1.第三范式

定義

如果關(guān)系模式R屬于2NF，且每個(gè)非主屬性都不傳遞依賴于R的每個(gè)關(guān)系鍵，則稱R屬于第三范式（Third Normal Form），簡(jiǎn)稱3NF，記作R屬于3NF。

基本性質(zhì)：

1．如果R屬于3NF，則R也是2NF。

2．如果R屬于2NF，則R不一定是3NF。

例如，我們前面由關(guān)系模式SCD分解而得到的SD和SC都為2NF，其中，SC屬于3NF，但在SD中存在著非主屬性MN對(duì)主鍵SNO傳遞依賴，SD不是3NF。對(duì)于SD，應(yīng)該進(jìn)一步進(jìn)行分解，使其轉(zhuǎn)換成3NF。

2.3NF規(guī)范化

3NF規(guī)范化是指把2NF關(guān)系模式通過(guò)投影分解轉(zhuǎn)換成3NF關(guān)系模式的集合。

和2NF的規(guī)范化時(shí)遵循的原則相同，即“一事一表”，讓一個(gè)關(guān)系只描述一個(gè)實(shí)體或者實(shí)體間的聯(lián)系。

舉例：將之前的SD表進(jìn)行再分解，使其滿足第三范式

將SD(SN,AGE,DEPT,MN)分解為S(SN,AGE,DEPT)和D(MN),如下圖所示

3.第三范式3NF與第二范式2NF相比

(a).數(shù)據(jù)冗余降低。系主任的名字存儲(chǔ)的次數(shù)與該系的學(xué)生人數(shù)無(wú)關(guān)，只在關(guān)系D中存儲(chǔ)一次。

(b).不存在插入異常。當(dāng)一個(gè)新系沒(méi)有學(xué)生時(shí)，該系的信息可以直接插入到關(guān)系D中，而與學(xué)生關(guān)系S無(wú)關(guān)。

(c).不存在刪除異常。要?jiǎng)h除某系的全部學(xué)生而仍然保留該系的有關(guān)信息時(shí)，可以只刪除學(xué)生關(guān)系S中的相關(guān)學(xué)生記錄，而不影響系關(guān)系D中的數(shù)據(jù)。

(d)不存在更新異常。更換系主任時(shí)，只需修改關(guān)系D中一個(gè)相應(yīng)元組的MN屬性值，從而不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)的不一致現(xiàn)象。

SCD規(guī)范到3NF后，所存在的異常現(xiàn)象已經(jīng)全部消失。

4.第三范式3NF的不足

3NF只限制了非主屬性對(duì)鍵的依賴關(guān)系，而沒(méi)有限制主屬性對(duì)鍵的依賴關(guān)系。

如果發(fā)生了這種依賴，仍有可能存在數(shù)據(jù)冗余、插入異常、刪除異常和修改異常。

這時(shí)，則需對(duì)3NF進(jìn)一步規(guī)范化，消除主屬性對(duì)鍵的依賴關(guān)系，為了解決這種問(wèn)題，Boyce與Codd共同提出了一個(gè)新范式的定義，這就是Boyce-Codd范式，通常簡(jiǎn)稱BCNF或BC范式。它彌補(bǔ)了3NF的不足。

5.BCNF范式

定義 如果關(guān)系模式R屬于1NF，且所有的函數(shù)依賴X→Y（Y ，X）,決定因素X都包含了R的一個(gè)候選鍵，則稱R屬于BC范式（Boyce-Codd Normal Form），記作R屬于BCNF。

基本性質(zhì)

(a).滿足BCNF的關(guān)系將消除任何屬性（主屬性或非主屬性）對(duì)鍵的部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴。也就是說(shuō)，如果R屬于BCNF，則R也是3NF。

(b)如果R屬于3NF，則R不一定是BCNF。

舉例:

設(shè)關(guān)系模式SNC（SNO，SN，CN0，SCORE），其中SNO代表學(xué)號(hào)，SN代表學(xué)生姓名并假設(shè)沒(méi)有重名，CNO代表課程號(hào)，SCORE代表成績(jī)。可以判定，SNC有兩個(gè)候選鍵（SNO，CNO）和（SN，CNO），其函數(shù)依賴如下：

SNO <->SN

（SNO，CNO）→SCORE

（SN，CNO）→SCORE。

唯一的非主屬性SCORE對(duì)鍵不存在部分函數(shù)依賴，也不存在傳遞函數(shù)依賴。所以SNC屬于3NF。

但是，因?yàn)镾NO <->SN，即決定因素SNO或SN不包含候選鍵，從另一個(gè)角度說(shuō)，存在著主屬性對(duì)鍵的部分函數(shù)依賴： （SNO，CNO)-(p)-> SN，（SN，CNO)-(p)->SNO，所以SNC不是BCNF。

分析：

正是存在著這種主屬性對(duì)鍵的部分函數(shù)依賴關(guān)系，造成了關(guān)系SNC中存在著較大的數(shù)據(jù)冗余，學(xué)生姓名的存儲(chǔ)次數(shù)等于該生所選的課程數(shù)。從而會(huì)引起修改異常。

比如，當(dāng)要更改某個(gè)學(xué)生的姓名時(shí)，則必須搜索出現(xiàn)該姓名的每個(gè)學(xué)生記錄，并對(duì)其姓名逐一修改，這樣容易造成數(shù)據(jù)的不一致問(wèn)題。

解決這一問(wèn)題的辦法仍然是通過(guò)投影分解進(jìn)一步提高SNC的范式等級(jí)，將SNC規(guī)范到BCNF。

6.BCNF范式的規(guī)范化

BCNF規(guī)范化是指把3NF關(guān)系模式通過(guò)投影分解轉(zhuǎn)換成BCNF關(guān)系模式的集合。

還是上面的例子：

將SNC(SNO,SN,CNO，SCORE)規(guī)范到BCNF。

分析SNC數(shù)據(jù)冗余的原因，是因?yàn)樵谶@一個(gè)關(guān)系中存在兩個(gè)實(shí)體，一個(gè)為學(xué)生實(shí)體，屬性有SNO、SN；另一個(gè)是選課實(shí)體，屬性有SNO、CNO和SCORE。

根據(jù)分解的原則，我們可以將SNC分解成如下兩個(gè)關(guān)系：

S1(SNO,SN)，描述學(xué)生實(shí)體；

S2(SNO,CNO,SCORE)，描述學(xué)生與課程的聯(lián)系。

對(duì)于S1，有兩個(gè)候選鍵SNO和SN，

對(duì)于S2，主鍵為（SNO，CNO）。

在這兩個(gè)關(guān)系中，無(wú)論主屬性還是非主屬性都不存在對(duì)鍵的部分依賴和傳遞依賴，S1屬于BCNF，S2屬于BCNF。

7.讓我們看一下從1NF到BCNF的轉(zhuǎn)化過(guò)程

下圖是1NF的函數(shù)依賴關(guān)系圖（存在部分依賴以及傳遞依賴）

下圖是2NF函數(shù)依賴關(guān)系圖（消除了部分依賴但是存在傳遞依賴）

下圖是3NF函數(shù)依賴關(guān)系圖（消除了部分依賴和傳遞依賴，但是主屬性對(duì)鍵存在著部分依賴關(guān)系）

下圖是BCNF函數(shù)依賴關(guān)系圖（消除了部分依賴和傳遞依賴，以及主屬性對(duì)鍵的部分依賴關(guān)系）

8.關(guān)系模式的規(guī)范化

定義：

一個(gè)低一級(jí)范式的關(guān)系模式，通過(guò)模式分解轉(zhuǎn)化為若干個(gè)高一級(jí)范式的關(guān)系模式的集合，這種分解過(guò)程叫作關(guān)系模式的規(guī)范化（Normalization）

目的：

規(guī)范化的目的就是使結(jié)構(gòu)合理，消除存儲(chǔ)異常，使數(shù)據(jù)冗余盡量小，便于插入、刪除和更新。

原則：

規(guī)范化的基本原則就是遵從概念單一化“一事一表”的原則，即一個(gè)關(guān)系只描述一個(gè)實(shí)體或者實(shí)體間的聯(lián)系。

規(guī)范化的步驟:

(a).對(duì)1NF關(guān)系進(jìn)行投影，消除原關(guān)系中非主屬性對(duì)鍵的部分函數(shù)依賴，將1NF關(guān)系轉(zhuǎn)換成若干個(gè)2NF關(guān)系。

(b).對(duì)2NF關(guān)系進(jìn)行投影，消除原關(guān)系中非主屬性對(duì)鍵的傳遞函數(shù)依賴，將2NF關(guān)系轉(zhuǎn)換成若干個(gè)3NF關(guān)系。

(c).對(duì)3NF關(guān)系進(jìn)行投影，消除原關(guān)系中主屬性對(duì)鍵的部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴，也就是說(shuō)使決定因素都包含一個(gè)候選鍵。得到一組BCNF關(guān)系。

規(guī)范化的要求：

關(guān)系模式的規(guī)范化過(guò)程是通過(guò)對(duì)關(guān)系模式的投影分解來(lái)實(shí)現(xiàn)的，但是投影分解方法不是唯一的，不同的投影分解會(huì)得到不同的結(jié)果。

在這些分解方法中，只有能夠保證分解后的關(guān)系模式與原關(guān)系模式等價(jià)的方法才是有意義的。

判斷對(duì)關(guān)系模式的一個(gè)分解是否與原關(guān)系模式等價(jià)可以有三種不同的標(biāo)準(zhǔn)：

1．分解要具有無(wú)損連接性。

2．分解要具有函數(shù)依賴保持性。

3．分解既要具有無(wú)損連接性，又要具有函數(shù)依賴保持性。

9.非規(guī)范化設(shè)計(jì)

使用非規(guī)范化設(shè)計(jì)原因：

(a).許多數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用強(qiáng)調(diào)性能優(yōu)先

(b).規(guī)范化設(shè)計(jì)有時(shí)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)運(yùn)行效率的下降

(c).在特殊條件和要求下，適當(dāng)?shù)亟档蜕踔翏仐夑P(guān)系模式的范式，不再要求一個(gè)表只描述一個(gè)實(shí)體或者實(shí)體間的一種聯(lián)系。其主要目的在于提高數(shù)據(jù)庫(kù)的運(yùn)行效率。

何時(shí)進(jìn)行非規(guī)范化處理：

(a).大量頻繁的查詢過(guò)程所涉及的表都需要進(jìn)行連接；

(b).主要的應(yīng)用程序在執(zhí)行時(shí)要將表連接起來(lái)進(jìn)行查詢；

(c).對(duì)數(shù)據(jù)的計(jì)算需要臨時(shí)表或進(jìn)行復(fù)雜的查詢。

非規(guī)范化處理的主要技術(shù):

包括增加冗余或派生列，對(duì)表進(jìn)行合并、分割或增加重復(fù)表。

10.增加冗余列（用空間換取時(shí)間）

增加冗余列是指在多個(gè)表中具有相同的列，它常用來(lái)在查詢時(shí)避免連接操作。

舉例：

如果經(jīng)常檢索一門課的任課教師姓名，則需要做class和teacher表的連接查詢：

select classname,teachername

from class,teacher

where class.teacherno=teacher.teacherno

這樣的話就可以在class表中增加一列teacher－name就不需要連接操作了。

增加冗余列可以在查詢時(shí)避免連接操作，但它需要更多的磁盤空間，同時(shí)增加表維護(hù)的工作量。

11.增加派生列

增加派生列指增加的列來(lái)自其它表中的數(shù)據(jù)，由它們計(jì)算生成。

它的作用是在查詢時(shí)減少連接操作，避免使用集函數(shù)。派生列也具有與冗余列同樣的缺點(diǎn)。

12.重新組表

重新組表指如果許多用戶需要查看兩個(gè)表連接出來(lái)的結(jié)果數(shù)據(jù)，則把這兩個(gè)表重新組成一個(gè)表來(lái)減少連接而提高性能。

舉例：

用戶經(jīng)常需要同時(shí)查看課程號(hào)，課程名稱，任課教師號(hào)，任課教師姓名，則可把表class(classno,classname,teacherno)和表teacher(teacherno,teachername)合并成一個(gè)表class(classno,classname,teacherno,teachername)。

這種方法可以提高性能，但需要更多的磁盤空間，同時(shí)也損失了數(shù)據(jù)在概念上的獨(dú)立性。

13.對(duì)表進(jìn)行分割

表分割有兩種方式：

水平分割

垂直分割

水平分割：根據(jù)一列或多列數(shù)據(jù)的值把數(shù)據(jù)行放到兩個(gè)獨(dú)立的表中。

水平分割的使用：

(a).表很大，分割后可以降低在查詢時(shí)需要讀的數(shù)據(jù)和索引的頁(yè)數(shù)，同時(shí)也降低了索引的層數(shù)，提高查詢速度。

(b).表中的數(shù)據(jù)本來(lái)就有獨(dú)立性，例如表中分別記錄各個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)或不同時(shí)期的數(shù)據(jù)，特別是有些數(shù)據(jù)常用，而另外一些數(shù)據(jù)不常用。

(c).需要把數(shù)據(jù)存放到多個(gè)介質(zhì)上。

舉例：

法規(guī)表law就可以分成兩個(gè)表active－law和inactive－law。active－law表中的內(nèi)容是正生效的法規(guī)，是經(jīng)常使用的，而inactive－law表則使已經(jīng)作廢的法規(guī)，不常被查詢。

水平分割會(huì)給應(yīng)用增加復(fù)雜度，它通常在查詢時(shí)需要多個(gè)表名，查詢所有數(shù)據(jù)需要union操作。在許多數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用中，這種復(fù)雜性會(huì)超過(guò)它帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)。

垂直分割：把主鍵和一些列放到一個(gè)表，然后把主鍵和另外的列放到另一個(gè)表中

垂直分割的使用：

如果一個(gè)表中某些列常用，而另外一些列不常用，則可以采用垂直分割加快查詢速度。其缺點(diǎn)是需要管理冗余列，查詢所有數(shù)據(jù)需要join操作。

14.非規(guī)范化設(shè)計(jì)總結(jié)

主要優(yōu)點(diǎn)：

(a).減少了查詢操作所需的連接

(b).減少了外部鍵和索引的數(shù)量

(c).可以預(yù)先進(jìn)行統(tǒng)計(jì)計(jì)算，提高了查詢時(shí)的響應(yīng)速度

主要問(wèn)題：

(a).增加了數(shù)據(jù)冗余

(b).影響數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性

(c).降低了數(shù)據(jù)更新的速度

(d)增加了存儲(chǔ)表所占用的物理空間

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總結(jié)

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