數(shù)據(jù)庫設計三大范式應用實例剖析

1、數(shù)據(jù)庫設計三大范式應用實例剖析數(shù)據(jù)庫設計三大范式應用實例剖析 引言數(shù)據(jù)庫的設計范式是數(shù)據(jù)庫設計所需要滿 足的規(guī)范，滿足這些規(guī)范的數(shù)據(jù)庫是簡潔的、 結 構明晰的，同時，不會發(fā)生插入(insert)、刪除 (delete)和更新(update)操作異常。反之則 是亂七八糟，不僅給數(shù)據(jù)庫的編程人員制造麻 煩，而且面目可憎，可能存儲了大量不需要的冗 余信息。設計范式是不是很難懂呢？非也，大學教材 上給我們一堆數(shù)學公式我們當然看不懂，也記不 住。所以我們很多人就根本不按照范式來設計數(shù) 據(jù)庫。實質上，設計范式用很形象、很簡潔的話語 就能說清楚，道明白。本文將對范式進行通俗地 說明，并以筆者曾經(jīng)設計的一個簡

2、單論壇的數(shù)據(jù) 庫為例來講解怎樣將這些范式應用于實際工程。范式說明第一范式(1NF):數(shù)據(jù)庫表中的字段都是 單一屬性的，不可再分。這個單一屬性由基本類 型構成，包括整型、實數(shù)、字符型、邏輯型、日 期型等。例如，如下的數(shù)據(jù)庫表是符合第一范式的:字段1字段2字段3字段4而這樣的數(shù)據(jù)庫表是不符合第一范式的:字段1字段2字段3字段4字段3.1字段3.2很顯然，在當前的任何關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) (DBMS)中，傻瓜也不可能做出不符合第一范 式的數(shù)據(jù)庫，因為這些 DBMS不允許你把數(shù)據(jù) 庫表的一列再分成二列或多列。 因此，你想在現(xiàn) 有的DBMS中設計出不符合第一范式的數(shù)據(jù)庫 都是不可能的。第二范式（2NF）:

3、數(shù)據(jù)庫表中不存在非關 鍵字段對任一候選關鍵字段的部分函數(shù)依賴（部 分函數(shù)依賴指的是存在組合關鍵字中的某些字 段決定非關鍵字段的情況），也即所有非關鍵字 段都完全依賴于任意一組候選關鍵字。假定選課關系表為 SelectCourse（學號,姓 名，年齡，課程名稱，成績，學分），關鍵字為組 合關鍵字（學號，課程名稱），因為存在如下決定 關系：（學號，課程名稱）一（姓名，年齡，成績, 學分）這個數(shù)據(jù)庫表不滿足第二范式，因為存在如 下決定關系：（課程名稱）一（學分）(學號)一(姓名，年齡)即存在組合關鍵字中的字段決定非關鍵字 的情況。由于不符合2NF,這個選課關系表會存在如 下問題：(1)數(shù)據(jù)冗余：同一

4、門課程由n個學生選修，學分就重復 n-1次；同一個學生選修了 m門課程，姓名和年 齡就重復了 m-1次。(2)更新異常：若調整了某門課程的學分，數(shù)據(jù)表中所有行 的學分值都要更新，否則會出現(xiàn)同一門課程學 分不同的情況。(3)插入異常:假設要開設一門新的課程，暫時還沒有人選 修。這樣，由于還沒有“學號關鍵字，課程名稱 和學分也無法記錄入數(shù)據(jù)庫。（4）刪除異常：假設一批學生已經(jīng)完成課程的選修， 這些選 修記錄就應該從數(shù)據(jù)庫表中刪除。但是，與此同 時，課程名稱和學分信息也被刪除了。很顯然， 這也會導致插入異常。把選課關系表SelectCourse改為如下三個 表：學生：Student（學號，姓名，年齡

5、）；課程：Course（課程名稱，學分）；選課關系：SelectCourse（學號，課程名稱 成績）。這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合第二范式的，消除了數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常另外，所有單關鍵字的數(shù)據(jù)庫表都符合第二 范式，因為不可能存在組合關鍵字。第三范式（3NF）:在第二范式的基礎上， 數(shù)據(jù)表中如果不存在非關鍵字段對任一候選關 鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。所謂傳 遞函數(shù)依賴，指的是如果存在 A - B - C 的決定關系，則C傳遞函數(shù)依賴于A。因此， 滿足第三范式的數(shù)據(jù)庫表應該不存在如下依賴 關系：關鍵字段一非關鍵字段x -非關鍵字段 y假定學生關系表為 Student（學號，姓名

6、，年 齡，所在學院，學院地點，學院電話），關鍵字為 單一關鍵字學號，因為存在如下決定關系：（學號）一（姓名，年齡，所在學院，學院地 點，學院電話）這個數(shù)據(jù)庫是符合2NF的，但是不符合3NF, 因為存在如下決定關系：（學號）一（所在學院）一（學院地點，學院 電話）即存在非關鍵字段學院地點、學院電話 對關鍵字段學號的傳遞函數(shù)依賴。它也會存在數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常 和刪除異常的情況，讀者可自行分析得知。把學生關系表分為如下兩個表：學生：（學號，姓名，年齡，所在學院）；學院：（學院，地點，電話）。這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合第三范式的，消除了 數(shù)據(jù)冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。鮑依斯-科得范式（B

7、CNF）:在第三范式的 基礎上，數(shù)據(jù)庫表中如果不存在任何字段對任一 候選關鍵字段的傳遞函數(shù)依賴則符合第三范式。假設倉庫管理關系表為 StorehouseManage（倉庫ID,存儲物品ID,管理 員ID,數(shù)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(shù)據(jù)庫表 中存在如下決定關系：（倉庫ID,存儲物品ID） 一（管理員ID,數(shù) 量）（管理員ID,存儲物品ID） 一（倉庫ID,數(shù) 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(shù)量，它是符合 第三范式的。但是，由于存在如下決定

8、關系：（倉庫ID） 一（管理員ID）(管理員ID)一(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。它會出現(xiàn)如下異常情況：(1)刪除異常：當倉庫被清空后，所有存儲物品ID和 數(shù)量信息被刪除的同時，倉庫ID和管理員 ID信息也被刪除了。(2)插入異常：當倉庫沒有存儲任何物品時，無法給倉庫分 配管理員。(3)更新異常：如果倉庫換了管理員，則表中所有行的管理員ID都要修改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(shù) 量)。這樣的數(shù)據(jù)庫表是符合 BCNF范式的，消

9、 除了刪除異常、插入異常和更新異常。范式應用我們來逐步搞定一個論壇的數(shù)據(jù)庫，有如下 信息：(1)用戶：用戶名，email,主頁，電話， 聯(lián)系地址(2)帖子：發(fā)帖標題，發(fā)帖內(nèi)容，回復標 題，回復內(nèi)容第一次我們將數(shù)據(jù)庫設計為僅僅存在表：用 戶 名email主 頁電 話聯(lián)系 地址發(fā)帖 標題發(fā)帖 內(nèi)容回復 標題回復 內(nèi)容這個數(shù)據(jù)庫表符合第一范式，但是沒有任何 一組候選關鍵字能決定數(shù)據(jù)庫表的整行，唯一的 關鍵字段用戶名也不能完全決定整個元組。我們 需要增加發(fā)帖ID、回復ID字段，即將表修 改為：用 戶 名email頁電 話聯(lián) 系 地 址發(fā) 帖 ID發(fā) 帖 標 題發(fā) 帖 內(nèi) 容回 復 ID回 復 標 題回

10、 復 內(nèi) 容這樣數(shù)據(jù)表中的關鍵字（用戶名，發(fā)帖ID, 回復ID）能決定整行：（用戶名，發(fā)帖ID,回復ID） - （email,主頁. 電話，聯(lián)系地址，發(fā)帖標題，發(fā)帖內(nèi)容，回復標題，回 復內(nèi)容）但是，這樣的設計不符合第二范式，因為存 在如下決定關系：（用戶名）一（email,主頁，電話，聯(lián)系地址）（發(fā)帖ID） 一（發(fā)帖標題，發(fā)帖內(nèi)容）（回復ID） 一（回復標題，回復內(nèi)容）即非關鍵字段部分函數(shù)依賴于候選關鍵字 段，很明顯，這個設計會導致大量的數(shù)據(jù)冗余和 操作異常。我們將數(shù)據(jù)庫表分解為（帶下劃線的為關鍵 字）：（1）用戶信息：用戶名，email,主頁， 電話，聯(lián)系地址（2）帖子信息：發(fā)帖ID ,標題

11、，內(nèi)容（3）回復信息：回復ID,標題，內(nèi)容(4)發(fā)貼：用戶名，發(fā)帖ID(5)回復：發(fā)帖ID ,回復ID這樣的設計是滿足第1、2、3范式和BCNF 范式要求的，但是這樣的設計是不是最好的呢？不一定。觀察可知，第4項發(fā)帖中的用戶名和 發(fā)帖ID之間是1: N的關系，因此我們可以把 發(fā)帖”合并到第2項的帖子信息”中；第5項” 回復中的發(fā)帖ID和回復ID之間也是1: N 的關系，因此我們可以把回復合并到第3項的 回復信息中。這樣可以一定量地減少數(shù)據(jù)冗 余，新的設計為：(1)用戶信息：用戶名，email,主頁，電話， 聯(lián)系地址(2)帖子信息：用戶名，發(fā)帖ID ,標題，內(nèi)容(3)回復信息：發(fā)帖ID,回復ID

12、,標題, 內(nèi)容數(shù)據(jù)庫表1顯然滿足所有范式的要求；數(shù)據(jù)庫表2中存在非關鍵字段標題、內(nèi) 容對關鍵字段發(fā)帖ID”的部分函數(shù)依賴，即不 滿足第二范式的要求，但是這一設計并不會導致 數(shù)據(jù)冗余和操作異常；數(shù)據(jù)庫表3中也存在非關鍵字段標題、 內(nèi)容”對關鍵字段回復ID的部分函數(shù)依賴，也 不滿足第二范式的要求，但是與數(shù)據(jù)庫表 2相 似，這一設計也不會導致數(shù)據(jù)冗余和操作異常。由此可以看出，并不一定要強行滿足范式的 要求，對于1: N關系，當1的一邊合并到N的 那邊后，N的那邊就不再滿足第二范式了， 但是 這種設計反而比較好！對于M : N的關系，不能將M 一邊或N 邊合并到另一邊去，這樣會導致不符合范式要 求，同時導致操作異常和數(shù)據(jù)冗余。對于1: 1的關