数据库设计——关于范式

引言
  数据库的设计范式是数据库设计所需要满足的规范,满足这些规范的数据库是简洁的、结构明晰的,同时,不会发生插入(insert)、删除(delete)和更新(update)操作异常。反之则是乱七八糟,不仅给数据库的编程人员制造麻烦,而且面目可憎,可能存储了大量不需要的冗余信息。

  设计范式是不是很难懂呢?非也,大学教材上给我们一堆数学公式我们当然看不懂,也记不住。所以我们很多人就根本不按照范式来设计数据库。

  实质上,设计范式用很形象、很简洁的话语就能说清楚,道明白。本文将对范式进行通俗地说明,并以笔者曾经设计的一个简单论坛的数据库为例来讲解怎样将这些范式应用于实际工程。

  另外不要迷信范式,它只是一种参考,有很多情况下我们并不全部按照范式来,还是那句老话:“尽信书不如无书”。

第一范式(1NF):强调的是列的原子性,即列不能够再分成其他几列。简而言之,第一范式就是所有字段值都是不可分解的原子值。

第一范式的合理遵循需要根据系统的实际需求来定。比如某些数据库系统中需要用到“地址”这个属性,本来直接将“地址”属性设计成一个数据库表的字段就行。但是如果系统经常会访问“地址”属性中的“城市”部分,那么就非要将“地址”这个属性重新拆分为省份、城市、详细地址等多个部分进行存储,这样在对地址中某一部分操作的时候将非常方便。这样设计才算满足了数据库的第一范式,如下表所示。

上表所示的用户信息遵循了第一范式的要求,这样在对用户使用城市进行分类的时候就非常方便,也提高了数据库的性能。

第二范式(2NF):首先要满足它是1NF,另外还需要包含两部分内容:一是表必须有一个主键;

          二是没有包含在主键(主要针对联合主键而言)中的列必须完全依赖于主键,而不能只依赖于主键的一部分,即所有非关键字段都完全依赖于任意一组候选关键字。

  假定选课关系表为SelectCourse(学号, 姓名, 年龄, 课程名称, 成绩, 学分),关键字为组合关键字(学号, 课程名称),因为存在如下决定关系:

  (学号, 课程名称) → (姓名, 年龄, 成绩, 学分)

  这个数据库表不满足第二范式,因为存在如下决定关系:

  (课程名称) → (学分)

  (学号) → (姓名, 年龄)

  即存在组合关键字中的字段决定非关键字的情况。

  由于不符合2NF,这个选课关系表会存在如下问题:

  (1) 数据冗余:

  同一门课程由n个学生选修,"学分"就重复n-1次;同一个学生选修了m门课程,姓名和年龄就重复了m-1次。

  (2) 更新异常:

  若调整了某门课程的学分,数据表中所有行的"学分"值都要更新,否则会出现同一门课程学分不同的情况。

  (3) 插入异常:

  假设要开设一门新的课程,暂时还没有人选修。这样,由于还没有"学号"关键字,课程名称和学分也无法记录入数据库。

  (4) 删除异常:

  假设一批学生已经完成课程的选修,这些选修记录就应该从数据库表中删除。但是,与此同时,课程名称和学分信息也被删除了。很显然,这也会导致插入异常。 

  把选课关系表SelectCourse改为如下三个表:

  学生:Student(学号, 姓名, 年龄);

  课程:Course(课程名称, 学分);

  选课关系:SelectCourse(学号, 课程名称, 成绩)。

  这样的数据库表是符合第二范式的,消除了数据冗余、更新异常、插入异常和删除异常。

  另外,所有单关键字的数据库表都符合第二范式,因为不可能存在组合关键字。

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