關(guān)鍵字段標(biāo)題“、 內(nèi)容”對關(guān)鍵字段回復(fù)ID”的部分函數(shù)依賴，也 不滿足第二范式的要求，但是與數(shù)據(jù)庫表 2相 似，這一設(shè)計(jì)也不會導(dǎo)致數(shù)據(jù)冗余和操作異常。由此可以看出，并不一定要強(qiáng)行滿足范式的 要求，對于1: N關(guān)系，當(dāng)1的一邊合并到N的 那邊后，N的那邊就不再滿足第二范式了， 但是 這種設(shè)計(jì)反而比較好！對于M : N的關(guān)系，不能將M 一邊或N 邊合并到另一邊去，這樣會導(dǎo)致不符合范式要 求，同時導(dǎo)致操作異常和數(shù)據(jù)冗余。對于1: 1的關(guān)