如何深刻理解关系型数据库的三大范式

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数据库范式

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1、什么是数据库范式

设计关系数据库时，听从不一样的规范要求，设计出合理的关系型数据库，这些不一样的规范要求被称为不一样的范式，各类范式呈递次规范，越高的范式数据库冗余越小。

范式来自英文Normal form，简称NF。要想设计—个好的关系，必须使关系知足必定的约束条件，此约束已经造成了规范，分红几个等级，一级比一级要求得严格。知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)操做异常。

2、数据库范式分类

目前关系数据库有六种范式：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、巴斯-科德范式（BCNF）、第四范式(4NF）和第五范式（5NF，又称完美范式）。知足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基础上进一步知足更多规范要求的称为第二范式（2NF），其他范式以次类推。通常来讲，数据库只需知足第三范式(3NF）就好了。

3、数据库三大范式剖析

3.1 第一范式（1NF）

第一范式强调每一列都是不可分割的原子数据项。

说到原子这个词，确定有小伙伴就先到了原子性问题，其实这么想也是没有错的。那就让我带大家去剖析一下第一范式。

首先，我用Excel表格模拟数据库中的表，并在表中填入了一些数据。以下：

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当你看到这些数据的时候，是否有些数据让你感到不适？个人答案，是的。当我看到系名/系主任这一列数据的时候感受这并不合符咱们数据库的设计理念，由于它彻底能够拆分为两个列的。其实每个人的思想中的已经有了这个范式要求的概念，只是你并不知道这个概念叫作第一范式。

若是有的小伙伴说，这些数据都让感到不适，那我就在这里夸上你一句，你很聪明。可是请你跟紧个人思路，我会一步一步的将数据落实到范式中！

表1显然不遵循第一范式，那咱们就把它修改一下，让其遵循第一范式的要求。

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将系名/系主任的列拆分红了两个列系名和系主任后，很明显改数据已经遵循的第一范式的要求。再来看看这张表2，聪明的你是否是第一眼又发现了问题呢？

存在的问题：

• 存在很是严重的数据冗余，姓名、系名、系主任
• 添加数据问题：当在数据表中添加一个新系和系主任时，好比：在数据表中添加高主任管理化学系。你会发现添加以后，在一个数据表中就会多出来了高主任和化学系，而这两个数据并无对应哪一个学生，显然这时不合法的数据。
• 删除数据问题：若是Jack同窗毕业多年了，咱们数据表中没有必要在留Jack相关的数据了，就会想到把Jack相关的删除掉。当你在表2的表结构中删除了Jack相关数据，你会发现整个刘主任和管理系以及会计和酒店管理都消失了，难道数据表中没有这些数据就证实这个学校没有它们吗？显然这更加离谱了！

了解了只遵循第一范式带来的麻烦，咱们就须要去看一下第二范式是怎么定义的，是否能解决第一范式留下来的问题！

3.2 第二范式（2NF）

第二范式在1NF的基础上，非属性码的属性必须彻底依赖于主码。（在1NF基础上消除非属性码的属性对主码的部分函数依赖）

看到第二范式的概念，如今你应该是一个不懂的状态。那让我带你了解几个概念吧，这样你就会懂了！

函数依赖（彻底、部分、传递）

函数依赖： A - > B，若是经过A属性（或属性组）的值能够肯定惟一B属性的值，则能够成为B依赖于A（- >符号是肯定关系）。例如：能够经过学号来肯定姓名，能够经过学号和课程来肯定该课程的分数等等

• 彻底函数依赖： A - > B，若是A是一个属性组，则B属性的肯定须要依赖A属性组中的全部属性值。例如：分数的肯定须要依赖于学号和课程，而学号和课程能够称为一个属性组。若是有学号没有课程，咱们只知道是谁的分数，而不知道是那一学科的分数。若是有课程没有学号，那咱们只知道是哪个学科的分数，而不知道是谁的分数。因此该属性组的两个值是必不可少的。这就是彻底函数依赖。
• 部分函数依赖： A - > B，若是A是一个属性组，则B属性的肯定须要依赖A属性组中的部分属性值。例如：若是一个属性组中有两个属性值，它们分别是学号和课程名称。那姓名的肯定只依赖这个属性组中的学号，于课程名称无关。简单来讲，依赖于属性组的中部分红员便可成为部分函数依赖。
• 传递函数依赖： A - > B - > C，传递函数依赖就是一个依赖的传递关系。经过肯定A来肯定B，肯定了B以后，也就能够肯定C，三者的依赖关系就是C依赖于B，B依赖于A。例如：咱们能够经过学号来肯定这位学生所在的系部，再经过系部来肯定系主任是谁。而这个三者的依赖关系就是一种传递函数依赖。

候选码、主属性码与非属性码

• 码： 若是在一张表中，一个属性或属性组，被其余全部属性所彻底函数依赖 ，则称这个属性（或属性组）为该表的候选码，简称码。然而码又分为主属性码和非属性码。例如：分数的肯定没有学号和课程是不行的，因此分数彻底函数依赖于课程和学号。
• 主属性码： 主属性码也叫主码，即在全部候选码挑选一个作主码，这里至关因而主键。例如：分数彻底函数依赖于课程和学号。该码属性组中的值就有课程、学号和分数，因此咱们要在三个候选码中，挑选一个作主码，那就能够挑选学号。
• 非属性码： 除主码属性组之外的属性，叫作非属性码。例如：在分数彻底函数依赖于课程和学号时，其中学号已经让咱们选为主码。那么咱们就能够肯定，除了学号之外的属性值，其余的属性值都是非属性码。也就是说在这个彻底函数依赖关系中，课程和分数是非属性码。

当咱们了解这些概念后，回过头来再看2NF的概念：在1NF的基础上，非属性码的属性必须彻底依赖于主码（在1NF基础上消除非属性码的属性对主码的部分函数依赖）

咱们还使用分数彻底函数依赖于学号和课程这个函数依赖关系。此关系中非属性码为：课程和分数，主码为学号。梳理清楚关系后，遵循在1NF基础上，非属性码的属性必须彻底依赖于主码的第二范式。就须要继续修改表结构了。遵循1NF和2NF的表结构以下：

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正如你所看到的，咱们把表2根据1NF和2NF拆分红了表3和表4。这时候你再看表3，表3中的分数就彻底函数依赖于表3中的学号和课程。表4中也挑选学号作主码。虽然解决了数据冗余问题，可是仅仅这样仍是不够的，上述问题中其余的两个问题并无获得解决！

存在的问题：

• 数据删除问题
• 数据添加问题

注意： 在第二范式中存在的这两个问题，就是在第一范式中存在问题的其中两个并无获得解决。

既然第一范式和第二范式都没有解决这两个问题，那第三范式帮你解决！

3.3 第三范式（3NF）

第三范式在2NF基础上，消除传递依赖。

说到传递依赖，那咱们的数据表中还有哪些传递依赖呢？这时候你会发现表4中含有传递依赖的。表4中的传递依赖关系为：姓名 - > 系名 - > 系主任。该传递依赖关系为系主任传递依赖于姓名。再根据此传递依赖关系分析咱们添加和删除问题就漏洞百出了。消除传递依赖的办法仍是将表4进行拆分。拆分后的表结构以下：

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当咱们把表4拆分红表5和表6时，你再来分析添加和删除问题就会有不同的结果。假设在数据表中添加高主任管理的化学系时，该数据只会添加到表6中，不会发生传递依赖而影响其余数据。那假设Jack同窗毕业了，要将Jack同窗的相关数据从表中删除，这时咱们须要删除表6中的学号3数据和表3中的学号3数据便可，它们也没有传递依赖关系，一样不会影响到其余数据。

4、范式的表设计

在这里我详细讲解了数据库的三大范式，为何通常咱们只研究三大范式而不去延申至六大范式呢？在上面数据库范式概念的时候，我也有讲过。这里我还须要强调一下！

数据库六大范式，一级比一级要求得严格。各类范式呈递次规范，越高的范式数据库冗余越小。范式便是对数据库表设计的约束，约束越多，表设计就越复杂。表数据过于复杂，对于咱们后期对数据库表的维护以及扩展、删除、备份等种种操做带来了必定的难度。因此，在实际开发中咱们只须要遵循数据库前面的三大范式便可，不须要额外延申扩展。

注意： 在剖析三大范式的时候，最终版本的表结构就是表3 + 表5 + 表6。我须要在这里说明一个问题，其实这样设计表是能够的，但并非很合理。由于咱们在建表的时候是有主键和外键约束的。这三张表中，第一列的表默认为主键，其中主键为学号还能够接收，若是主键为系名那就占用的空间变大了。在表的级联查询中会损耗性能。因此，通常咱们在设计表的时候，是须要主外键约束的，而其主外键基本是都是占用内容空间很小的数字。当你的表结构和需求知足主键递增时，则能够经过设置auto_increment参数来完成！

这里若是不了解MySQL主外键约束的小伙伴，能够参考此文章MySQL基础来查补缺漏知识点。