数据库3—数据库基础·数据库设计与规范化_数据库原理 规范化设计

数据库知识 - 索引目录

一、数据库设计原则

1、数据库设计原则

1. 识别实体：

   • 确定系统中的实体，它们是我们要在数据库中存储的主要对象。实体可以是现实生活中的对象、概念或事件。

2. 定义属性：

   • 为每个实体确定属性，这些属性描述了实体的特征。属性是我们存储在数据库中的数据项。

3. 识别关系：

   • 确定实体之间的关系。关系是连接实体并允许它们共同工作的手段。关系可以是一对一、一对多或多对多的。

4. 消除冗余：

   • 设计时尽量减少数据冗余，避免在数据库中存储相同的信息。冗余会导致数据不一致和更新异常。

5. 确保数据一致性：

   • 使用外键来确保关系的完整性，以防止不一致的数据进入数据库。

6. 规范化：

   • 将数据库设计规范化，以减少数据冗余、提高数据一致性，并减少更新异常的发生。

2、数据库设计步骤

2.1 数据库设计的基本步骤

1. 需求分析：

   • 理解业务需求，与利益相关者（包括用户和管理层）进行沟通，明确数据库的目标和功能。
   • 收集数据需求，确定需要存储的数据以及数据之间的关系。

2. 概念设计：

   • 根据需求分析结果，绘制概念模型，使用实体-关系图（ER图）等工具，定义实体、属性和它们之间的关系。
   • 确定主键和外键，描述实体的完整性和关系的一致性。

3. 逻辑设计：

   • 将概念模型转换为逻辑模型，选择适当的数据库管理系统（DBMS）。
   • 定义表结构、字段类型、约束（主键、外键等），确保数据的一致性和完整性。

4. 规范化：

   • 对表进行规范化，消除冗余数据，减少数据更新异常，提高数据库的性能和可维护性。
   • 使用范式化的过程，将数据组织成更小的、更依赖于主键的关系。

5. 物理设计：

   • 考虑数据库的物理存储结构，包括表空间、索引等。
   • 优化查询性能，选择适当的索引策略，确保数据库的高效访问。

6. 实施和测试：

   • 根据设计完成数据库的创建，表的建立和数据的导入。
   • 进行系统测试，确保数据库的功能符合预期，性能满足需求。

7. 部署和维护：

   • 部署数据库到生产环境，监控数据库性能，进行必要的调整和优化。
   • 定期备份数据，实施数据库的维护计划，确保数据库的稳定和可靠运行。

2.2 示例

我们有一个简单的图书管理系统，需求包括存储书籍信息、作者信息和借阅记录。

根据这些需求，我们可以进行如下设计：

1. 需求分析：

   • 业务需求：存储书籍、作者和借阅记录信息。
   • 数据需求：书籍包含标题、ISBN等信息；作者包含姓名、国籍等信息；借阅记录包含借阅日期、归还日期等信息。

2. 概念设计：

   • 绘制ER图，定义书籍、作者和借阅记录实体，建立它们之间的关系。

3. 逻辑设计：

   • 将ER图转换为表结构，定义书籍表（Books）、作者表（Authors）、借阅记录表（BorrowRecords）等。

4. 规范化：

   • 对表进行规范化，确保每个表都符合第三范式。

5. 物理设计：

   • 考虑存储引擎、索引等，优化查询性能。

6. 实施和测试：

   • 创建数据库，建立表，导入初始数据。
   • 进行系统测试，确保能够正确插入、更新、删除数据。

7. 部署和维护：

   • 部署到生产环境，设置定期备份和维护计划，监控数据库性能。

3、ER图的绘制与分析

3.1 示例ER图

下面是一个简单的学生-课程数据库的ER图示例：

在这个示例中，我们有三个实体：学生（Student）、课程（Course）和注册（Enrollment）。学生和课程之间有一个“Enrolls”关系，表示学生注册了某门课程。

3.2 ER图的分析

• 实体：

  • Student和Course是两个主要的实体，分别代表学生和课程。

• 属性：

  • Student有属性StudentID、FirstName和LastName。
  • Course有属性CourseID和CourseName。
  • Enrollment有属性EnrollmentID和Grade。

• 关系：

  • Enrollment实体表示了学生和课程之间的关系，通过StudentID和CourseID连接。

二、数据库规范化

第一至第五范式的概念 & 数据库冗余的处理

当数据库表进行规范化后，每个范式都会对表的结构和数据进行特定的调整，以确保数据的一致性、减少冗余和提高查询效率。

1.1 第一范式 (1NF) - 原子性

第一范式要求每个列都是不可再分的原子值，即每个字段中不能包含多个值。

示例表格：

第一范式后的表格：

解释： 在第一范式后，课程字段被拆分成了多行，每行只包含一个课程，确保了每个字段都是原子值，不再包含多个值。

1.2 第二范式 (2NF) - 完全依赖主键

第二范式要求表中的非主键列完全依赖于主键，消除部分依赖。

示例表格：

第二范式后的表格：

订单表：

产品表：

解释： 在第二范式后，将产品表拆分出来，确保每个非主键列完全依赖于主键，消除了部分依赖。

1.3 第三范式 (3NF) - 消除传递依赖

第三范式要求消除传递依赖，即非主键列之间不能存在传递依赖。

示例表格：

第三范式后的表格：

学生表：

教师表：

解释： 在第三范式后，将教授姓名与课程拆分成两个表，消除了传递依赖，确保了非主键列之间不能存在传递依赖。

1.4 第四范式 (4NF) - 多值依赖

第四范式要求消除多值依赖。

示例表格：

第四范式后的表格：

订单表：

颜色表：

解释： 在第四范式后，将颜色与订单拆分成两个表，消除了多值依赖，确保了每个表都只包含单一关联。

1.5 第五范式 (5NF) - 连接依赖

第五范式要求消除连接依赖。

示例表格：

第五范式后的表格：

部门表：

解释： 在第五范式后，将员工与部门拆分成两个表，消除了连接依赖，确保了每个表都只包含单一关联。

1.6 BCNF范式 (Boyce-Codd Normal Form) - 主键决定非主键属性

BCNF范式是在第三范式的基础上进一步要求，确保主键决定非主键属性。

示例表格：

BCNF范式后的表格：

学生表：

教师表：

解释： 在BCNF范式后，确保主键决定非主键属性，保证了数据库表的结构符合BCNF的要求。