软考（软件设计师）数据库原理-数据库规范化理论，四大范式，完整性约束

关系数据库规范化理论，四大范式，完整性约束

关系数据库规范化是一种组织数据库表结构和字段的技术，目的是减少数据冗余、消除更新异常，并确保数据依赖的合理性。

一、范式基本概念

范式（Normal Form） 是符合某一种级别的关系模式的集合，分为 1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、5NF 等，级别越高约束越严格。

二、各范式详细说明

1. 第一范式（1NF）

要求：

• 表中每个字段都是原子性的，不可再分
• 每个字段具有相同的数据类型
• 每行数据具有唯一性标识（主键）

示例：
不满足 1NF 的表结构：

学生 ID	姓名	课程
1	张三	数学，英语，计算机

满足 1NF 的表结构：

学生 ID	姓名	课程
1	张三	数学
1	张三	英语
1	张三	计算机

2. 第二范式（2NF）

要求：

• 满足 1NF
• 非主属性完全依赖于主键（消除部分依赖）

具体内涵：

• 完全依赖：非主属性必须依赖于整个主键，而非主键的一部分
• 部分依赖：非主属性只依赖于主键的一部分字段

示例：
不满足 2NF 的表结构（存在部分依赖）：

订单 ID	产品 ID	产品名称	数量	单价
1001	P001	手机	2	5000
1001	P002	耳机	1	200

依赖分析：

• 主键：(订单 ID, 产品 ID)
• 部分依赖：产品名称 → 产品 ID，单价 → 产品 ID

分解为满足 2NF 的表：
订单表：

订单 ID	产品 ID	数量
1001	P001	2
1001	P002	1

产品表：

产品 ID	产品名称	单价
P001	手机	5000
P002	耳机	200

订单ID

订单日期

产品ID

产品名称

单价

数量

3. 第三范式（3NF）

要求：

• 满足 2NF
• 非主属性之间不存在传递依赖

具体内涵：

• 传递依赖：若 A → B 且 B → C，则 C 传递依赖于 A
• 3NF 要求消除这种传递关系，确保非主属性直接依赖于主键

示例：
不满足 3NF 的表结构（存在传递依赖）：

学生 ID	系别	系主任
001	计算机	王教授
002	计算机	王教授
003	数学	李教授

依赖分析：

• 学生 ID → 系别 → 系主任（传递依赖）

分解为满足 3NF 的表：
学生表：

学生 ID	系别
001	计算机
002	计算机
003	数学

系别表：

系别	系主任
计算机	王教授
数学	李教授

学生ID

系别

系主任

4. 巴斯 - 科德范式（BCNF）

要求：

• 满足 3NF
• 每个非平凡函数依赖的左边必须包含候选键

具体内涵：

• 非平凡函数依赖：X → Y 且 Y 不包含于 X
• 候选键：能唯一确定整个元组的最小属性集
• BCNF 要求每个决定因素（函数依赖的左边）都是候选键

示例解释：
假设有表CourseInstructor，包含：

• 课程 ID（CourseID）
• 教师 ID（InstructorID）
• 课程类型（CourseType）

函数依赖：

1. (CourseID, InstructorID) → CourseType
2. CourseType → InstructorID（特定类型的课程只能由特定教师教授）

候选键：

• (CourseID, InstructorID)（因为能确定所有属性）

问题：
函数依赖CourseType → InstructorID的左边不是候选键，违反 BCNF

分解为 BCNF：

1. 课程类型表：(CourseType, InstructorID)
2. 授课表：(CourseID, CourseType)

示例：
不满足 BCNF 的表结构：

讲师	课程	教室
张老师	数学	A101
张老师	物理	A102
李老师	数学	A103

依赖分析：

• 候选键：(讲师，课程) 和 (课程，教室)
• 函数依赖：讲师 → 课程（不满足 BCNF）

分解为满足 BCNF 的表：
讲师课程表：

讲师	课程
张老师	数学
张老师	物理
李老师	数学

课程教室表：

课程	教室
数学	A101
物理	A102
数学	A103

三、规范化流程图

非规范化表

第一范式: 原子性

第二范式: 消除部分依赖

第三范式: 消除传递依赖

BCNF: 消除主属性依赖

更高范式: 4NF/5NF

四、规范化步骤与示例

步骤：

1. 确定表的主键
2. 检查是否满足 1NF
3. 消除部分依赖（达到 2NF）
4. 消除传递依赖（达到 3NF）
5. 消除主属性依赖（达到 BCNF）

示例：
原始表结构：

学生 ID	姓名	课程	成绩	系别	系主任
001	张三	数学	90	计算机	王教授
001	张三	英语	85	计算机	王教授
002	李四	数学	92	数学	李教授

规范化过程：

1. 确定主键：(学生 ID, 课程)
2. 1NF 检查：满足（字段不可再分）
3. 2NF 分解：消除部分依赖
   • 学生表：(学生 ID, 姓名，系别，系主任)
   • 选课表：(学生 ID, 课程，成绩)
4. 3NF 分解：消除传递依赖
   • 学生表：(学生 ID, 姓名，系别)
   • 系别表：(系别，系主任)
   • 选课表：(学生 ID, 课程，成绩)

五、反规范化概念

反规范化：在特定场景下，为提高查询性能而有意引入数据冗余的做法。
适用场景：

• 频繁进行连接操作的查询
• 数据仓库和 OLAP 系统
• 对响应时间要求极高的场景

技术手段：

• 增加冗余字段
• 合并表
• 创建物化视图

六、规范化的优缺点

优点：

• 减少数据冗余
• 避免更新异常（插入 / 删除 / 修改异常）
• 提高数据完整性
• 便于数据库维护

缺点：

• 可能导致查询效率降低（需连接多个表）
• 设计和实现复杂度增加
• 对写入操作性能影响较小

七、范式选择原则

• 大多数业务系统推荐达到 3NF
• 对性能要求极高的系统可考虑 BCNF
• 数据仓库和分析系统可适当反规范化
• 避免过度规范化（超过 BCNF 的情况很少需要）

合理的数据库设计应在规范化和性能之间找到平衡点，根据业务需求灵活应用范式理论。

数据库完整性约束

一、完整性约束基本概念

数据库完整性约束

实体完整性

参照完整性

域完整性

用户定义完整性

主键约束

唯一约束

外键约束

数据类型

非空约束

检查约束

存储过程

触发器

断言

数据库完整性约束是数据库管理系统为保证数据的准确性、一致性和可靠性而实施的规则。这些约束确保数据库中的数据符合业务规则和逻辑要求，防止非法数据的插入、更新或删除。

完整性约束的分类：

• 实体完整性：确保表中每行数据的唯一性
• 参照完整性：确保表之间关联关系的有效性
• 域完整性：确保字段值符合特定的数据类型和取值范围
• 用户定义完整性：实现业务特定的约束规则

二、完整性约束的实现方式

1. 实体完整性（Entity Integrity）

实现方式：

• 主键约束（PRIMARY KEY）：唯一标识表中的每一行数据
• 唯一约束（UNIQUE）：确保字段值的唯一性（允许 NULL）
• 自动递增（AUTO_INCREMENT）：为字段提供自动生成的唯一值

示例：

sql

-- 创建表时定义主键
CREATE TABLE users (
    user_id INT PRIMARY KEY,
    username VARCHAR(50) UNIQUE,
    email VARCHAR(100) UNIQUE
);

-- 自增主键示例
CREATE TABLE products (
    product_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

2. 参照完整性（Referential Integrity）

实现方式：

• 外键约束（FOREIGN KEY）：确保一个表中的字段值引用另一个表中的有效记录
• 级联操作（CASCADE）：当主表记录被删除或更新时，自动处理相关从表记录
• 空值处理（SET NULL）：主表记录删除时，从表相关字段置为 NULL

示例：

作用：维护表间关系的一致性

外键约束（FOREIGN KEY）

-- 部门表
CREATE TABLE departments (
    dept_id INT PRIMARY KEY,
    dept_name VARCHAR(50) NOT NULL
);

-- 员工表
CREATE TABLE employees (
    emp_id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(50) NOT NULL,
    dept_id INT,
    FOREIGN KEY (dept_id) REFERENCES departments(dept_id)
        ON DELETE SET NULL    -- 部门删除时设为NULL
        ON UPDATE CASCADE     -- 部门ID更新时级联更新
);

主键 dept_id

外键 dept_id

departments

employees

3. 域完整性（Domain Integrity）

实现方式：

• 数据类型约束：定义字段允许的数据类型（INT, VARCHAR, DATE 等）
• 非空约束（NOT NULL）：确保字段值不为 NULL
• 默认值约束（DEFAULT）：为字段提供默认值
• 检查约束（CHECK）：限制字段值的取值范围

示例：

CREATE TABLE orders (
    order_id INT PRIMARY KEY,
    order_date DATE NOT NULL DEFAULT CURRENT_DATE,
    amount DECIMAL(10, 2) CHECK (amount > 0),
    status VARCHAR(20) CHECK (status IN ('pending', 'paid', 'shipped', 'completed'))
);

4. 用户定义完整性（User-Defined Integrity）

实现方式：

• 存储过程和触发器：在数据操作时执行自定义业务逻辑
• 断言（Assertion）：定义全局约束条件（某些数据库支持）

示例：

-- 创建触发器确保员工年龄在18-65岁之间
DELIMITER $$
CREATE TRIGGER check_age
BEFORE INSERT ON employees
FOR EACH ROW
BEGIN
    IF NEW.age < 18 OR NEW.age > 65 THEN
        SIGNAL SQLSTATE '45000' SET MESSAGE_TEXT = '员工年龄必须在18-65岁之间';
    END IF;
END$$
DELIMITER ;

三、完整性约束的作用

完整性约束

防止数据不一致

维护数据质量

保证业务规则

简化应用开发

实体完整性

参照完整性

域完整性

用户定义完整性

减少应用层验证逻辑

四、完整性约束与性能

性能影响：

• 约束检查会增加数据库操作的开销
• 复杂约束（如触发器）可能导致性能下降

优化建议：

• 在高并发场景下，权衡约束的必要性
• 使用数据库内置约束替代触发器
• 批量操作前临时禁用约束，操作后重新启用

五、完整性约束的管理

常用操作：

-- 添加约束
ALTER TABLE employees ADD CONSTRAINT fk_dept FOREIGN KEY (dept_id) REFERENCES departments(dept_id);

-- 删除约束
ALTER TABLE employees DROP FOREIGN KEY fk_dept;

-- 禁用约束（临时）
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 0;  -- MySQL

-- 启用约束
SET FOREIGN_KEY_CHECKS = 1;  -- MySQL