關(guān)係資料庫設(shè)計：綜合指南

關(guān)聯(lián)式資料庫設(shè)計是有效資料庫系統(tǒng)的基石，專注於有效組織數(shù)據(jù)，同時減少冗餘並保持資料完整性。本文對分解、規(guī)範(fàn)化、函數(shù)依賴和鍵進(jìn)行了徹底的探索，確保您完全理解關(guān)聯(lián)式資料庫設(shè)計原則。

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關(guān)係資料庫設(shè)計中的分解

分解是將一個大的關(guān)係（表）分解成更小的、有意義的關(guān)係，以消除冗餘、提高一致性並優(yōu)化效能的過程。這是正?；年P(guān)鍵面向。

分解類型

1. 有損分解:

   • 如果原始表無法透過連接分解的關(guān)係來完美重建，則分解是有損。
   • 當(dāng)分解過程中某些資料或關(guān)係遺失時，就會發(fā)生這種情況。
   • 範(fàn)例： 考慮下表：

    EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
    ---------------------------------------
    E1         | P1        | M1
    E2         | P1        | M1
   

   如果將其分解為：

   • 表 1：員工 ID |專案ID
   • 表 2：專案 ID |專案經(jīng)理 重新連接這些表格可能會導(dǎo)致數(shù)據(jù)重複或不一致，從而導(dǎo)致有損分解。

2. 無損分解:

   • 如果可以透過連接分解的關(guān)係來完美地重建原始表，而不會丟失任何數(shù)據(jù)或引入不一致，那麼分解就是無損。
   • 當(dāng)分解保留所有函數(shù)依賴關(guān)係或每個分解關(guān)係中包含關(guān)鍵屬性時，即可實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

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功能依賴

函數(shù)依賴 (FD) 描述關(guān)係中兩個屬性之間的關(guān)係，其中一個屬性（或?qū)傩约┑闹禌Q定另一個屬性（或?qū)傩约┑闹?。它是關(guān)係資料庫設(shè)計和規(guī)範(fàn)化中的基本概念。

定義：

設(shè) X 和 Y 為關(guān)係 R 中的屬性集。函數(shù)依賴

X → Y 表示對於 R 中的任兩個元組（行），如果元組在 X 的值上一致，他們也必須就 Y 的值達(dá)成一致。

• X：行列式（左側(cè)的屬性）。
• Y：依賴（右邊的屬性）。

例子：

考慮一個儲存學(xué)生資料的表格：

StudentID | Name    | Major
----------------------------
S1        | Alice   | CS
S2        | Bob     | EE
S3        | Alice   | CS

這裡，StudentID → 姓名、專業(yè)，因?yàn)?StudentID 唯一決定姓名和專業(yè)。

函數(shù)依賴的屬性：

1. 自反性：若 Y 是 X 的子集，則 X → Y。
2. 增強(qiáng)：如果 X → Y，則 XZ → YZ（向兩側(cè)添加屬性保留依賴關(guān)係）。
3. 傳遞性：若 X → Y 且 Y → Z，則 X → Z。

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關(guān)係資料庫中的鍵

鍵對於唯一識別表中的記錄和強(qiáng)制資料完整性至關(guān)重要。

鑰匙類型：

1. 超級鍵：

   • 一組一個或多個屬性，可以唯一標(biāo)識關(guān)係中的元組。
   • 範(fàn)例：在具有 EmployeeID 和 Name 屬性的表中，{EmployeeID}、{EmployeeID, Name} 是超級鍵。

2. 候選金鑰:

   • 最小的超級鍵，表示它的沒有適當(dāng)?shù)淖蛹彩浅夋I。
   • 範(fàn)例：如果 {EmployeeID} 可以唯一識別一個元組，則它是候選鍵。

3. 主鍵:

   • 資料庫設(shè)計者選擇的候選鍵，用於唯一標(biāo)識元組。
   • 範(fàn)例：Employee 表中的 EmployeeID。

4. 外鍵:

   • 一個表中的屬性（或一組屬性）引用另一個表中的主鍵，從而在表之間建立關(guān)係。
   • 範(fàn)例：員工表中的 DepartmentID 引用部門表中的 DepartmentID。

5. 複合鍵:

   • 由兩個或多個屬性組成的主鍵。
   • 範(fàn)例：學(xué)生註冊表中的（StudentID、CourseID）。

6. 唯一密鑰：

   • 一個鍵約束，確保列（或列組合）中的所有值都是唯一的。

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規(guī)範(fàn)化和範(fàn)式

標(biāo)準(zhǔn)化是組織屬性和關(guān)係以減少冗餘和依賴性、確保資料完整性的過程。這是透過逐步滿足連續(xù)範(fàn)式的標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的。

範(fàn)式（綜合概述）

第一範(fàn)式 (1NF)

定義:

若關(guān)係符合以下條件，則稱為 第一範(fàn)式 (1NF)：

1. 原子性：所有屬性（列）必須包含原子值。這意味著每列中的值是不可分割的並且不能進(jìn)一步細(xì)分。
2. 單值條目：表中的每一列都應(yīng)包含單一資料類型的值，且任何列都不應(yīng)包含集合、列表或陣列。
3. 行的唯一性：每一行必須是唯一的，這表示表格應(yīng)該有一個主鍵來區(qū)分行。
4. 無重複群組：表格不應(yīng)具有相同屬性的多個欄位（如 Item1、Item2 等），也不應(yīng)在單一儲存格中儲存多個值。

說明：

• 原子值：每個單元格中的資料必須採用最簡單的形式。例如，每個項(xiàng)目應(yīng)該佔(zhàn)據(jù)自己的行，而不是在一個單元格中儲存多個項(xiàng)目。
• 重複組：這是多列或多行代表相同類型資料的地方，使得表不符合 1NF。
• 主鍵：主鍵確保每一行都是唯一可辨識的，這是關(guān)聯(lián)式資料庫的基本要求。

範(fàn)例：

不合規(guī)表（不在 1NF 中）：

 EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
 ---------------------------------------
 E1         | P1        | M1
 E2         | P1        | M1

• Items 列違反了原子性，因?yàn)樗鄠€值（例如，「筆，筆記本」）。
• 存在重複的群組，因?yàn)轫?xiàng)目儲存在單一儲存格中而不是單獨(dú)的行中。

合規(guī)表（在 1NF 中）：

StudentID | Name    | Major
----------------------------
S1        | Alice   | CS
S2        | Bob     | EE
S3        | Alice   | CS

• 這裡，項(xiàng)目列被分解為原子值，每個項(xiàng)目位於單獨(dú)的行中。
• 沒有一個單元格包含多個值，確保原子性。
• 該表沒有重複的組或數(shù)組，使其符合 1NF。

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第二範(fàn)式 (2NF)

定義:

若滿足下列條件，則關(guān)係為 第二範(fàn)式 (2NF)：

1. 它已經(jīng)處於第一範(fàn)式（1NF）（即沒有多值或重複組）。
2. 每個非主屬性在功能上完全依賴整個主鍵。

• 非素數(shù)屬性：不屬於任何候選鍵的屬性。
• 完全功能依賴：非素數(shù)屬性必須依賴整個複合主鍵，而不僅僅是其中的一部分。

說明：

• 當(dāng)非主屬性只依賴複合主鍵的一部分而不是整個鍵時，就會發(fā)生部分依賴。
• 2NF 透過將關(guān)係分解為更小的關(guān)係來消除部分依賴，確保非素數(shù)屬性僅依賴整個主鍵或另一個候選鍵。

這一步減少了部分依賴造成的冗餘，更好地組織資料。

範(fàn)例：

不合規(guī)表（不在 2NF 中）：

考慮一個儲存學(xué)生課程資訊的表格：

 EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
 ---------------------------------------
 E1         | P1        | M1
 E2         | P1        | M1

• 複合主鍵：（StudentID，CourseID）。
• 部分依賴：
  • 教師和部門僅依賴 CourseID，而不依賴整個主鍵（StudentID、CourseID）。

這違反了 2NF，因?yàn)榉侵鲗傩裕ㄖv師和部門）部分依賴組合鍵。

相容表（在 2NF 中）：

要刪除部分依賴關(guān)係，請將表分解為兩個關(guān)係：

1. 學(xué)生課表：

StudentID | Name    | Major
----------------------------
S1        | Alice   | CS
S2        | Bob     | EE
S3        | Alice   | CS

1. 課程詳情表：

OrderID | Items
-------------------
1       | Pen, Notebook
2       | Pencil

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第三範(fàn)式 (3NF)

定義:

若滿足下列條件，則關(guān)係為 第三範(fàn)式 (3NF)：

1. 它採用第二範(fàn)式（2NF）（即沒有部分依賴）。
2. 不存在傳遞依賴，這表示：
   • 沒有一個非主屬性依賴另一個非主屬性。
   • 非主屬性應(yīng)該只依賴候選鍵，而不是透過另一個非主屬性。

• 非素數(shù)屬性：不屬於任何候選鍵的屬性。
• 傳遞依賴：非主屬性透過另一個非主屬性間接依賴候選鍵的依賴。

說明:

在 3NF 中，我們消除傳遞依賴以減少冗餘並提高資料一致性。

• 傳遞依賴範(fàn)例：如果 A → B 且 B → C，則 A → C 是傳遞依賴。這意味著 C 透過 B 間接依賴 A。
• 此類依賴關(guān)係會引入冗餘，因?yàn)閷?B 的變更可能會導(dǎo)致更新 C 時出現(xiàn)異常。

範(fàn)例：

不合規(guī)表（不在 3NF 中）：

OrderID | Item
---------------
1       | Pen
1       | Notebook
2       | Pencil

候選鍵：StudentID 唯一標(biāo)識每一行。

• 問題：HOD屬性取決於Department，而不是直接取決於StudentID。
  • 學(xué)生 ID → 部門（直接依賴）。
  • 部門 → HOD（傳遞依賴）。
  • 因此，StudentID → HOD 是傳遞依賴。

這種結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致冗餘：如果 CS 部門的 HOD 發(fā)生變化，則需要更新多行。

相容表（在 3NF 中）：

要解決傳遞依賴關(guān)係，請將表分解為兩個關(guān)係：

1. 學(xué)生系表：

 EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
 ---------------------------------------
 E1         | P1        | M1
 E2         | P1        | M1

1. 部門-HOD表：

StudentID | Name    | Major
----------------------------
S1        | Alice   | CS
S2        | Bob     | EE
S3        | Alice   | CS

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Boyce-Codd 範(fàn)式 (BCNF)

定義:

若符合下列條件，則關(guān)係為 Boyce-Codd 範(fàn)式 (BCNF)：

1. 它採用第三範(fàn)式（3NF）（即不存在部分或傳遞依賴）。
2. 每個行列式都是候選鍵。

• 行列式：另一個屬性在功能上所依賴的屬性（或一組屬性）。
• 候選鍵：可以唯一標(biāo)識關(guān)係中每個元組的最小屬性集。

3NF 和 BCNF 之間的主要差異：

• 雖然 3NF 允許某些依賴關(guān)係，其中非素數(shù)屬性在功能上依賴候選鍵，但 BCNF 透過確保每個行列式都是候選鍵來消除任何此類異常情況。

說明:

BCNF 比 3NF 更嚴(yán)格，解決了關(guān)係可能滿足 3NF 但仍然具有由於違反 BCNF 的依賴關(guān)係而導(dǎo)致的冗餘的情況。

何時需要 BCNF：

• 當(dāng)非候選鍵屬性決定了候選鍵的一部分，導(dǎo)致冗餘和異常時，BCNF 是必要的。

範(fàn)例：

不合規(guī)表（不在 BCNF 中）：

OrderID | Items
-------------------
1       | Pen, Notebook
2       | Pencil

函數(shù)依賴：

1. 課程ID → 講師
2. 教練 → 房間

候選鍵：課程ID

問題：

• 行列式 Instructor 不是候選鍵，而是決定 Room。
• 這違反了 BCNF，因?yàn)閬K非所有決定因素都是候選鍵。

相容表（BCNF 中）：

要實(shí)現(xiàn) BCNF，請將表分解為兩個關(guān)係式：

1. 課程-講師表：

OrderID | Item
---------------
1       | Pen
1       | Notebook
2       | Pencil

1. 教練室桌子：

StudentID | CourseID | Instructor | Department
----------------------------------------------
S1        | C1       | Dr. Smith  | CS
S2        | C2       | Dr. Jones  | EE
S1        | C2       | Dr. Jones  | EE

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第四範(fàn)式 (4NF)

定義:

若符合下列條件，則關(guān)係屬於 第四範(fàn)式 (4NF)：

1. 它採用 Boyce-Codd 範(fàn)式 (BCNF)（即沒有部分、傳遞或其他異常）。
2. 它沒有任何多值依賴項(xiàng)。

• 多值依賴（MVD）：當(dāng)表中的一個屬性決定多個獨(dú)立的屬性集時，就存在多值依賴。換句話說，如果一個關(guān)係包含兩個或多個彼此不相關(guān)的獨(dú)立多值屬性，則違反了 4NF。

說明:

在4NF 中，主要目標(biāo)是消除多值依賴，當(dāng)記錄包含兩個或多個不直接相關(guān)但由於依賴於同一鍵而出現(xiàn)在一起的獨(dú)立屬性時，就會發(fā)生這種情況。

• 這些類型的依賴關(guān)係會導(dǎo)致冗餘，因?yàn)橄嗤Y訊的多個副本在行中重複。
• 透過分解關(guān)係以刪除 MVD，我們消除了冗餘並提高了資料庫的一致性。

關(guān)鍵概念：

• 在 4NF 中，關(guān)係不應(yīng)具有兩個或多個依賴候選鍵的多值屬性。必須透過適當(dāng)分解表來消除每個多值依賴關(guān)係。

範(fàn)例：

不合規(guī)表（不在 4NF 中）：

考慮一個儲存有關(guān)學(xué)生、他們參加的課程以及他們參與的俱樂部的資訊的表：

 EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
 ---------------------------------------
 E1         | P1        | M1
 E2         | P1        | M1

候選鍵：StudentID

多值依賴:

• StudentID 可以確定一組課程和一組俱樂部，但這些組是相互獨(dú)立的。
  • StudentID → {Courses}（StudentID 與 Courses 之間的多值相依性）
  • StudentID → {Clubs}（StudentID 和 Clubs 之間的多值依賴）

表格違反了 4NF，因?yàn)?StudentID 獨(dú)立確定課程和俱樂部。這會導(dǎo)致冗餘，因?yàn)橥粚W(xué)生 ID 在不同的課程和俱樂部組合中重複多次。

相容表（在 4NF 中）：

為了使表符合4NF，我們必須透過將其分解為兩個表來消除多值依賴：

1. 學(xué)生課表：

StudentID | Name    | Major
----------------------------
S1        | Alice   | CS
S2        | Bob     | EE
S3        | Alice   | CS

1. 學(xué)生俱樂部桌：

OrderID | Items
-------------------
1       | Pen, Notebook
2       | Pencil

現(xiàn)在，兩個多值依賴項(xiàng)是分開處理的：

• 學(xué)生-課程表儲存學(xué)生和他們所修課程之間的關(guān)係。
• 學(xué)生俱樂部表格儲存學(xué)生和他們所參與的俱樂部之間的關(guān)係。

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第五範(fàn)式 (5NF)

定義:

關(guān)係採用 第五範(fàn)式 (5NF)，也稱為 投影連結(jié)範(fàn)式 (PJNF)，如果：

1. 它採用第四範(fàn)式（4NF）（即不存在多值依賴關(guān)係）。
2. 它不能在不遺失資訊的情況下進(jìn)一步分解，這意味著該關(guān)係不包含任何連接依賴或無損連接分解。

• 連接依賴（JD）：當(dāng)一個關(guān)係可以分解為兩個或多個關(guān)係，但當(dāng)它們重新連接在一起時，不會丟失任何信息，就會發(fā)生連接依賴。換句話說，當(dāng)一個關(guān)係可以分為子關(guān)係，但原始關(guān)係可以在不遺失任何資料的情況下重建時，就存在連結(jié)依賴。

說明:

5NF 處理連接依賴，它確保資料以這樣的方式分解，即所有資訊都可以從分解的部分重建，而不會丟失任何資料。 5NF 中的關(guān)係的設(shè)計方式是，其所有重要的連接依賴關(guān)係都由其候選鍵隱含。

• 無損連接分解：當(dāng)一個關(guān)係被分解為更小的關(guān)係然後重新連接時，原始關(guān)係可以完全重建，而不會丟失任何數(shù)據(jù)。如果一個關(guān)係不能在不導(dǎo)致資訊遺失的情況下進(jìn)一步分解，則該關(guān)係處於 5NF 狀態(tài)。
• 非平凡連接依賴性：如果連接依賴性未被簡單滿足（即，並非關(guān)係中的所有屬性都存在於連接依賴性中），則連接依賴性是非平凡的。

簡單來說，5NF 關(guān)注的是確保不存在因分解不當(dāng)而導(dǎo)致的冗餘。它保證當(dāng)關(guān)係被分解並隨後連接回來時，所有原始數(shù)據(jù)仍然可用，沒有任何丟失或歧義。

範(fàn)例：

不合規(guī)表（不在 5NF 中）：

考慮一個表，儲存哪些供應(yīng)商為不同項(xiàng)目提供哪些零件的資訊：

 EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
 ---------------------------------------
 E1         | P1        | M1
 E2         | P1        | M1

候選鍵：（供應(yīng)商、零件、項(xiàng)目）

加入依賴:

上面的關(guān)係具有連接依賴性，因?yàn)樗梢苑纸鉃楦〉年P(guān)係而不丟失資訊。例如，表格可以分解為三個子關(guān)係：

1. 供應(yīng)商零件表：

 EmployeeID | ProjectID | ProjectManager
 ---------------------------------------
 E1         | P1        | M1
 E2         | P1        | M1

1. 供應(yīng)商-專案表：

StudentID | Name    | Major
----------------------------
S1        | Alice   | CS
S2        | Bob     | EE
S3        | Alice   | CS

1. 部分項(xiàng)目表：

OrderID | Items
-------------------
1       | Pen, Notebook
2       | Pencil

透過將表分解為這些較小的關(guān)係，我們?nèi)匀豢梢酝高^對這三個較小的關(guān)係執(zhí)行自然連接來重新建立原始表。

但是，由於這種分解是可能的，所以它違反了 5NF。它違反 5NF 的原因是，關(guān)於哪個供應(yīng)商為給定項(xiàng)目提供哪個部件的資訊被冗餘地儲存在多行中。我們多次儲存相同的事實(shí)，這是不必要的，並且可能會導(dǎo)致不一致。

合規(guī)表（5NF 中）：

為了實(shí)現(xiàn) 5NF，我們分解表，以便在不丟失資訊的情況下無法進(jìn)一步分解關(guān)係：

1. 供應(yīng)商-部分-專案表：

OrderID | Item
---------------
1       | Pen
1       | Notebook
2       | Pencil

在這種形式中，關(guān)係現(xiàn)在處於 5NF 狀態(tài)，因?yàn)樗鼰o法在不丟失資料的情況下進(jìn)一步分解。該表表示與原始表相同的信息，但以更規(guī)範(fàn)的形式表示，其中每個屬性完全依賴候選鍵，並且不存在由於分解不當(dāng)而導(dǎo)致的冗餘。

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關(guān)係設(shè)計中的關(guān)鍵概念

• 多值依賴：當(dāng)一個屬性決定多個獨(dú)立值時。
• 連線依賴：確保在連線期間不會建立虛假元組。
• 依賴關(guān)係保留：確保分解後保留所有函數(shù)依賴關(guān)係。

這份綜合指南使您能夠掌握關(guān)聯(lián)式資料庫設(shè)計，確保資料庫系統(tǒng)有效率、一致且無異常。

以上是關(guān)係型資料庫設(shè)計：DBMS的詳細(xì)內(nèi)容。更多資訊請關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！