引言
數據庫的設計范式是數據庫設計所需要滿(mǎn)足的規范，滿(mǎn)足這些規范的數據庫是簡(jiǎn)潔的、結構明晰的，同時(shí)，不會(huì )發(fā)生插入（insert）、刪除（delete）和更新（update）操作異常。反之則是亂七八糟，不僅給數據庫的編程人員制造麻煩，而且面目可憎，可能存儲了大量不需要的冗余信息。
設計范式是不是很難懂呢？非也，大學(xué)教材上給我們一堆數學(xué)公式我們當然看不懂，也記不住。所以我們很多人就根本不按照范式來(lái)設計數據庫。
實(shí)質(zhì)上，設計范式用很形象、很簡(jiǎn)潔的話(huà)語(yǔ)就能說(shuō)清楚，道明白。本文將對范式進(jìn)行通俗地說(shuō)明，并以筆者曾經(jīng)設計的一個(gè)簡(jiǎn)單論壇的數據庫為例來(lái)講解怎樣將這些范式應用于實(shí)際工程。
范式說(shuō)明 第一范式（1NF）：數據庫表中的字段都是單一屬性的，不可再分。這個(gè)單一屬性由基本類(lèi)型構成，包括整型、實(shí)數、字符型、邏輯型、日期型等。
例如，如下的數據庫表是符合第一范式的：
而這樣的數據庫表是不符合第一范式的：
| 字段1 | 字段2 | 字段3 | 字段4 |
| | | 字段3.1 | 字段3.2 | |
很顯然，在當前的任何關(guān)系數據庫管理系統（DBMS）中，傻瓜也不可能做出不符合第一范式的數據庫，因為這些DBMS不允許你把數據庫表的一列再分成二列或多列。因此，你想在現有的DBMS中設計出不符合第一范式的數據庫都是不可能的。
第二范式（2NF）：數據庫表中不存在非關(guān)鍵字段對任一候選關(guān)鍵字段的部分函數依賴(lài)（部分函數依賴(lài)指的是存在組合關(guān)鍵字中的某些字段決定非關(guān)鍵字段的情況），也即所有非關(guān)鍵字段都完全依賴(lài)于任意一組候選關(guān)鍵字。
假定選課關(guān)系表為SelectCourse(學(xué)號, 姓名, 年齡, 課程名稱(chēng), 成績(jì), 學(xué)分)，關(guān)鍵字為組合關(guān)鍵字(學(xué)號, 課程名稱(chēng))，因為存在如下決定關(guān)系：
(學(xué)號, 課程名稱(chēng)) → (姓名, 年齡, 成績(jì), 學(xué)分)
這個(gè)數據庫表不滿(mǎn)足第二范式，因為存在如下決定關(guān)系：
(課程名稱(chēng)) → (學(xué)分)
(學(xué)號) → (姓名, 年齡)
即存在組合關(guān)鍵字中的字段決定非關(guān)鍵字的情況。
由于不符合2NF，這個(gè)選課關(guān)系表會(huì )存在如下問(wèn)題：
(1) 數據冗余：
同一門(mén)課程由n個(gè)學(xué)生選修，"學(xué)分"就重復n-1次；同一個(gè)學(xué)生選修了m門(mén)課程，姓名和年齡就重復了m-1次。
(2) 更新異常：
若調整了某門(mén)課程的學(xué)分，數據表中所有行的"學(xué)分"值都要更新，否則會(huì )出現同一門(mén)課程學(xué)分不同的情況。
(3) 插入異常：
假設要開(kāi)設一門(mén)新的課程，暫時(shí)還沒(méi)有人選修。這樣，由于還沒(méi)有"學(xué)號"關(guān)鍵字，課程名稱(chēng)和學(xué)分也無(wú)法記錄入數據庫。
(4) 刪除異常：
假設一批學(xué)生已經(jīng)完成課程的選修，這些選修記錄就應該從數據庫表中刪除。但是，與此同時(shí)，課程名稱(chēng)和學(xué)分信息也被刪除了。很顯然，這也會(huì )導致插入異常。
把選課關(guān)系表SelectCourse改為如下三個(gè)表：
學(xué)生：Student(學(xué)號, 姓名, 年齡)；
課程：Course(課程名稱(chēng), 學(xué)分)；
選課關(guān)系：SelectCourse(學(xué)號, 課程名稱(chēng), 成績(jì))。
這樣的數據庫表是符合第二范式的， 消除了數據冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。
另外，所有單關(guān)鍵字的數據庫表都符合第二范式，因為不可能存在組合關(guān)鍵字。
第三范式（3NF）：在第二范式的基礎上，數據表中如果不存在非關(guān)鍵字段對任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數依賴(lài)則符合第三范式。所謂傳遞函數依賴(lài)，指的是如果存在"A → B → C"的決定關(guān)系，則C傳遞函數依賴(lài)于A(yíng)。因此，滿(mǎn)足第三范式的數據庫表應該不存在如下依賴(lài)關(guān)系：
關(guān)鍵字段 → 非關(guān)鍵字段x → 非關(guān)鍵字段y
假定學(xué)生關(guān)系表為Student(學(xué)號, 姓名, 年齡, 所在學(xué)院, 學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話(huà))，關(guān)鍵字為單一關(guān)鍵字"學(xué)號"，因為存在如下決定關(guān)系：
(學(xué)號) → (姓名, 年齡, 所在學(xué)院, 學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話(huà))
這個(gè)數據庫是符合2NF的，但是不符合3NF，因為存在如下決定關(guān)系：
(學(xué)號) → (所在學(xué)院) → (學(xué)院地點(diǎn), 學(xué)院電話(huà))
即存在非關(guān)鍵字段"學(xué)院地點(diǎn)"、"學(xué)院電話(huà)"對關(guān)鍵字段"學(xué)號"的傳遞函數依賴(lài)。
它也會(huì )存在數據冗余、更新異常、插入異常和刪除異常的情況，讀者可自行分析得知。
把學(xué)生關(guān)系表分為如下兩個(gè)表：
學(xué)生：(學(xué)號, 姓名, 年齡, 所在學(xué)院)；
學(xué)院：(學(xué)院, 地點(diǎn), 電話(huà))。
這樣的數據庫表是符合第三范式的，消除了數據冗余、更新異常、插入異常和刪除異常。
鮑依斯-科得范式（BCNF）：在第三范式的基礎上，數據庫表中如果不存在任何字段對任一候選關(guān)鍵字段的傳遞函數依賴(lài)則符合第三范式。
假設倉庫管理關(guān)系表為StorehouseManage(倉庫ID, 存儲物品ID, 管理員ID, 數量)，且有一個(gè)管理員只在一個(gè)倉庫工作；一個(gè)倉庫可以存儲多種物品。這個(gè)數據庫表中存在如下決定關(guān)系：
(倉庫ID, 存儲物品ID) →(管理員ID, 數量)
(管理員ID, 存儲物品ID) → (倉庫ID, 數量)
所以，(倉庫ID, 存儲物品ID)和(管理員ID, 存儲物品ID)都是StorehouseManage的候選關(guān)鍵字，表中的唯一非關(guān)鍵字段為數量，它是符合第三范式的。但是，由于存在如下決定關(guān)系：
(倉庫ID) → (管理員ID)
(管理員ID) → (倉庫ID)
即存在關(guān)鍵字段決定關(guān)鍵字段的情況，所以其不符合BCNF范式。它會(huì )出現如下異常情況：
(1) 刪除異常：
當倉庫被清空后，所有"存儲物品ID"和"數量"信息被刪除的同時(shí)，"倉庫ID"和"管理員ID"信息也被刪除了。
(2) 插入異常：
當倉庫沒(méi)有存儲任何物品時(shí)，無(wú)法給倉庫分配管理員。
(3) 更新異常：
如果倉庫換了管理員，則表中所有行的管理員ID都要修改。
把倉庫管理關(guān)系表分解為二個(gè)關(guān)系表：
倉庫管理：StorehouseManage(倉庫ID, 管理員ID)；
倉庫：Storehouse(倉庫ID, 存儲物品ID, 數量)。
這樣的數據庫表是符合BCNF范式的，消除了刪除異常、插入異常和更新異常。
范式應用
我們來(lái)逐步搞定一個(gè)論壇的數據庫，有如下信息：
（1） 用戶(hù)：用戶(hù)名，email，主頁(yè)，電話(huà)，聯(lián)系地址
（2） 帖子：發(fā)帖標題，發(fā)帖內容，回復標題，回復內容
第一次我們將數據庫設計為僅僅存在表：
| 用戶(hù)名 | email | 主頁(yè) | 電話(huà) | 聯(lián)系地址 | 發(fā)帖標題 | 發(fā)帖內容 | 回復標題 | 回復內容 |
這個(gè)數據庫表符合第一范式，但是沒(méi)有任何一組候選關(guān)鍵字能決定數據庫表的整行，唯一的關(guān)鍵字段用戶(hù)名也不能完全決定整個(gè)元組。我們需要增加"發(fā)帖ID"、"回復ID"字段，即將表修改為：
| 用戶(hù)名 | email | 主頁(yè) | 電話(huà) | 聯(lián)系地址 | 發(fā)帖ID | 發(fā)帖標題 | 發(fā)帖內容 | 回復ID | 回復標題 | 回復內容 |
這樣數據表中的關(guān)鍵字(用戶(hù)名，發(fā)帖ID，回復ID)能決定整行：
(用戶(hù)名,發(fā)帖ID,回復ID) → (email,主頁(yè),電話(huà),聯(lián)系地址,發(fā)帖標題,發(fā)帖內容,回復標題,回復內容)
但是，這樣的設計不符合第二范式，因為存在如下決定關(guān)系：
(用戶(hù)名) → (email,主頁(yè),電話(huà),聯(lián)系地址)
(發(fā)帖ID) → (發(fā)帖標題,發(fā)帖內容)
(回復ID) → (回復標題,回復內容)
即非關(guān)鍵字段部分函數依賴(lài)于候選關(guān)鍵字段，很明顯，這個(gè)設計會(huì )導致大量的數據冗余和操作異常。
我們將數據庫表分解為（帶下劃線(xiàn)的為關(guān)鍵字）：
（1） 用戶(hù)信息：用戶(hù)名，email，主頁(yè)，電話(huà)，聯(lián)系地址
（2） 帖子信息：發(fā)帖ID，標題，內容
（3） 回復信息：回復ID，標題，內容
（4） 發(fā)貼：用戶(hù)名，發(fā)帖ID
（5） 回復：發(fā)帖ID，回復ID
這樣的設計是滿(mǎn)足第1、2、3范式和BCNF范式要求的，但是這樣的設計是不是最好的呢？
不一定。
觀(guān)察可知，第4項"發(fā)帖"中的"用戶(hù)名"和"發(fā)帖ID"之間是1：N的關(guān)系，因此我們可以把"發(fā)帖"合并到第2項的"帖子信息"中；第5項"回復"中的"發(fā)帖ID"和"回復ID"之間也是1：N的關(guān)系，因此我們可以把"回復"合并到第3項的"回復信息"中。這樣可以一定量地減少數據冗余，新的設計為：
（1） 用戶(hù)信息：用戶(hù)名，email，主頁(yè)，電話(huà)，聯(lián)系地址
（2） 帖子信息：用戶(hù)名，發(fā)帖ID，標題，內容
（3） 回復信息：發(fā)帖ID，回復ID，標題，內容
數據庫表1顯然滿(mǎn)足所有范式的要求；
數據庫表2中存在非關(guān)鍵字段"標題"、"內容"對關(guān)鍵字段"發(fā)帖ID"的部分函數依賴(lài)，即不滿(mǎn)足第二范式的要求，但是這一設計并不會(huì )導致數據冗余和操作異常；
數據庫表3中也存在非關(guān)鍵字段"標題"、"內容"對關(guān)鍵字段"回復ID"的部分函數依賴(lài)，也不滿(mǎn)足第二范式的要求，但是與數據庫表2相似，這一設計也不會(huì )導致數據冗余和操作異常。
由此可以看出，并不一定要強行滿(mǎn)足范式的要求，對于1：N關(guān)系，當1的一邊合并到N的那邊后，N的那邊就不再滿(mǎn)足第二范式了，但是這種設計反而比較好！
對于M：N的關(guān)系，不能將M一邊或N一邊合并到另一邊去，這樣會(huì )導致不符合范式要求，同時(shí)導致操作異常和數據冗余。
對于1：1的關(guān)系，我們可以將左邊的1或者右邊的1合并到另一邊去，設計導致不符合范式要求，但是并不會(huì )導致操作異常和數據冗余。
結論 滿(mǎn)足范式要求的數據庫設計是結構清晰的，同時(shí)可避免數據冗余和操作異常。這并意味著(zhù)不符合范式要求的設計一定是錯誤的，在數據庫表中存在1：1或1：N關(guān)系這種較特殊的情況下，合并導致的不符合范式要求反而是合理的。
在我們設計數據庫的時(shí)候，一定要時(shí)刻考慮范式的要求。
