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数据库设计范式深入浅出

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关系数据库设计之时是要遵守一定的规则的。尤其是数据库设计范式 现简单介绍 1NF (第一范式), 2NF (第二范式), 3NF (第三范式)和 BCNF ,另有第四范式和第五范式留到以后再介绍。 在你设计数据库之时,若能符合这几个范式,你就是数据库设计的高手。

第一范式( 1NF ): 在关系模式 R 中的每一个具体关系 r 中,如果每个属性值 都是不可再分的最小数据单位,则称 R 是第一范式的关系。例:如职工号,姓名,电话号码组成一个表(一个人可能有一个办公室电话 和一个家里电话号码) 规范成为 1NF 有三种方法:

一是重复存储职工号和姓名。这样,关键字只能是电话号码。


二是职工号为关键字,电话号码分为单位电话和住宅电话两个属性


三是职工号为关键字,但强制每条记录只能有一个电话号码。


以上三个方法,第一种方法最不可取,按实际情况选取后两种情况。

第二范式( 2NF ): 如果关系模式 R U F )中的所有非主属性都完全依赖于任意一个候选关键字,则称关系 R 是属于第二范式的。

例:选课关系 SCI SNO CNO GRADE CREDIT )其中 SNO 为学号, CNO 为课程号, GRADEGE 为成绩, CREDIT 为学分。 由以上条件,关键字为组合关键字( SNO CNO


在应用中使用以上关系模式有以下问题:


a.
数据冗余,假设同一门课由 40 个学生选修,学分就 重复 40 次。


b.
更新异常,若调整了某课程的学分,相应的元组 CREDIT 值都要更新,有可能会出现同一门课学分不同。


c.
插入异常,如计划开新课,由于没人选修,没有学号关键字,只能等有人选修才能把课程和学分存入。


d.
删除异常,若学生已经结业,从当前数据库删除选修记录。某些门课程新生尚未选修,则此门课程及学分记录无法保存。


原因:非关键字属性 CREDIT 仅函数依赖于 CNO ,也就是 CREDIT 部分依赖组合关键字( SNO CNO )而不是完全依赖。


解决方法:分成两个关系模式 SC1 SNO CNO GRADE ), C2 CNO CREDIT )。新关系包括两个关系模式,它们之间通过 SC1 中的外关键字 CNO 相联系,需要时再进行自然联接,恢复了原来的关系

第三范式( 3NF ): 如果关系模式 R U F )中的所有非主属性对任何候选关键字都不存在传递信赖,则称关系 R 是属于第三范式的。

例:如 S1 SNO SNAME DNO DNAME LOCATION 各属性分别代表学号,


姓名,所在系,系名称,系地址。


关键字 SNO 决定各个属性。由于是单个关键字,没有部分依赖的问题,肯定是 2NF 。但这关系肯定有大量的冗余,有关学生所在的几个属性 DNO DNAME LOCATION 将重复存储,插入,删除和修改时也将产生类似以上例的情况。


原因:关系中存在传递依赖造成的。即 SNO -> DNO DNO -> SNO 却不存在, DNO -> LOCATION, 因此关键辽 SNO LOCATION 函数决定是通过传递依赖 SNO -> LOCATION 实现的。也就是说, SNO 不直接决定非主属性 LOCATION


解决目地:每个关系模式中不能留有传递依赖。


解决方法:分为两个关系 S SNO SNAME DNO ), D DNO DNAME LOCATION


注意:关系 S 中不能没有外关键字 DNO 。否则两个关系之间失去联系。

BCNF :如果关系模式 R U F )的所有属性(包括主属性和非主属性)都不传递依赖于 R 的任何候选关键字,那么称关系 R 是属于 BCNF 的。或是关系模式 R ,如果每个决定因素都包含关键字(而不是被关键字所包含),则 RCNF 的关系模式。

例:配件管理关系模式 WPE WNO PNO ENO QNT )分别表仓库号,配件号,职工号,数量。有以下条件


a.
一个仓库有多个职工。


b.
一个职工仅在一个仓库工作。


c.
每个仓库里一种型号的配件由专人负责,但一个人可以管理几种配件。


d.
同一种型号的配件可以分放在几个仓库中。


分析:由以上得 PNO 不能确定 QNT ,由组合属性( WNO PNO )来决定,存在函数依赖( WNO PNO -> ENO 。由于每个仓库里的一种配件由专人负责,而一个人可以管理几种配件,所以有组合属性( WNO PNO )才能确定负责人,有( WNO PNO -> ENO 。因为 一个职工仅在一个仓库工作,有 ENO -> WNO 。由于每个仓库里的一种配件由专人负责,而一个职工仅在一个仓库工作,有 ENO PNO -> QNT


找一下候选关键字,因为( WNO PNO -> QNT ,( WNO PNO -> ENO ,因此 WNO PNO )可以决定整个元组,是一个候选关键字。根据 ENO->WNO ,( ENO PNO ->QNT ,故( ENO PNO )也能决定整个元组,为另一个候选关键字。属性 ENO WNO PNO 均为主属性,只有一个非主属性 QNT 。它对任何一个候选关键字都是完全函数依赖的,并且是直接依赖,所以该关系模式是 3NF


分析一下主属性。因为 ENO->WNO ,主属性 ENO WNO 的决定因素,但是它本身不是关键字,只是组合关键字的一部分。这就造成主属性 WNO 对另外一个候选关键字( ENO PNO )的部 分依赖,因为( ENO PNO -> ENO 但反过来不成立,而 P->WNO ,故( ENO PNO -> WNO 也是传递依赖。


虽然没有非主属性对候选关键辽的传递依赖,但存在主属性对候选关键字的传递依赖,同样也会带来麻烦。如一个新职工分配到仓库工作,但暂时处于实习阶段,没有独立负责对某些配件的管理任务。由于缺少关键字的一部分 PNO 而无法插入到该关系中去。又如某个人改成不管配件了去负责安全,则在删除配件的同时该职工也会被删除。


解决办法:分成管理 EP ENO PNO QNT ),关键字是( ENO PNO )工作 EW ENO WNO )其关键字是
ENO

缺点:分解后函数依赖的保持性较差。如此例中,由于分解 , 函数依赖( WNO PNO -> ENO 丢失了 , 因而对原来的语义有所破坏。没有体现出每个仓库里一种部件由专人负责。有可能出现 一部件由两个人或两个以上的人来同时管理。因此,分解之后的关系模式降低了部分完整性约束。

一个关系分解成多个关系,要使得分解有意义,起码的要求是分解后不丢失原来的信息。这些信息不仅包括数据本身,而且包括由函数依赖所表示的数据之间的相互制约。进行分解的目标是达到更高一级的规范化程度,但是分解的同时必须考虑两个问题:无损联接性和保持函数依赖。有时往往不可能做到既有无损联接性,又完全保持函数依赖。需要根据需要进行权衡。

1NF 直到 BCNF 的四种范式之间有如下关系:

BCNF
包含了 3NF 包含 2NF 包含 1NF

小结:

目地:规范化目的是使结构更合理,消除存储异常,使数据冗余尽量小,便于插入、删除和更新


原则:遵从概念单一化 " 一事一地 " 原则,即一个关系模式描述一个实体或实体间的一种联系。规范的实质就是概念的单一化。


方法:将关系模式投影分解成两个或两个以上的关系模式。


要求:分解后的关系模式集合应当与原关系模式 " 等价 " ,即经过自然联接可以恢复原关系而不丢失信息,并保持属性间合理的联系。

注意:一个关系模式结这分解可以得到不同关系模式集合,也就是说分解方法不是唯一的。最小冗余的要求必须以分解后的数据库能够表达原来数据库所有信息为前提来实现。其根本目标是节省存储空间,避免数据不一致性,提高对关系的操作效率,同时满足应用需求。实际上,并不一定要求全部模式都达到 BCNF 不可。有时故意保留部分冗余可能更方便数据查询。尤其对于那些更新频度不高,查询频度极高的数据库系统更是如此。

在关系数据库中,除了函数依赖之外还有多值依赖,联接依赖的问题,从而提出了第四范式,第五范式等更高一级的规范化要求。在此,以后再谈。

各位朋友,你看过后有何感想,其实,任何一本数据库基础理论的书都会讲这些东西,考虑到很多网友是半途出家,来做数据库。特找一本书大抄特抄一把,各位有什么问题,也别问我了,自已去找一本关系数据库理论的书去看吧,说不定,对各位大有帮助。说是说以上是基础理论的东西,请大家想想,你在做数据库设计的时候有没有考虑过遵过以上几个范式呢,有没有在数据库设计做得不好之时,想一想,对比以上所讲,到底是违反了第几个范式呢?

我见过的数据库设计,很少有人做到很符合以上几个范式的,一般说来,第一范式大家都可以遵守,完全遵守第二第三范式的人很少了,遵守的人一定就是设计数据库的高手了, BCNF 的范式出现机会较少,而且会破坏完整性,你可以在做设计之时不考虑它,当然在 ORACLE 中可通过触发器解决其缺点。以后我们共同做设计之时,也希望大家遵守以上几个范式。  

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构成键码(或候选码)的属性称为主属性 ,而其它属性称为非主属性

 

  1.       函数依赖定义

    设:R(U) 是属性集U 上的关系模式,XY U 。如果对于R(U) 的任意一个关系r ,以及r 的任意两个元组t1t2 ,不存在:t1[x]=t2[x] ,而t1[Y]≠t2[Y] ,则称X 函数决定Y ,或者说Y 函数依赖于X 。记为:X→Y

1 “X→Y” 必须对RU )的任何一个关系实例都成立。

2 )若X→Y Y→X ,则记作X←→Y 。若Y 不函数依赖X ,则记作X Y

3 )函数依赖是现实世界数据关联的表现形式。

 

2.       完全函数依赖与部分函数依赖

1) 定义完全函数依赖:在R(U) 中,如果X→Y ,且对X 的任何一个真子集X’ ,都有X’ Y ,则称YX 完全函数依赖,记作: )

2) 定义部份函数依赖:在R(U) 中,如果X→Y, Y 不完全函数依赖X ,则称YX 部份函数依赖,记作

3.       传递函数依赖定义:

    R(U) 中,如果X→YY X Y X ),Y→Z ,则称Z 传递函数依赖于X ,记为X t Z

 

4.       数据库中的范式:

    关系数据库的任意一个关系,需要满足一定的数据依赖约束。满足不同程度数据依赖约束的关系,称为不同范式的关系。

 

第一范式:

    关系模式的各属性域是 原子

第二范式:

    R 是一个关系模式。若R∈1NF ,且每一个非主属性完全函数依赖于码,则R∈2NF

第三范式:

    如果关系模式RUF )是2NF 的,且不存在键码X 、属性组Y 以及非主属性Z ,使得X→Y Y→Z 成立,则R∈3NF ,换句话说就是若R∈3NF ,则R 中不存在非主属性对码的传递函数依赖。

 

BCNF

    关系模式R1NF 。如果对于R 的每一个函数依赖XYY X ),X 都含有键码(即X 是超码),那么RBCNF

   

第四范式:

    设关系模式R 1NF 。若对于R 的每个非平凡多值依赖X →→YY X ),X 都含有键码,则R 4NF

 

5.       几个问题的总结:

a)   第二范式与BCNF 的区别:

       第二范式只要求非主属性对码的完全依赖,而BCNF 还要求主属性对不包   含它的键码的完全依赖。

b)   第三范式与BCNF 的区别:

       第三范式没有像BCNF 那么严格,它只要求主属性对不包含它的键码的部    分依赖。

c)   第三范式的定义(来自《数据库系统基础教程》)是若在关系R 中存在非平凡的FD  且要么是{ } 是超键,要么B 属于某个键,怎么能推出R 中不存在非主属性对码的传递函数依赖?

    首先键码不能决定键码,由定义可以看出,当B 是非主属性,一定由其中一个键码决定,所以不会有对码的传递依赖。

      

6.       规范化目的:

    减小关系模式因规范化程度过低带来的数据冗余,克服修改、删除的异常,

“模式分解”是规范化的实现途径,但数据库设计实践中不能过分追求规范化程度

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