了解数据库设计中的范式：综合指南

数据库设计中的不同范式

在数据库设计中，规范化是组织数据以最大限度地减少冗余和依赖性、提高数据完整性的过程。该过程涉及将大表划分为更小的、可管理的表并在它们之间建立关系。这样可以保证数据库不会出现插入、更新、删除等异常。

不同的范式代表特定的标准化级别。每种范式都建立在前一种范式的基础上，并且有自己的一套规则。以下是最常见范式的解释：

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1.第一范式 (1NF)

1NF 是最基本的规范化级别，重点是消除重复数据并确保表中的数据以每列包含原子值（无重复组）的方式组织。

• 1NF 规则：
  1. 每个表格单元格应包含一个值（原子性）。
  2. 每条记录（行）必须是唯一的。
  3. 每列应包含单一类型的值（例如，所有整数、所有字符串）。
  4. 没有重复的列组或单个列中的多个值。

1NF 示例：

1NF之前：

OrderID	Products	Quantities
1	Apple, Banana	2, 3
2	Orange	5

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转换为 1NF 后：

OrderID	Product	Quantity
1	Apple	2
1	Banana	3
2	Orange	5

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2.第二范式 (2NF)

2NF 建立在 1NF 之上，消除了 部分依赖。当非主属性（不属于主键的列）仅依赖于主键的一部分（在复合主键的情况下）时，就会发生部分依赖关系。要实现 2NF，表必须首先满足 1NF 的要求。

• 2NF 规则：
  1. 表格必须位于1NF。
  2. 每个非主属性必须在功能上完全依赖于整个主键（消除部分依赖）。

2NF 示例：

在 2NF（部分依赖）之前：

OrderID	Product	CustomerName	Price
1	Apple	John	10
1	Banana	John	5
2	Orange	Jane	8

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这里，CustomerName 仅取决于 OrderID，而不取决于完整的主键（OrderID、Product）。为了删除这个，我们拆分了表格。

2NF之后：
表格：

• 订单（订单 ID、客户名称）
• 订单详细信息（订单 ID、产品、价格）

订单表：

OrderID	CustomerName
1	John
2	Jane

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订单明细表：

OrderID	Product	Price
1	Apple	10
1	Banana	5
2	Orange	8

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3.第三范式 (3NF)

3NF 构建于 2NF 之上，并解决了 传递依赖，当一个非主属性依赖于另一个非主属性时会发生这种情况。非主属性应仅依赖于主键。如果表位于 2NF 中，并且所有传递依赖项均已删除，则该表位于 3NF 中。

• 3NF 规则：
  1. 表格必须位于2NF。
  2. 任何非主属性都不应依赖于另一个非主属性（删除传递依赖）。

3NF 示例：

在 3NF（传递依赖）之前：

OrderID	Product	Category	Supplier
1	Apple	Fruit	XYZ
2	Carrot	Vegetable	ABC

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这里，供应商取决于类别，而不是直接取决于订单ID。为了解决这个问题，我们拆分了表格。

3NF之后：
表格：

• 订单（订单 ID、产品、类别）
• 类别（类别、供应商）

订单表：

OrderID	Product	Category
1	Apple	Fruit
2	Carrot	Vegetable

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类别表：

Category	Supplier
Fruit	XYZ
Vegetable	ABC

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4. Boyce-Codd 范式 (BCNF)

BCNF 是 3NF 的更严格版本。如果满足以下条件，则表位于 BCNF 中：

• 位于3NF。
• 对于每个函数依赖，左侧必须是候选键（即最小超级键）。

简单来说，BCNF 解决了表处于 3NF 中但仍然具有一些涉及非候选键属性的依赖关系的情况。

• BCNF规则：
  1. 表格必须位于3NF。
  2. 每个行列式都必须是候选键。

BCNF 示例:

BCNF之前：

CourseID	Instructor	Room
101	Dr. Smith	A1
102	Dr. Smith	B1
101	Dr. Johnson	A2

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这里，Instructor确定了Room，但是Instructor不是候选键，这违反了BCNF。为了实现 BCNF，我们将依赖项分离到不同的表中。

BCNF 之后：
表格：

• 课程（课程ID、讲师）
• 房间（教练室）

课程表：

CourseID	Instructor
101	Dr. Smith
102	Dr. Smith
101	Dr. Johnson

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房间表：

Instructor	Room
Dr. Smith	A1
Dr. Smith	B1
Dr. Johnson	A2

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5.第四范式 (4NF)

4NF 解决了多值依赖关系，当一个属性确定另一个属性的多个值并且这些值彼此独立时会发生这种情况。如果满足以下条件，则表位于 4NF 中：

• 它位于BCNF。
• 它没有多值依赖关系。

4NF 示例：

在 4NF（多值依赖）之前：

StudentID	Subject	Hobby
1	Math	Painting
1	Science	Cycling

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4NF之后：
表格：

• 学生（学生 ID、主题）
• 学生兴趣爱好（学生ID、兴趣爱好）

学生表：

StudentID	Subject
1	Math
1	Science

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学生兴趣爱好表：

StudentID	Hobby
1	Painting
1	Cycling

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结论

在数据库设计中，规范化是有效组织数据的基本过程。不同的范式——1NF、2NF、3NF、BCNF 和 4NF——确保数据存储无冗余、保持完整性并且易于管理。每种范式都建立在前一种范式的基础上，消除了特定类型的依赖性或异常。虽然规范化可以提高数据质量，但必须在其与性能考虑之间取得平衡，有时在需要优化时选择非规范化。

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