数据库表的设计

一、表的约束

表的约束是数据库中用于确保数据完整性和一致性的规则，主要包括主键约束、外键约束、唯一约束等。

1.1、非空约束

NOT NULL 约束字段的值不能为空，确保列不能为空值（NULL），强制插入数据时指定列必须有值，否则报错。

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-- 创建表时添加 NOT NULL 约束
CREATE TABLE students (
id INT NOT NULL,
name VARCHAR(50) NOT NULL,
age INT,
address VARCHAR(100)
);
-- 插入数据测试
INSERT INTO students (id, name, age, address) VALUES (1, '张三',
20, '北京');
-- 下面这条会报错，因为 id 和 name 不能为空
INSERT INTO students (age, address) VALUES (20, '上海');

1.2、唯一约束

UNIQUE约束字段中的数据不允许重复，确保列中的所有值都是唯一的（不允许重复，但是允许有一个 NULL 值（MySQL 特性）），一个表可以有多个 UNIQUE 约束。

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CREATE TABLE users (
id INT NOT NULL,
username VARCHAR(50) UNIQUE,
email VARCHAR(100) UNIQUE,
password VARCHAR(255)
);
-- 插入数据测试
INSERT INTO users (id, username, email, password)
VALUES (1, 'user1', 'user1@example.com', 'pass123');
INSERT INTO users (id, username, email, password)
VALUES (2, 'user2', 'user2@example.com', 'pass456');
-- 下面这条会报错，因为用户名已存在
INSERT INTO users (id, username, email, password)
VALUES (3, 'user1', 'user3@example.com', 'pass789'); -- 错误：用户
名重复

1.3、主键约束

PRIMARY KEY 约束字段中的数据唯一且不允许重复（一张表只能有一个主键）

组合主键：primary key pkey(sn,name);

默认值：default xxx;

注意：unique和primary key可以针对多个字段同时设置唯一或主键

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-- 创建表时添加 PRIMARY KEY 约束
CREATE TABLE products (
product_id INT PRIMARY KEY,
product_name VARCHAR(100) NOT NULL,
price DECIMAL(10,2),
category VARCHAR(50)
);
-- 插入数据测试
INSERT INTO products (product_id, product_name, price, category)
VALUES (1, '笔记本电脑', 5999.00, '电子产品');
-- 下面这两条都会报错
INSERT INTO products (product_id, product_name, price, category)
VALUES (2, '手机', 2999.00, '电子产品');
-- 错误：主键重复
INSERT INTO products (product_name, price, category)
VALUES ('平板电脑', 1999.00, '电子产品'); -- 错误：主键不能为空

1.4、外键约束

外键约束：约束表1中指定字段的数据，必须在表2中存在

创建两个表----部门表departments（dept_id,dept_name,location）和员工表empolyees（epm_id,emp_name,dept_id,salary）对dept_id进行外键约束

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CREATE TABLE departments (
dept_id INT PRIMARY KEY,
dept_name VARCHAR(50) NOT NULL,
location VARCHAR(100)
);
-- 创建子表（从表），包含外键约束
CREATE TABLE employees (
emp_id INT PRIMARY KEY,
emp_name VARCHAR(50) NOT NULL,
dept_id INT,
salary DECIMAL(10,2),
FOREIGN KEY (dept_id) REFERENCES departments(dept_id)
);
--向两个表插入数据
INSERT INTO departments (dept_id, dept_name, location)
VALUES
(1, '技术部', '北京'),
(2, '销售部', '上海'),
(3, '人事部', '广州');
INSERT INTO employees (emp_id, emp_name, dept_id, salary)
VALUES
(101, '李四', 1, 8000.00),
(102, '王五', 2, 6000.00);

插入数据成功，然后验证外键约束：在员工表中插入，dept_id=5，则会报错，此记录不存在

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INSERT INTO employees (emp_id, emp_name, dept_id, salary)
VALUES (103, '赵六', 5, 7000.00); -- 错误：外键约束违反

1.5、检查约束

检查约束（CHECK）是一种用于限制数据库表中列或多列取值范围的约束，通过在 CREATE TABLE 或 ALTER TABLE 中定义逻辑表达式来确保数据满足指定条件，如 age BETWEEN 15 AND 40 或 P_Id > 0。

CHEKC约束：限制在这里面范围

**额外补充：**COMMENT：表示可以保注释，就是在代码里面写注释的时候，在查看的时候，会显示注释。

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CREATE TABLE employees (
emp_id INT PRIMARY KEY,
emp_name VARCHAR(50) NOT NULL,
age INT CHECK (age >= 18 AND age <= 65),
salary DECIMAL(10,2) CHECK (salary >= 0)
);
--插入数据测试
INSERT INTO employees (emp_id, emp_name, age, salary)
VALUES (1, '孙七', 25, 5000.00);
INSERT INTO employees (emp_id, emp_name, age, salary)
VALUES (2, '周八', 17, 4000.00);

1.6、默认约束

默认约束（DEFAULT）用于在数据库表的某列未提供值时自动填入预设默认值，例如在 MySQL 中可通过 字段名数据类型 DEFAULT 默认值 设置，或用 ALTER TABLE ... ALTER COLUMN ... SET DEFAULT 添加默认值。

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CREATE TABLE orders (
order_id INT PRIMARY KEY,
customer_name VARCHAR(50) NOT NULL,
order_date TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
status VARCHAR(20) DEFAULT '待处理',
total_amount DECIMAL(10,2) DEFAULT 0.00
);
--插入数据
INSERT INTO orders (order_id, customer_name)
VALUES (1, '吴九');-- order_date 会自动设为当前日期，status 为'待处理'，total_amount 为
0.00

INSERT INTO orders (order_id, customer_name, order_date, status,
total_amount)
VALUES (2, '郑十', '2024-01-20', '已发货', 1500.00);

1.7、自增扩展

自增扩展：针对整型字段设置的一个扩展属性，auto_increment，用于生成唯一的标识符，通常用于主键。

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CREATE TABLE users (
id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
username VARCHAR(50)
);
-- 设置起始值和步长
ALTER TABLE users AUTO_INCREMENT = 1000;

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--测试数据插入例子
INSERT INTO users(username)
VALUES ('张三');
INSERT INTO users(username)
VALUES ('李四');
INSERT INTO users(username)
VALUES ('王五');
INSERT INTO users(username)
VALUES ('小明');
INSERT INTO users(username)
VALUES ('小红');
INSERT INTO users(username)
VALUES ('小芳');

1.8、生成列

在 SQL 数据库中，生成列（Generated Column）是指由表中其他字段计算得到的列 ，因此也称为计算列（Computed Column）。生成列存在两种类型：存储（stored）生成列和虚拟（virtual）生成列。存储生成列和普通列类似，在插入或者更新数据时自动计算并且存储该列的值，需要占用存储空间；虚拟生成列不需要占用存储空间，只在读取时进行计算。STORED 让写入变慢、查询变快；VIRTUAL 让写入变快、查询变慢。

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CREATE TABLE orders (
  id          BIGINT UNSIGNED AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
  user_id     BIGINT UNSIGNED NOT NULL,
  qty         INT NOT NULL DEFAULT 1,
  price       DECIMAL(10,2) NOT NULL,
  first_name  VARCHAR(50) NOT NULL,
  last_name   VARCHAR(50) NOT NULL,
  created_at  DATETIME NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,--时间戳更新，随时有新的时间

  total       DECIMAL(12,2) AS (qty * price) STORED,
  full_name   VARCHAR(101)  AS (CONCAT(first_name,' ',last_name)) VIRTUAL,

  INDEX idx_total (total),
  INDEX idx_full_name (full_name),
  INDEX idx_created_at (created_at)
) ENGINE=InnoDB;

INSERT INTO orders (user_id, qty, price, first_name, last_name)
VALUES (1, 2, 100.00, 'San', 'Zhang'),
       (2, 3,  50.00, 'Si',  'Li');

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-- 也正确：显式写 DEFAULT 占位
INSERT INTO orders (user_id, qty, price, first_name, last_name, total)
VALUES (3, 1, 20.00, 'Wu', 'Wang', DEFAULT);

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-- 错误：手动赋值直接报错
INSERT INTO orders (user_id, qty, price, first_name, last_name, total)
VALUES (4, 1, 20.00, 'Liu', 'Zhao', 999);
-- ERROR 3105 (HY000): The value specified for generated column 'total' in table 'orders' is not allowed.

二、ER图

ER图（实体-关系图）的主要作用是用于数据库设计，通过可视化方式明确实体、属性及其关系，从而指导数据建模、减少冗余并帮助团队理解系统的数据结构。实体关系图，作用就是使用图形描述现实业务的实体及其属性，以及不同实体之间的关系。

2.1、作用：

数据库设计的蓝图：ER图以图形化方式展示实体、属性及其关系，是构建数据库表结构的基础，有助于定义表、字段和外键关系，从而确保数据库结构合理高效。
明确数据需求与结构：通过实体和属性的定义，ER图帮助分析系统需要存储哪些数据，并展示数据之间的关联方式（如1:1、1:N、M:N）。
系统分析与需求建模：分析师使用ER图理解现有系统或新系统的数据需求，识别关键数据实体及其关系，为业务流程建模提供支持。
减少数据冗余、提升数据质量：ER图通过规范化设计和关系梳理，帮助减少冗余数据，提高数据库一致性与查询效率。
促进团队沟通协作：ER图作为可视化模型，使技术人员与非技术人员都能理解数据结构，促进沟通并确保对系统数据模型的统一认知。
辅助数据库调试与维护：将现有数据库与ER图对照，可快速发现设计缺陷或潜在错误，简化调试与后续维护工作。

2.2、核心要素

实体： 客观存在并可相互区分的事物，类似于学生表、班级表、课程表......在ER图中使用矩形框表示
属性： 用无向边连接到其所属的实体或关系，学生ID、姓名name......在ER图中用圆形框表示
关系： 用菱形表示，并用无向边连接到相关的实体，边上注明联系的类型（1:1,1:N, M:N）

实体与实体之间的关系：

一对一的关系：一个身份证对应一个学生

一对多的关系：一个班级可以有多个学生

多对多的关系：一个学生可以选学多门课程，一个课程可以被多个学生选择

对于多对多的时候，可以建立一个关于两个关系的表作为桥梁，包括表1 的和表2的primary key 的主键，和自己的编号，叫做关联表，不出现在ER图里面，存在与表中，例如：

三、数据库的三大范式

3.1、三大范式：

大佬们根据过往的经验总结出来的设计标准

1NF第一范式：表中的每一个字段都是不同分割的原子字段（强调字段原子性）

不遵循第一范式出现的问题---->字段非原子：机会导致表中出现大量的数据冗余，且查询的时候也极为麻烦

2NF第二范式：前置要求：满足第一范式，主要针对组合主键，描述表中所有字段应该对主键完全依赖。一旦我们的字段把并没有完全依赖我们的主键，而是只依赖了一部分，那必然会造成数据冗余。

**3NF第三范式：**必须满足第二范式，表中所有字段都应该与主键直接依赖，不能间接依赖。

危害：一旦表中出现了间接依赖，必然表中会出现大量数据冗余

第四范式（4NF）：在3NF的基础上，消除多值依赖。即如果一个表中的某些列可以取多个值（比如多个电话号码），那么这些多值依赖的列需要剥离出来，创建新表进行处理，确保数据的唯一性和正确性。

第五范式 （5NF）：在4NF的基础上，消除奇异化（即超规范化）。奇异化指的是为了消除多值依赖而剥离出来的列，如果发现这些列之间存在依赖关系（称为" 连接依赖 "），则需要再次拆分为独立的表进行处理。

3.2、数据库范式

数据库范式是用于减少冗余、避免异常并提升一致性的数据库设计规则，常见包括 1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、5NF，其中 1NF 要求字段原子性，2NF 要求完全依赖主键，3NF 消除传递依赖，BCNF 要求所有决定因素为候选键，4NF 处理多值依赖，5NF 处理连接依赖。

数据库表设计中可能存在的问题：

数据冗余：相同数据在多个地方重复存储，浪费空间，且更新时要修改多处，容易出错
更新异常：修改一行数据时，可能导致数据不一致。
插入异常：想插入某些信息，却因为缺少其他信息而无法插入。
删除异常：删除一行数据时，可能意外丢失其他有用信息。

四、多表连接

表连接，会造成大量额数据膨胀，降低效率，因此：

阿里约束，aql语句中，不允许出现3张及以上的表连接
连接的时候，设计了多种不同的连接方式（内连接、外连接（左/右连接）子连接）
并且连接的时候，还会设置连接条件，避免全量连接。

插入数据：

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DROP TABLE IF EXISTS students;
DROP TABLE IF EXISTS classes;

CREATE TABLE classes (
  class_id   INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  class_name VARCHAR(32),
  teacher    VARCHAR(32)
);

CREATE TABLE students (
  student_id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  name       VARCHAR(32),
  class_id   INT
);

INSERT INTO classes (class_id, class_name, teacher) VALUES
  (101, '一班', '王老师'),
  (102, '二班', '李老师'),
  (105, '五班', '张老师');

INSERT INTO students (student_id, name, class_id) VALUES
  (1, '张三', 101),
  (2, '李四', 101),
  (3, '王五', 102),
  (4, '赵六', 103);

4.1、内连接INNER JOIN

两张表连接，取交集的属性

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SELECT s.student_id, s.name, c.class_name, c.teacher
FROM students s
INNER JOIN classes c ON s.class_id = c.class_id;

4.2、外连接（左连接和右连接）

左连接：以左表为基础，从右表中查找符合条件的数据进行连接，如果没有符合条件的数据；left join

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SELECT s.student_id, s.name, c.class_name, c.teacher
FROM students s
LEFT JOIN classes c ON s.class_id = c.class_id;

右连接：以右表为基础，从左表中查找符合条件的数据进行连接 right join

sql 复制代码

SELECT s.student_id, s.name, c.class_name, c.teacher
FROM students s
RIGHT JOIN classes c ON s.class_id = c.class_id;

4.3、笛卡尔积

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SELECT * FROM students JOIN classes;

for a in 左表: # 外层循环，m 次

for b in 右表: # 内层循环，n 次

输出 (a 的所有列 + b 的所有列)

外层 m 次 × 内层 n 次 = m × n 行 。列数则是两表列数相加。