數據庫設計的三大范式、BCNF、4NF

 　　一、理解數據庫的范式需要理解幾個基本概念：

　　碼：表中可以唯一確定一個元組的某個屬性(或者屬性組)，如果這樣的碼有不止一個，那麼大家都叫候選碼，我們從候選碼中挑一個出來做老大，它就叫主碼。相當於鍵值的意思。 主屬性：一個屬性只要在任何一個候選碼中出現過，這個屬性就是主屬性。 非主屬性：與上面相反，沒有在任何候選碼中出現過，這個屬性就是非主屬性。 外碼：一個屬性(或屬性組)，它不是碼，但是它別的表的碼，它就是外碼。

　　二、范式詳解

　　為了建立冗余較小、結構合理的數據庫，設計數據庫時必須遵循一定的規則。在關系型數據庫中這種規則就稱為范式。范式是符合某一種設計要求的總結。要想設計一個結構合理的關系型數據庫，必須滿足一定的范式。

　　在實際開發中最為常見的設計范式有三個：

　　1.第一范式(確保每列保持原子性)

　　第一范式是最基本的范式。如果數據庫表中的所有字段值都是不可分解的原子值，就說明該數據庫表滿足了第一范式。

　　第一范式的合理遵循需要根據系統的實際需求來定。比如某些數據庫系統中需要用到“地址”這個屬性，本來直接將“地址”屬性設計成一個數據庫表的字段就行。但是如果系統經常會訪問“地址”屬性中的“城市”部分，那麼就非要將“地址”這個屬性重新拆分為省份、城市、詳細地址等多個部分進行存儲，這樣在對地址中某一部分操作的時候將非常方便。這樣設計才算滿足了數據庫的第一范式，如下表所示。

　　上表所示的用戶信息遵循了第一范式的要求，這樣在對用戶使用城市進行分類的時候就非常方便，也提高了數據庫的性能。

　　2.第二范式(確保表中的每列都和主鍵相關)

　　第二范式在第一范式的基礎之上更進一層。第二范式需要確保數據庫表中的每一列都和主鍵相關，而不能只與主鍵的某一部分相關(主要針對聯合主鍵而言)。也就是說在一個數據庫表中，一個表中只能保存一種數據，不可以把多種數據保存在同一張數據庫表中。

　　比如要設計一個訂單信息表，因為訂單中可能會有多種商品，所以要將訂單編號和商品編號作為數據庫表的聯合主鍵，如下表所示。

　　訂單信息表

　　這樣就產生一個問題：這個表中是以訂單編號和商品編號作為聯合主鍵。這樣在該表中商品名稱、單位、商品價格等信息不與該表的主鍵相關，而僅僅是與商品編號相關。所以在這裡違反了第二范式的設計原則。

　　而如果把這個訂單信息表進行拆分，把商品信息分離到另一個表中，把訂單項目表也分離到另一個表中，就非常完美了。如下所示。

　　這樣設計，在很大程度上減小了數據庫的冗余。如果要獲取訂單的商品信息，使用商品編號到商品信息表中查詢即可。

　　3.第三范式(確保每列都和主鍵列直接相關,而不是間接相關)

　　第三范式需要確保數據表中的每一列數據都和主鍵直接相關，而不能間接相關。

　　比如在設計一個訂單數據表的時候，可以將客戶編號作為一個外鍵和訂單表建立相應的關系。而不可以在訂單表中添加關於客戶其它信息(比如姓名、所屬公司等)的字段。如下面這兩個表所示的設計就是一個滿足第三范式的數據庫表。

　　這樣在查詢訂單信息的時候，就可以使用客戶編號來引用客戶信息表中的記錄，也不必在訂單信息表中多次輸入客戶信息的內容，減小了數據冗余。

　　4、BCNF范式

　　鮑依斯-科得范式(BCNF是3NF的改進形式)

　　一個滿足BCNF的關系模式的條件:

　　1.所有非主屬性對每一個碼都是完全函數依賴。

　　2.所有的主屬性對每一個不包含它的碼,也是完全函數依賴。

　　3.沒有任何屬性完全函數依賴於非碼的任何一組屬性。

　　假設倉庫管理關系表為StorehouseManage(倉庫ID, 存儲物品ID, 管理員ID, 數量)，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。這個數據庫表中存在如下決定關系：

　　(倉庫ID, 存儲物品ID) →(管理員ID, 數量)

　　(管理員ID, 存儲物品ID) → (倉庫ID, 數量)

　　所以，(倉庫ID, 存儲物品ID)和(管理員ID, 存儲物品ID)都是StorehouseManage的候選關鍵字，表中的唯一非關鍵字段為數量，它是符合第三范式的。但是，由於存在如下決定關系：

　　(倉庫ID) → (管理員ID)

　　(管理員ID) → (倉庫ID)

　　即存在關鍵字段決定關鍵字段的情況，所以其不符合BCNF范式。

　　把倉庫管理關系表分解為二個關系表：

　　倉庫管理：StorehouseManage(倉庫ID, 管理員ID);

　　倉庫：Storehouse(倉庫ID, 存儲物品ID, 數量)。

　　這樣的數據庫表是符合BCNF范式的。

　　5、4NF

　　4NF就是限制關系模式的屬性之間不允許有非平凡且非函數依賴的多值依賴。因為根據定義，對於每一個非平凡的多值依賴X→→Y，X都含有候選碼，於是就有X→Y，所以4NF所允許的非平凡的多值依賴實際上是函數依賴。

　　這裡解決幾個概念：

　　函數依賴簡單點說就是：某個屬性集決定另一個屬性集時，稱另一屬性集依賴於該屬性集。

　　(1)數據依賴 在計算機科學中，數據依賴是指一種狀態，當程序結構導致數據引用之前處理過的數據時的狀態。其中最重要的是函數依賴和多值依賴。 (2)函數依賴 設X,Y是關系R的兩個屬性集合，當任何時刻R中的任意兩個元組中的X屬性值相同時，則它們的Y屬性值也相同，則稱X函數決定Y，或Y函數依賴於X。 (3)平凡函數依賴 當關系中屬性集合Y是屬性集合X的子集時(Y?X)，存在函數依賴X→Y，即一組屬性函數決定它的所有子集，這種函數依賴稱為平凡函數依賴。 (4)非平凡函數依賴 當關系中屬性集合Y不是屬性集合X的子集時，存在函數依賴X→Y，則稱這種函數依賴為非平凡函數依賴。 (5)完全函數依賴 設X,Y是關系R的兩個屬性集合，X’是X的真子集，存在X→Y，但對每一個X’都有X’!→Y，則稱Y完全函數依賴於X。 (6)部分函數依賴 設X,Y是關系R的兩個屬性集合，存在X→Y，若X’是X的真子集，存在X’→Y，則稱Y部分函數依賴於X。 (7)傳遞函數依賴 設X,Y,Z是關系R中互不相同的屬性集合，存在X→Y(Y !→X),Y→Z，則稱Z傳遞函數依賴於X。 (8)多值依賴 設R(U)是屬性集U上的一個關系模式。X，Y，Z是U的子集,並且Z=U-X-Y。關系模式R(U)中多值依賴X→→Y成立，當且僅當對R(U)的任一關系r,給定的一對(x，z)值有一組Y的值，這組值僅僅決定於x值而與z值無關。 平凡的多值依賴與非平凡的多值依賴： 若X→→Y,而Z為空集，則稱X→→Y為平凡的多值依賴;若Z不為空，則稱其為非平凡的多值依賴。