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为什么需要数据库设计
范式
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。
范式都包括哪些
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）。
键和相关属性的概念
超键：能唯一标识一行数据的属性集，其实只要是主键+任意字段就可以构成一个超键
候选键：真正的能唯一标识一行数据的字段，比如人的身份证号
主键只能有一个，候选键可以有多个
候选键的属性就称为主属性
举例：这里有两个表：
- 球员表(player)：球员编号 | 姓名 | 身份证号 | 年龄 | 球队编号
- 球队表(team)：球队编号 | 主教练 | 球队所在地
超键：对于球员表来说，超键就是包括球员编号或者身份证号的任意组合，比如(球员编号) (球员编号，姓名)(身份证号，年龄)等。
候选键：就是最小的超键，对于球员表来说，候选键就是(球员编号)或者(身份证号)。
主键：我们自己选定，也就是从候选键中选择一个，比如(球员编号)。
外键：球员表中的球队编号。
主属性、非主属性：在球员表中，主属性是(球员编号)(身份证号)，其他的属性(姓名)(年龄)(球队编号)都是非主属性。
第一范式(1st NF)
一、第一范式：主要是确保数据表中每个字段的值必须具有原子性，也就是说数据库表中每个字段的值为不可再次拆分的最小数据单元。
二、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。
第二范式(2nd NF)
一、第二范式要求在满足第一范式的基础上，还要满足==数据表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，其实可以拓展替换为候选键）
非主键字段完全依赖主键：假如表中字段1、字段2组成了一个唯一主键，其余字段（非主键字段）根据这两个字段的值就能确定唯一值，如果某个非主键字段根据字段1（或字段2）就能确定自己的值，那么这就叫非主键字段依赖主键的一部分，这种情况建议给字段1（或字段2）和该非主键字段建立一张独立的表，然后将该表与原来的表进行关联
在淘宝购物提交订单时，一个订单中可能有多个商品，如果把所有信息都放在同一张表中，并设置订单号、商品编号为唯一主键，那么就违反了第二范式，因为订单创建时间、公司名、顾客姓名等信息可以根据订单号确定，商品数量可以根据商品编号确定，因此我们可以设置成两张表
第三范式(3rd NF)
一、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）通俗的讲，该规则的意思是所有非主键属性直接不能有依赖关系，必须相互独立
二、这里的主键可以拓展为候选键
列出部门编号后不能再将部门名称、部门简介等与部门相关的信息再加入员工信息表中了，因为部门名称、部门简介等与部门相关的信息都依赖部门编号这个非主键字段，违反了第三范式
每个非主键属性依赖于主键，依赖于整个主键（不能部分依赖），并且除了主键别无他物（与其他非主键相互独立）
反范式化
概述
应用举例
反范式优化实验对比：
- 创建数据库和表：
- 添加数据
- 满足第三范式，查询
- 查询结果
- 进行反范式化的设计
- 反范式化查询
- 反范式化查询结果
反范式化的新问题
- 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
反范式的适用场景
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。
一、增加冗余字段的建议
二、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。
先遵循三范式，再考虑反范式化
BCNF(巴斯范式)
案例
案例一
一、分析下表的范式情况：
在这个表中，一个仓库只有一个管理员，同时一个管理员也只管理一个仓库。我们先来梳理下这些属性之间的依赖关系。
- 仓库名决定了管理员，管理员也决定了仓库名，同时（仓库名，物品名）的属性集合可以决定数量这个属性。这样，我们就可以找到数据表的候选键。
- 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）。
- 主属性 ：包含在任一候选键中的属性，也就是仓库名，管理员和物品名。
- 非主属性 ：数量这个属性。
二、是否符合三范式（如何判断一张表的范式呢？我们需要根据范式的等级，从低到高来进行判断。）：首先，数据表每个属性都是原子性的，符合 1NF 的要求；其次，数据表中非主属性”数量“都与候选键全部依赖，（仓库名，物品名）决定数量，（管理员，物品名）决定数量。因此，数据表符合 2NF 的要求；最后，数据表中的非主属性，不传递依赖于候选键。因此符合 3NF 的要求
三、存在的问题：既然数据表已经符合了 3NF 的要求，是不是就不存在问题了呢？我们来看下面的情况：
- 增加一个仓库，但是还没有存放任何物品。根据数据表实体完整性的要求，主键不能有空值，因
此会出现 插入异常 ； - 如果仓库更换了管理员，我们就可能会 修改数据表中的多条记录 ；
- 如果仓库里的商品都卖空了，那么此时仓库名称和相应的管理员名称也会随之被删除。
你能看到，即便数据表符合 3NF 的要求，同样可能存在插入，更新和删除数据的异常情况。
四、问题解决
首先我们需要确认造成异常的原因：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，这样就有可能导致上面的异常情况。因此引入BCNF，它在 3NF 的基础上消除了主属性对候选键的部分依赖或者传递依赖关系。
如果在关系R中，U为主键，A属性是主键的一个属性，若存在A->Y，Y为主属性，则该关系不属于BCNF。
根据 BCNF 的要求，我们需要把仓库管理关系warehouse_keeper表拆分成下面这样：
仓库表 ：（仓库名，管理员）
库存表 ：（仓库名，物品名，数量）
这样就不存在主属性对于候选键的部分依赖或传递依赖，上面数据表的设计就符合 BCNF。
案例二
有一个 学生导师表 ，其中包含字段：学生ID，专业，导师，专业GPA，这其中学生ID和专业是联合主键。
这个表的设计满足三范式，但是这里存在另一个依赖关系，“专业”依赖于“导师”，也就是说每个导师只做一个专业方面的导师，只要知道了是哪个导师，我们自然就知道是哪个专业的了。所以这个表的部分主键Major依赖于非主键属性Advisor，那么我们可以进行以下的调整，拆分成2个表：
- 学生导师表：
- 导师表：
第四范式
多值依赖：一个属性可以决定N个属性的值
单值依赖：像函数，一个变量决定另一个变量的值
第四范式在满足第三范式的基础上，去除了非平凡的多值依赖、函数依赖，只保留了平凡的多值依赖
案例
案例一
职工表(职工编号，职工孩子姓名，职工选修课程)。在这个表中，同一个职工可能会有多个职工孩子姓名。同样，同一个职工也可能会有多个职工选修课程，即这里存在着多值事实（存在多个一对多的情况，即非平凡的多值依赖），不符合第四范式。
如果要符合第四范式，只需要将上表分为两个表，使它们只有一个多值事实，例如： 职工表一 (职工编号，职工孩子姓名)， 职工表二 (职工编号，职工选修课程)，两个表都只有一个多值事实，所以符合第四范式。
案例二
建立课程、教师、教材的模型。我们规定，每门课程有对应的一组教师，每门课程也有对应的一组教材，一门课程使用的教材和教师没有关系。我们建立的关系表如下：课程ID，教师ID，教材ID；这三列作为联合主键。（为了表述方便，我们用Name代替ID，这样更容易看懂）
这个表除了主键，就没有其他字段了，所以肯定满足BC范式，但是却存在 多值依赖 导致的异常。假如我们下学期想采用一本新的英版高数教材，但是还没确定具体哪个老师来教，那么我们就无法在这个表中维护Course高数和Book英版高数教材的的关系。
解决办法是我们把这个多值依赖的表拆解成2个表，分别建立关系。这是我们拆分后的表：
以及
第五范式、域键范式
一、除了第四范式外，我们还有更高级的第五范式（又称完美范式）和域键范式（DKNF）。
二、在满足第四范式（4NF）的基础上，消除不是由候选键所蕴含的连接依赖。如果关系模式R中的每一个连接依赖均由R的候选键所隐含，则称此关系模式符合第五范式。
三、函数依赖是多值依赖的一种特殊的情况，而多值依赖实际上是连接依赖的一种特殊情况。但连接依赖不像函数依赖和多值依赖可以由 语义直接导出 ，而是在 关系连接运算 时才反映出来。存在连接依赖的关系模式仍可能遇到数据冗余及插入、修改、删除异常等问题。
四、第五范式处理的是 无损连接问题 ，这个范式基本 没有实际意义 ，因为无损连接很少出现，而且难以察觉。而域键范式试图定义一个 终极范式 ，该范式考虑所有的依赖和约束类型，但是实用价值也是最小的，只存在理论研究中。