数据库设计规范
1.为什么需要数据库设计
2.范 式
2.1 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。
2.2 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）。
2.3 键和相关属性的概念
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。
2.4 第一范式(1st NF)
举例1：
假设一家公司要存储员工的姓名和联系方式。它创建一个如下表
该表不符合 1NF ，因为规则说“表的每个属性必须具有原子（单个）值”，lisi和zhaoliu员工的
emp_mobile 值违反了该规则。为了使表符合 1NF ，我们应该有如下表数据：
举例2：
user 表的设计不符合第一范式
其中，user_info字段为用户信息，可以进一步拆分成更小粒度的字段，不符合数据库设计对第一范式的
要求。将user_info拆分后如下：
举例3：
属性的原子性是 主观的 。例如，Employees关系中雇员姓名应当使用1个（fullname）、2个（firstname
和lastname）还是3个（firstname、middlename和lastname）属性表示呢？答案取决于应用程序。如果应
用程序需要分别处理雇员的姓名部分（如：用于搜索目的），则有必要把它们分开。否则，不需要。
2.5 第二范式(2nd NF)
在满足第一范式的基础上,还要满足数据表中的每一条数据记录,都是可唯一标识的.而且所有非主键字段,都必须完全依赖于主键,而不是主键的一部分,如果知道主键所有属性的值,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成候选键)
举例1：
成绩表 （学号，课程号，成绩）关系中，（学号，课程号）可以决定成绩，但是学号不能决定成绩，课
程号也不能决定成绩，所以“（学号，课程号）→成绩”就是 完全依赖关系 。
举例2：
比赛表 player_game ，里面包含球员编号、姓名、年龄、比赛编号、比赛时间和比赛场地等属性，这
里候选键和主键都为（球员编号，比赛编号），我们可以通过候选键（或主键）来决定如下的关系
(球员编号, 比赛编号) → (姓名, 年龄, 比赛时间, 比赛场地，得分)
但是这个数据表不满足第二范式，因为数据表中的字段之间还存在着如下的对应关系：
(球员编号) → (姓名，年龄) (比赛编号) → (比赛时间, 比赛场地)
对于非主属性来说，并非完全依赖候选键。这样会产生怎样的问题呢？
- 数据冗余 ：如果一个球员可以参加 m 场比赛，那么球员的姓名和年龄就重复了 m-1 次。一个比赛
也可能会有 n 个球员参加，比赛的时间和地点就重复了 n-1 次。 - 插入异常 ：如果我们想要添加一场新的比赛，但是这时还没有确定参加的球员都有谁，那么就没
法插入。 - 删除异常 ：如果我要删除某个球员编号，如果没有单独保存比赛表的话，就会同时把比赛信息删
除掉。 - 更新异常 ：如果我们调整了某个比赛的时间，那么数据表中所有这个比赛的时间都需要进行调
整，否则就会出现一场比赛时间不同的情况。
为了避免出现上述的情况，我们可以把球员比赛表设计为下面的三张表
这样的话，每张数据表都符合第二范式，也就避免了异常情况的发生。
1NF 告诉我们字段属性需要是原子性的，而 2NF 告诉我们一张表就是一个独立的对象，一张表只
表达一个意思。
举例3：
定义了一个名为 Orders 的关系，表示订单和订单行的信息：
违反了第二范式，因为有非主键属性仅依赖于候选键（或主键）的一部分。例如，可以仅通过orderid找
到订单的 orderdate，以及 customerid 和 companyname，而没有必要再去使用productid。
修改：
Orders表和OrderDetails表如下，此时符合第二范式。
2.6 第三范式(3rd NF)
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的情况
举例1：
部门信息表 ：每个部门有部门编号（dept_id）、部门名称、部门简介等信息。
员工信息表 ：每个员工有员工编号、姓名、部门编号。列出部门编号后就不能再将部门名称、部门简介
等与部门有关的信息再加入员工信息表中。
如果不存在部门信息表，则根据第三范式（3NF）也应该构建它，否则就会有大量的数据冗余。
举例2：
商品类别名称依赖于商品类别编号，不符合第三范式。
修改：
表1：符合第三范式的 商品类别表 的设计
表2：符合第三范式的 商品表 的设计
商品表goods通过商品类别id字段（category_id）与商品类别表goods_category进行关联
符合3NF后的数据模型通俗地讲，2NF和3NF通常以这句话概括：“每个非键属性依赖于键，依赖于
整个键，并且除了键别无他物”。
总结
关于数据表的设计，有三个范式要遵循。
(1）第一范式（1NF)，确保每列保持原子性
数据库的每一列都是不可分割的原子数据项，不可再分的最小数据单元，而不能是集合、数组、记录等非原子数据项。
(2）第二范式(2NF)，确保每列都和主键完全依赖
尤其在复合主键的情况下，非主键部分不应该依赖于部分主键。
(3）第三范式(3NF）确保每列都和主键列直接相关，而不是间接相关
范式的优点:数据的标准化有利于消除数据库的数据冗余,第三范式(3nf)通常被认为是性能,拓展性,和数据完整性方面达到了最好的平衡
范式的缺点:范式的使用,可能 降低查询的效率. 因为范式等级越高,设计出来的表越多越精细,数据的冗余度越低,进行数据查询就可能 关联多张表 这不但代价昂贵,也可能使一些索引策略无效
范式只是提供了设计的准则,实际上设计表的时候,未必符合这一些标准,开发中我们会出现为了性能和读写效率违反范式化的原则,通过增加少量冗余或重复的数据来提高数据库的读性能,减少关联查询,join表的次数,实现空间换时间的目的,所以设计过程中要结合实际灵活运用
范式本身没有优劣之分，只有适用场景不同。没有完美的设计，只有合适的设计，我们在数据表的设计中，还需要根据需求将范式和反范式混合使用。
3. 反范式化
3.1 概述
业务优先的原则 ,首先满足业务需求,再尽量减少冗余
如果数据库的数据量过大,系统的UV和PV访问频次会比较高,则完全按照mysql的三大范式设计表,读数据时会产生大量的关联查询,在一定程度上影响数据库的读性能,反范式化是一种思路,可以在数据表中添加一些冗余字段来提高数据库的读性能
规范化 vs 性能
- 为满足某种商业目标 , 数据库性能比规范化数据库更重要
- 在数据规范化的同时 , 要综合考虑数据库的性能
- 通过在给定的表中添加额外的字段，以大量减少需要从中搜索信息所需的时间
- 通过在给定的表中插入计算列，以方便查询
举例1：
员工的信息存储在 employees 表 中，部门信息存储在 departments 表 中。通过 employees 表中的
department_id字段与 departments 表建立关联关系。如果要查询一个员工所在部门的名称：
select employee_id,department_name from employees e join departments d on e.department_id = d.department_id;
如果经常需要进行这个操作，连接查询就会浪费很多时间。可以在 employees 表中增加一个冗余字段
department_name，这样就不用每次都进行连接操作了
举例2：
反范式化的 goods商品信息表 设计如下：
3.3 反范式的新问题
- 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
3.4 反范式的适用场景
当冗余信息有价值或者大幅度提高查询效的时候，我们才会采取反范式的优化。
- 增加冗余字段的建议
- 这个冗余字段不需要经常进行修改
- 这个冗余字段查询的时候不可或缺
- 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。
就比如在购买商品后把当时设置的地址放入订单表中,以后修改地址信息,就不会直接把下订单的时候的地址修改了,方便以后核对
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。
数据仓库和数据库使用上的区别
- 数据库的目的是捕获数据,而数据仓库设计的目的是为了分析数据
- 数据库对数据的增删改实时性要求强,需要存储在线用户的数据,而数据仓库存储的一般是历史数据
- 数据库的设计尽量避免冗余 ,但为了提高查询效率也允许一定的冗余度,而数据仓库在设计上更偏向采用反范式化设计
4. BCNF(巴斯范式)
人们在3NF的基础上进行了改进，提出了巴斯范式(BCNF)，也叫做巴斯-科德范式(Boyce-Codd NormalForm)。BCNF被认为没有新的设计规范加入，只是对第三范式中设计规范要求更强，使得数据库冗余度更小。所以，称为是修正的第三范式，或扩充的第三范式，BCNF不被称为第四范式。
若一个关系达到了第三范式，并且它只有一个候选键，或者它的每个候选键都是单属性，则该关系自然达到Bc范式。
一般来说，一个数据库设计符合3NF或BCNF就可以了。
案例
我们分析如下表的范式情况：
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。
2. 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。
3. 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：
1. 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 ； 2. 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。 - 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。
再举例：
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：
Advisor
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