数据库设计中范式的详解

Randy · October 8, 2023, 7:34am

数据库范式是一组规则，用于设计关系数据库，以减少数据冗余并确保数据的一致性和完整性。数据库设计师使用范式来规范化数据库模式，以便在不引入不必要的复杂性的情况下存储和管理数据。在关系数据库中，通常有六个范式，从第一范式（1NF）到第六范式（6NF）。下面对每个范式进行详细解释：

第一范式要求表格中的每个列（字段）包含原子值，即每个列中的数据不能再分解为更小的数据单元。这意味着每个表格中的每个单元格应该包含一个单一的值，而不是多个值或复杂的数据结构。

示例:
考虑一个包含学生信息的表格。以下是不满足1NF的示例：

学生ID	姓名	课程
1	王小明, 李丽丽	数学, 物理
2	张三	化学

上述表格中的"姓名"和"课程"列包含多个值，不符合1NF。为了符合1NF，应该将其分解为多个行：

第二范式要求表格满足1NF，并且非主键列（字段）完全依赖于主键。也就是说，每个非主键列的值都取决于主键，而不依赖于主键之外的其他列。

示例:
考虑一个订单表格，其中包含订单号（主键）、产品ID和产品描述。以下是不满足2NF的示例：

在上述表格中，“产品描述"依赖于"产品ID”，而不仅仅依赖于"订单号"。为了符合2NF，应该将产品描述移到一个独立的表格，并使用"产品ID"作为主键。

第三范式要求表格满足2NF，并且不存在传递依赖。传递依赖是指非主键列依赖于其他非主键列的情况。

示例:
考虑一个员工表格，其中包含员工号（主键）、员工姓名、员工部门和部门经理。以下是不满足3NF的示例：

员工号	姓名	部门	部门经理
101	张三	人事部	王五
102	李四	财务部	王五

在上述表格中，“部门经理"依赖于"部门”，而"部门"又依赖于"员工号"。这是传递依赖关系。为了符合3NF，可以将"部门"和"部门经理"移到独立的表格中，并使用部门作为主键。

除了1NF、2NF和3NF，还有更高级别的数据库范式，它们在设计数据库时提供了更严格的规范和约束。以下是其他范式的解释：

第四范式要求表格满足3NF，并且没有多值依赖。多值依赖是指一个非主键列的值依赖于主键，但不依赖于其他非主键列。为了符合4NF，您需要将具有多值依赖关系的列拆分为独立的表格。

示例:
考虑一个图书和作者的数据库，其中包含图书ID（主键）、图书标题、作者和作者的多个联系方式。以下是不满足4NF的示例：

图书ID	图书标题	作者	联系方式
1	“数据库设计”	作者A	邮箱1, 电话1
2	“编程入门”	作者B	邮箱2, 电话2

在上述表格中，联系方式依赖于作者，但不依赖于图书ID。为了符合4NF，可以创建一个独立的"作者联系方式"表格，将作者和其联系方式关联起来。

第五范式要求表格满足4NF，并且没有联合依赖或部分依赖。联合依赖是指一个非主键列的值依赖于主键以及其他非主键列的组合，而部分依赖是指一个非主键列的值依赖于主键的一部分。

示例:
考虑一个包含部门、项目和员工的数据库，其中包含部门号（主键）、项目号（主键）和员工。以下是不满足5NF的示例：

在上述表格中，员工依赖于部门号和项目号的组合，而不是独立的主键。为了符合5NF，应该将员工与部门号和项目号分离，以独立表示员工分配。

第六范式是最高级别的范式，要求表格满足5NF，并且没有依赖于外部源或其他表格的依赖关系。这意味着表格中的每个数据都是自包含的，不依赖于其他表格或外部数据源。

示例:
考虑一个包含国家、城市和气候数据的数据库，其中包含国家名（主键）、城市名（主键）和气候信息。以下是不满足6NF的示例：

国家名	城市名	气候信息
美国	纽约	气温、湿度
美国	洛杉矶	气温、湿度

在上述表格中，气候信息依赖于国家名和城市名的组合。为了符合6NF，应该将气候信息从该表格中分离出来，可能使用外部数据源来获取气候信息。

需要注意的是，高级别的范式通常在特定情况下才适用，而且会增加数据库设计的复杂性。在实际数据库设计中，通常会根据特定的业务需求和性能考虑来选择适当的范式级别。理解这些范式可以帮助数据库设计师更好地规范化数据库模式，以确保数据的一致性和完整性。