SQL笔记 -- 范式（第一范式、第二范式、第三范式、巴斯范式、反范式）及数据库设计原则

1.范式

1.1 范式简介

在关系型数据库中，关于数据表设计的基本原则、规则就称为范式。可以理解为，一张数据表的设计结构需要满足的某种设计标准的级别。要想设计一个结构合理的关系型数据库，必须满足一定的范式。

目前关系型数据库有六种常见范式，按照范式级别，从低到高分别是：第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、巴斯-科德范式（BCNF）、第四范式(4NF）和第五范式（5NF，又称完美范式）。

数据库的范式设计越高阶，冗余度就越低，同时高阶的范式一定符合低阶范式的要求，满足最低要求的范式是第一范式（1NF）。在第一范式的基础上进一步满足更多规范的要求称为第二范式（2NF），其余范式以此类推。

一般来说，在关系型数据库设计中，最高也就遵循到BCNF, 普遍还是3NF。但也不绝对，有时候为了提高某些查询性能，我们还需要破坏范式规则，也就是反规范化。

1.2 第一范式

第一范式主要确保数据库中每个字段的值必须具有原子性，也就是说数据表中每个字段的值为不可再次拆分的最小数据单元。我们在设计某个字段的时候，对于字段X来说，不能把字段X拆分成字段X-1和字段X-2。事实上，任何的DBMS都会满足第一范式的要求，不会将字段进行拆分。

1.3 第二范式

第二范式要求，在满足第一范式的基础上，还要满足数据库里的每一条数据记录，都是可唯一标识的。而且所有非主键字段，都必须完全依赖主键，不能只依赖主键的一部分。如果知道主键的所有属性的值，就可以检索到任何元组（行）的任何属性的任何值。（要求中的主键，其实可以扩展替换为候选键）。

例如：

比赛表 player_game ，里面包含球员编号、姓名、年龄、比赛编号、比赛时间和比赛场地等属性，这里候选键和主键都为（球员编号，比赛编号），我们可以通过候选键（或主键）来决定如下的关系：

mysql 复制代码

(球员编号, 比赛编号) → (姓名, 年龄, 比赛时间, 比赛场地，得分)

但是这个数据表不满足第二范式，因为数据表中的字段之间还存在着如下的对应关系：

mysql 复制代码

(球员编号) → (姓名，年龄)

(比赛编号) → (比赛时间, 比赛场地)

对于非主属性来说，并非完全依赖候选键。

1.4 第三范式

第三范式是在第二范式的基础上，确保数据表中的每一个非主键字段都和主键字段直接相关，也就是说，要求数据表中的所有非主键字段不能依赖于其他非主键字段。（即，不能存在非主属性A依赖于非主属性B，非主属性B依赖于主键C的情况，即存在"A->B->C"的决定关系）通俗地讲，该规则的意思是所有非主键属性之间不能由依赖关系，必须相互独立。这里的主键可以扩展为候选键。

例如：

球员player表，里面包含球员编号、姓名、球队名称和球队主教练等属性。这里候选键和主键为球员编号，我们可以通过候选键（或主键）来决定如下的关系：

mysql 复制代码

球员编号 → (球员姓名、球队名称和球队主教练)

能看到球员编号决定了球队名称，同时球队名称决定了球队主教练，非主属性球队主教练就会传递依赖于球员编号，因此不符合 3NF 的要求。

如果要达到 3NF 的要求，需要把数据表拆成下面这样：

mysql 复制代码

球员表 ：球员编号、姓名、球队名称
球队表 ：球队名称、球队主教练

1.5 巴斯范式(BCNF)

人们在3NF的基础上进行了改进，提出了巴斯范式（BCNF），也叫巴斯 - 科德范式（Boyce - Codd Normal Form）。BCNF被认为没有新的设计规范加入，只是对第三范式中设计规范要求更强，使得数据库冗余度更小。若一个关系达到了第三范式，并且它只有一个候选键，或者它的每个候选键都是单属性，则该关系自然达到BC范式。一般来说，一个数据库设符合3NF或者BCNF就可以了。

例如：

仓库表，里面包含仓库名，管理员，物品名，数量等属性，且管理员和仓库名一一对应。这里候选键是（管理员，物品名）和（仓库名，物品名），然后我们从候选键中选择一个作为主键，比如（仓库名，物品名）。可以看到主属性仓库名对于候选键（管理员，物品名）是部分依赖的关系，不满足BCNF。

如果要达到 BCNF 的要求，需要把数据表拆成下面这样：

mysql 复制代码

仓库表 ：（仓库名，管理员）
库存表 ：（仓库名，物品名，数量）

1.6 反范式化

1.6.1 概述

规范化 vs 性能

为满足某种商业目标 , 数据库性能比规范化数据库更重要

在数据规范化的同时 , 要综合考虑数据库的性能

通过在给定的表中添加额外的字段，以大量减少需要从中搜索信息所需的时间

通过在给定的表中插入计算列，以方便查询

虽然规范化可以避免数据上的冗余，但也不是越规范越好。在实际应用场景中，也要考虑性能综合分析。

例如：

员工的信息存储在 employees 表中，部门信息存储在departments 表中。通过 employees 表中的 department_id字段与 departments 表建立关联关系。如果要查询一个员工所在部门的名称：

mysql 复制代码

select employee_id,department_name
from employees e join departments d
on e.department_id = d.department_id;

如果经常需要进行这个操作，连接查询就会浪费很多时间。可以在 employees 表中增加一个冗余字段 department_name，这样就不用每次都进行连接操作了。

1.6.2 反范式的缺点

存储空间变大了
一个表中字段做了修改，另一个表中冗余的字段也需要做同步修改，否则数据不一致
若采用存储过程来支持数据的更新、删除等额外操作，如果更新频繁，会非常消耗系统资源
在数据量小的情况下，反范式不能体现性能的优势，可能还会让数据库的设计更加复杂

1.6.3 适用场景

当冗余信息有价值或者能大幅度提高查询效率的时候，我们才会采取反范式的优化。

（1）增加冗余字段的建议

增加冗余字段一定要符合如下两个条件。只要满足这两个条件，才可以考虑增加夯余字段。

这个冗余字段不需要经常进行修改。
这个冗余字段查询的时候不可或缺。

（2）历史快照、历史数据的需要

在现实生活中，我们经常需要一些冗余信息，比如订单中的收货人信息，包括姓名、电话和地址等。每次发生的订单收货信息都属于历史快照，需要进行保存，但用户可以随时修改自己的信息，这时保存这些冗余信息是非常有必要的。

反范式优化也常用在数据仓库的设计中，因为数据仓库通常存储历史数据，对增删改的实时性要求不强，对历史数据的分析需求强。这时适当允许数据的冗余度，更方便进行数据分析。

2. 数据库设计原则

数据表的个数越少越好
数据表中的字段个数越少越好
数据表中联合主键的字段个数越少越好
使用主键和外键越多越好