软考架构师：数据库的范式
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问题 1：数据库的范式
提问：
数据库的范式
一、AI 讲解
数据库的范式（Normalization）是数据库设计中的一个重要概念，它是为了减少数据冗余、避免更新异常，并保持数据一致性而提出的规则。简单来说，范式就像是给数据库表"瘦身"和"整理"的标准，让数据存储更高效、更可靠。范式从低到高逐步加强，每一个更高的范式都必须满足前一个范式的要求。
下面，我用通俗的语言讲解常见的范式，包括1NF（第一范式）、2NF（第二范式）、3NF（第三范式）和BCNF（Boyce-Codd范式）。我会先用表格呈现每个范式的定义、要求和例子，然后补充一些总体说明。
| 范式 | 定义和要求 | 例子 |
|---|---|---|
| 1NF（第一范式） | 表中的每个属性（列）必须是原子值，不能是集合或多值；简单说，就是每个单元格只能放一个值，不能放列表或数组。 | 假设有一个学生表：学生ID、姓名、电话。如果电话列放"123456,789012"，这就不符合1NF；应该拆分成多行或单独表，比如学生ID=1，姓名=张三，电话=123456；另一行学生ID=1，姓名=张三，电话=789012。 |
| 2NF（第二范式） | 必须先满足1NF；此外，非主键属性必须完全依赖于整个主键，不能部分依赖（如果主键是复合的）。通俗地说，非主键列不能只依赖主键的一部分。 | 订单表：主键（订单ID + 商品ID），属性：订单日期、商品名称。如果商品名称只依赖商品ID（不依赖订单ID），这就不符合2NF；应该把商品名称拆到单独的商品表中。 |
| 3NF（第三范式） | 必须先满足2NF；此外，非主键属性不能传递依赖于主键（即非主键之间不能有依赖关系）。简单说，非主键列不能互相依赖。 | 员工表：员工ID（主键）、部门ID、部门名称。如果部门名称依赖部门ID（而部门ID依赖员工ID），这就不符合3NF；应该把部门ID和部门名称拆到部门表中。 |
| BCNF（Boyce-Codd范式） | 必须先满足3NF；此外，任何决定因素**（能决定其他属性的属性）都必须是候选键**。通俗地说，消除主属性对码的部分和传递函数依赖。 | 教授教课表：（教授ID + 课程ID）为主键，属性：学生ID。如果教授ID决定课程ID，但教授ID不是候选键，这就不符合BCNF；需要进一步拆表。 |
这些范式的好处是减少冗余，比如在不范式化的表中，更新一个数据可能需要改多处，容易出错。缺点是查询时可能需要更多JOIN操作，影响性能，所以实际设计时有时会反范式化（denormalization）来优化。
举个整体例子：想象一个图书馆借书系统。如果不范式化，表可能重复存书名、作者等；范式化后，书表单独存书信息，借书表只存借书记录，减少重复。
二、AI 出题
（1）题目
- 数据库范式设计的主要目的是什么？
A. 增加数据冗余
B. 减少数据冗余和异常
C. 提高查询复杂度
D. 降低数据安全性 - 第一范式（1NF）的要求是什么？
A. 非主键属性完全依赖主键
B. 每个属性都是原子值
C. 消除传递依赖
D. 所有决定因素都是候选键 - 如果一个表的主键是复合键（如A+B），但某个非主键属性只依赖A，这违反了哪个范式？
A. 1NF
B. 2NF
C. 3NF
D. BCNF - 第三范式（3NF）在第二范式的基础上增加了什么要求？
A. 属性原子性
B. 部分依赖消除
C. 传递依赖消除
D. 复合主键要求 - BCNF范式相对于3NF的加强点是什么？
A. 要求属性原子值
B. 消除非主键间的依赖
C. 所有决定因素必须是候选键
D. 只处理单主键表 - 以下哪个例子不符合1NF？
A. 表中一列存储多个电话号码，用逗号分隔
B. 非主键完全依赖主键
C. 表有复合主键
D. 表有唯一索引 - 在一个学生成绩表中，如果"班级名称"依赖"班级ID"，而"班级ID"依赖"学生ID"，这违反了哪个范式？
A. 1NF
B. 2NF
C. 3NF
D. BCNF - 数据库设计中，为什么有时会选择反范式化？
A. 为了严格遵守范式
B. 为了提高查询性能
C. 为了增加数据冗余
D. 为了简化表结构 - 以下关于范式的说法正确的是？
A. 所有数据库都必须达到BCNF
B. 更高的范式总是更好的
C. 范式化可以减少插入、更新和删除异常
D. 1NF允许多值属性 - 如果一个表满足3NF，但有一个非候选键属性决定了另一个属性，这可能违反了哪个范式？
A. 1NF
B. 2NF
C. 3NF
D. BCNF
（2）答案和解析
- 答案：B。
解析：数据库范式的主要目的是通过规范化表结构来减少数据冗余、避免插入/更新/删除异常，并保持数据一致性。例如，如果不范式化，更新一个人的地址可能需要改多行数据，容易出错；范式化后，只改一处即可。 - 答案：B。
解析：1NF的核心要求是确保表中每个属性的值都是不可分的原子值，不能是集合或列表。例如，不能在一列中放"苹果,香蕉"，而应拆分成多行或多列。这是最基本的范式，其他范式都以此为基础。 - 答案：B。
解析：这描述了部分函数依赖，即非主键属性只依赖复合主键的一部分，违反了2NF的要求。2NF要求非主键必须完全依赖整个主键。例如，在（订单ID + 商品ID）为主键的表中，商品价格不能只依赖商品ID。 - 答案：C。
解析：3NF在2NF的基础上要求消除非主键属性之间的传递依赖，即一个非主键不能通过另一个非主键间接依赖主键。例如，员工表中"部门经理"不能通过"部门ID"依赖"员工ID"，应拆表。 - 答案：C。
解析：BCNF是3NF的加强版，它要求表中任何函数依赖的左边（决定因素）都必须是候选键，从而消除更多潜在异常。例如，在某些表中，即使满足3NF，如果一个非键属性决定了主键部分，也需调整。 - 答案：A。
解析：用逗号分隔多个电话号码意味着该列不是原子值，违反1NF。1NF要求每个单元格只有一个简单值。其他选项如复合主键或索引与1NF无关。 - 答案：C。
解析：这是典型的传递依赖："班级名称"依赖"班级ID"，"班级ID"依赖"学生ID"，违反3NF。3NF要求非主键不能互相依赖，应将班级信息拆到单独表中，只在学生表存班级ID。 - 答案：B。
解析：反范式化（denormalization）是有意引入一些冗余来减少JOIN操作，从而提高查询速度。例如，在报表表中重复存一些数据，避免频繁联表查询。虽然增加了冗余，但适合读多写少的场景。 - 答案：C。
解析：范式化确实能减少异常，如插入异常（无法插入不完整数据）。但不是所有数据库都需BCNF（有时3NF够用），更高的范式不总是更好（可能牺牲性能），1NF不允许多值属性。 - 答案：D。
解析：如果满足3NF但有非候选键决定了其他属性，这违反BCNF。BCNF针对这种情况加强，例如在教授-课程表中，如果教授决定了系别，但教授不是候选键，就需调整表结构。
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