數(shù)據(jù)庫之?dāng)?shù)據(jù)庫范式

1.基礎(chǔ)概念 實體 ：現(xiàn)實世界中客觀存在并可以被區(qū)別的事物。比如“一個學(xué)生”、“一本書”、“一門課”等等。得強調(diào)的是這里所說的“事物”不僅僅是看得見摸得著的“東西”，它也可以是虛擬的，不如說“老師與學(xué)校的關(guān)系”。 屬性 ：教科書上解釋為：“實體

1.基礎(chǔ)概念

實體：現(xiàn)實世界中客觀存在并可以被區(qū)別的事物。比如“一個學(xué)生”、“一本書”、“一門課”等等。值得強調(diào)的是這里所說的“事物”不僅僅是看得見摸得著的“東西”，它也可以是虛擬的，不如說“老師與學(xué)校的關(guān)系”。

屬性：教科書上解釋為：“實體所具有的某一特性”，由此可見，屬性一開始是個邏輯概念，比如說，“性別”是“人”的一個屬性。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，屬性又是個物理概念，屬性可以看作是“表的一列”。

元組：表中的一行就是一個元組。

分量：元組的某個屬性值。在一個關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，它是一個操作原子，即關(guān)系數(shù)據(jù)庫在做任何操作的時候，屬性是“不可分的”。否則就不是關(guān)系數(shù)據(jù)庫了。

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，那么都叫候選碼，我們從候選碼中挑一個出來做老大，它就叫主碼。

全碼：如果一個碼包含了所有的屬性，這個碼就是全碼。

候選碼：若關(guān)系中的某一屬性或?qū)傩越M的值能唯一的標(biāo)識一個元組，而其任何真子集都不能再標(biāo)識，則稱該屬性組為（超級碼）候選碼。

主碼：主碼（主鍵，primary key）是被挑選出來，作表的行的唯一標(biāo)識的候選關(guān)碼。一個表只有一個主碼。

外碼：一個屬性（或?qū)傩越M），它不是碼，但是它別的表的碼，它就是外碼。

主屬性：一個屬性只要在任何一個候選碼中出現(xiàn)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(xiàn)過，這個屬性就是非主屬性。

函數(shù)依賴：設(shè)R(U)是一個屬性集U上的關(guān)系模式，X和Y是U的子集。若對于R(U)的任意兩個可能的關(guān)系r1、r2，若r1[x]=r2[x],則r1[y]=r2[y]，或者若r1[x]不等于r2[x],則r1[y]不等于r2[y]，稱X決定Y，或者Y依賴X。通俗來說，設(shè)X,Y是關(guān)系R的兩個屬性集合，當(dāng)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(shù)決定Y，或Y函數(shù)依賴于X。

完全函數(shù)依賴：設(shè)X,Y是關(guān)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(shù)依賴于X。

部分函數(shù)依賴：設(shè)X,Y是關(guān)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(shù)依賴于X。

傳遞依賴：在關(guān)系模式R(U)中，設(shè)X，Y，Z是U的不同的屬性集合，如果X→Y成立，且（Y不屬于X，Y→X不成立），Y→Z成立，XYΠZ=，則稱Z傳遞函數(shù)依賴(transitive functional dependency) 于X。式中XY表示是。定義中說明，是因為如果Y→X，則有X?Y，實際形成X→Z是直接函數(shù)依賴，而非傳遞函數(shù)依賴。例如，在STUDENT關(guān)系模式中，假定班級編號都與系的名稱相關(guān)。例如：計算機系2000年入學(xué)的學(xué)生班級有6個，其班級名稱為：JS001，JS002，JS003，JS004，JS005，JS006。這樣，可以由學(xué)生的學(xué)號確定學(xué)生所在的班級，由班級名稱就可以確定學(xué)生所在系，形成傳遞函數(shù)依賴：
SNO→SCLASS→SDEP

2.范式介紹

1)第一范式（1NF）

　　所謂第一范式（1NF）是指在關(guān)系模型中，對域添加的一個規(guī)范要求，所有的域都應(yīng)該是原子性的，即數(shù)據(jù)庫表的每一列都是不可分割的原子數(shù)據(jù)項，而不能是集合，數(shù)組，記錄等非原子數(shù)據(jù)項。即實體中的某個屬性有多個值時，必須拆分為不同的屬性。在符合第一范式（1NF）表中的每個域值只能是實體的一個屬性或一個屬性的一部分。簡而言之，第一范式就是無重復(fù)的域。

2)第二范式（2NF）屬性

　　在1NF的基礎(chǔ)上，非碼屬性必須完全依賴于主鍵[在1NF基礎(chǔ)上消除非主屬性對主碼的部分函數(shù)依賴]。第二范式（2NF）要求實體的屬性完全依賴于主關(guān)鍵字。所謂完全依賴是指不能存在僅依賴主關(guān)鍵字一部分的屬性，如果存在，那么這個屬性和主關(guān)鍵字的這一部分應(yīng)該分離出來形成一個新的實體，新實體與原實體之間是一對多的關(guān)系。為實現(xiàn)區(qū)分通常需要為表加上一個列，以存儲各個實例的唯一標(biāo)識。簡而言之，第二范式就是在第一范式的基礎(chǔ)上屬性完全依賴于主鍵。

3)第三范式（3NF）屬性

　　在1NF基礎(chǔ)上，任何非主屬性不依賴于其它非主屬性[在2NF基礎(chǔ)上消除傳遞依賴]。第三范式（3NF）是第二范式（2NF）的一個子集，即滿足第三范式（3NF）必須滿足第二范式（2NF）。簡而言之，第三范式（3NF）要求一個關(guān)系中不包含已在其它關(guān)系已包含的非主關(guān)鍵字信息。例如，存在一個部門信息表，其中每個部門有部門編號（dept_id）、部門名稱、部門簡介等信息。那么在的員工信息表中列出部門編號后就不能再將部門名稱、部門簡介等與部門有關(guān)的信息再加入員工信息表中。如果不存在部門信息表，則根據(jù)第三范式（3NF）也應(yīng)該構(gòu)建它，否則就會有大量的數(shù)據(jù)冗余。簡而言之，第三范式就是屬性不依賴于其它非主屬性，也就是在滿足2NF的基礎(chǔ)上，任何非主屬性不得傳遞依賴于主屬性。

4)巴德斯科范式（BCNF）屬性

　　如果關(guān)系模式R（U，F(xiàn)）的所有屬性（包括主屬性和非主屬性）都不傳遞依賴于R的任何候選關(guān)鍵字，那么稱關(guān)系R是屬于BCNF的。或是關(guān)系模式R中，每個決定因素都包含關(guān)鍵字（而不是被關(guān)鍵字所包含）。巴德斯科范式（BCNF）是第三范式（3NF）的一個子集，即滿足巴德斯科范式（BCNF）必須滿足第三范式（3NF）。通常情況下，只是對第二范式與第三范式中設(shè)計規(guī)范要求更強，因而被認(rèn)為是修正第三范式，它事實上是對第三范式的修正，使數(shù)據(jù)庫冗余度更小。

3.實例分析

　　下面以一個學(xué)校的學(xué)生系統(tǒng)為例分析說明，這幾個范式的應(yīng)用。

　　1)第一范式實例分析：

　　首先第一范式（1NF）：數(shù)據(jù)庫表中的字段都是單一屬性的，不可再分。單一屬性由基本類型構(gòu)成，包括整型、實數(shù)、字符型、邏輯型、日期型等。確定一下要設(shè)計的內(nèi)容包括：學(xué)號、學(xué)生姓名、年齡、性別、課程、課程學(xué)分、系別、學(xué)科成績，系辦地址、系辦電話等信息。我們對于這些信息，說關(guān)心的問題有如下幾個方面。

　　2)第二范式實例分析：

　　首先把所有這些信息放到一個表中（學(xué)號，學(xué)生姓名、年齡、性別、課程、課程學(xué)分、系別、學(xué)科成績，系辦地址、系辦電話）下面存在如下的依賴關(guān)系。

　　(學(xué)號, 課程名稱) → (姓名, 年齡, 成績, 學(xué)分)

　　問題分析：

　　（學(xué)號，課程名稱）作為主碼，但姓名、年齡完全依賴于學(xué)號，學(xué)分完全依賴于課程名稱，所以不滿足第二范式。可能導(dǎo)致以下的問題:

　　數(shù)據(jù)冗余：同一門課程由n個學(xué)生選修，"學(xué)分"就重復(fù)n-1次；同一個學(xué)生選修了m門課程，姓名和年齡就重復(fù)了m-1次。

　　更新異常：

　　1）若調(diào)整了某門課程的學(xué)分，數(shù)據(jù)表中所有行的"學(xué)分"值都要更新，否則會出現(xiàn)同一門課程學(xué)分不同的情況。

　　2）假設(shè)要開設(shè)一門新的課程，暫時還沒有人選修。這樣，由于還沒有"學(xué)號"關(guān)鍵字，課程名稱和學(xué)分也無法記錄入數(shù)據(jù)庫。

　　刪除異常 ：假設(shè)一批學(xué)生已經(jīng)完成課程的選修，這些選修記錄就應(yīng)該從數(shù)據(jù)庫表中刪除。但是，與此同時，課程名稱和學(xué)分信息也被刪除了。很顯然，這也會導(dǎo)致插入異常

　　解決方案

　　把選課關(guān)系表SelectCourse改為如下三個表：

　　學(xué)生：Student（學(xué)號，姓名，年齡，性別，系別，系辦地址、系辦電話）；

　　課程：Course（課程名稱,學(xué)分）；

　　選課關(guān)系：SelectCourse（學(xué)號，課程名稱，成績）。

　　3)第三范式實例分析

　　接著看上面的學(xué)生表Student（學(xué)號，姓名，年齡，性別，系別，系辦地址、系辦電話），關(guān)鍵字為單一關(guān)鍵字"學(xué)號"，因為存在如下依賴關(guān)系：

　　（學(xué)號）→ （姓名，年齡，性別，系別，系辦地址、系辦電話）

　　問題分析：

　　但是還存在下面的決定關(guān)系

　　（學(xué)號） → (所在系辦）→（系辦地點，系辦電話）

　　即存在非關(guān)鍵字段"系辦地點"、"系辦電話"對關(guān)鍵字段"學(xué)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。

　　解決方案：

　　根據(jù)第三范式把學(xué)生關(guān)系表分為如下兩個表就可以滿足第三范式了。

　　學(xué)生：（學(xué)號，姓名，年齡，性別，系別）；

　　系別：（系別，系辦地址、系辦電話）。

　　4)第四范式（BNCF范式）實例分析：

　 例：配件管理關(guān)系模式 wpe（wid，pid，eid，qnt）分別表倉庫號，配件號，職工號，數(shù)量。有以下條件:、

　　a.一個倉庫有多個職工。
　　b.一個職工僅在一個倉庫工作。
　　c.每個倉庫里一種型號的配件由專人負(fù)責(zé)，但一個人可以管理幾種配件。
　　d.同一種型號的配件可以分放在幾個倉庫中。

　　問題分析：

　　1. pid不能確定qnt，由組合屬性（wid，pid）來決定，存在函數(shù)依賴（wid，pid）-> qnt。
　　2. 每個倉庫里的一種配件由專人負(fù)責(zé)，而一個人可以管理幾種配件，所以有（wid，pid）-> eid。
　　3. 一個職工僅在一個倉庫工作，有eid -> wid。
　　4. 每個倉庫里的一種配件由專人負(fù)責(zé)，而一個職工僅在一個倉庫工作，有（eid，pid）-> qnt。
　　找一下候選關(guān)鍵字。因為（wid，pid）-> qnt，（wid，pid）-> eid，因此（wid，pid）可以決定整個元組，是一個候選關(guān)鍵字。根據(jù)eid -> wid，（eid，pid）-> qnt，故（eid，pid）也能決定整個元組，為另一個候選關(guān)鍵字。屬性eid，eid，pid 均為主屬性；只有一個非主屬性qnt，它對任何一個候選關(guān)鍵字都是完全函數(shù)依賴的，并且是直接依賴，所以該關(guān)系模式是3NF。
　　分析一下主屬性。因為eid -> wid，主屬性eid是wid的決定因素，但是它本身不是關(guān)鍵字，只是組合關(guān)鍵字的一部分。這就造成主屬性wid對另外一個候選關(guān)鍵字（eid，pid）的部分依賴，因為（eid，pid）-> eid但反過來不成立，而pid -> wid，故（eid，pid）->eid, eid-> wid 也是傳遞依賴。 　
　　雖然沒有非主屬性對候選關(guān)鍵字的傳遞依賴，但存在主屬性對候選關(guān)鍵字的傳遞依賴，同樣也會帶來麻煩。如一個新職工分配到倉庫工作，但暫時處于實習(xí)階段，沒有獨立負(fù)責(zé)對某些配件的管理任務(wù)。由于缺少關(guān)鍵字的一部分pid而無法插入到該關(guān)系中去。又如某個人改成不管配件了去負(fù)責(zé)安全，則在刪除配件的同時該職工也會被刪除。

　　解決辦法：分成管理ep（eid，pid，qnt），關(guān)鍵字是（eid，pid）和工作ew（eid，wid）其關(guān)鍵字是eid。

　　缺點：分解后函數(shù)依賴的保持性較差。如此例中，由于分解，函數(shù)依賴（wid，pid）-> eid 丟失了，因而對原來的語義有所破壞。沒有體現(xiàn)出每個倉庫里一種部件由專人負(fù)責(zé)。有可能出現(xiàn)一部件由兩個人或兩個以上的人來同時管理。因此，分解之后的關(guān)系模式降低了部分完整性約束。

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