数据仓库—建模方法论—范式建模

范式建模是指根据关系数据库理论中的范式规则，将数据库设计为符合特定范式要求的结构。范式建模的目标是通过消除数据冗余和提高数据一致性来优化数据库设计，从而提高数据存储和查询的效率。

这里的范式要求一般指的是三大范式，三大范式是关系数据库(OLTP)设计表结构所遵循的规范和指导方法，主要用于提高数据库的逻辑结构质量,避免数据冗余和更新异常，目的是为了减少冗余，通过结构合理的数据库，从而提高数据存储和使用的性能，三大范式之间是具有依赖关系的，比如第二范式是在第一范式的基础上建设的、第三范式是在第二范式的基础上建设的。

这里我们只介绍范式中常用的三大范式，当然 Mysql 数据库的范式不止三大范式，除了三大范式，还有巴斯-科德范式（BCNF）、第四范式(4NF）、第五范式（5NF，又称“完美范式"）。

虽然，遵循范式能使我们的数据库结构更合理，但是也不是一成不变的，偶尔我们也要学会在范式的基础，根据实际应用场景，作出相应的变通。

三大范式

第一范式 - 1NF

遵循原子性。即，表中字段的数据，不可以再拆分。

先看一个不符合第一范式的表结构，如下：
员工编码姓名年龄001销售部小张28002运营部小黄25003技术部小高22
在这一个表中的，姓名 字段下的数据是可以再进行拆分的，因此它不符合第一范式，那怎么样才符合第一范式呢？如下：
员工编码部门姓名年龄001销售部小张28002运营部小黄25003技术部小高22
那是否遵循第一范式就一定是好的呢？如下：
员工编码姓名地址001小张江西省南昌市东湖区002小黄广东省佛山市禅城区003小高湖北省武汉市新洲区
通过观察上述表结构，我们发现，地址是可以再进一步拆分的，比如：
员工编码姓名省市区001小张江西省南昌市东湖区002小黄广东省佛山市禅城区003小高湖北省武汉市新洲区
虽然拆分后，看上去更符合第一范式了，但是如果项目就只需要我们输出一个完整地址呢？那明显是表在没拆分的时候会更好用。

所以范式只是给了我们一个参考，我们更多的是要根据项目实际情况设计表结构。

第二范式 - 2NF

在满足第一范式的情况下，遵循唯一性，消除部分依赖。即，表中任意一个主键或任意一组联合主键，可以确定除该主键外的所有的非主键值。

再通俗点讲就是，一个表只能描述一件事情。

我们用一个经典案例进行解析。
学号姓名年龄课程名称成绩学分001小张28语文903001小张28数学902002小黄25语文903002小黄25语文903003小高22数学902
我们先分析一下表结构。

1. 假设学号是表中的唯一主键，那由学号就可以确定姓名和年龄了，但是却不能确定课程名称和成绩。
2. 假设课程名称是表中的唯一主键，那由课程名称就可以确定学分了，但是却不能确定姓名、年龄和成绩。
3. 虽然通过学号和课程名称的联合主键，可以确定除联合主键外的所有的非主键值，但是基于上述两个假设，也不符合第二范式的要求。

那我们应该如何调整表结构，让它能复合第二范式的要求呢？

我们可以基于上述的三种主键的可能，拆分成 3 张表，保证一张表只描述一件事情。

1. 学生表 - 学号做主键
   学号姓名年龄001小张28002小黄25003小高22

2. 课程表 - 课程名称做主键
   课程名称学分语文3数学2

3. 成绩表 - 学号和课程名称做联合主键
   学号课程名称成绩001语文90001数学90002语文90002语文90003数学90
   这时候我们可能会想，为什么我们就要遵循第二范式呢？不遵循第二范式会造成什么样的后果呢？

4. 造成整表的数据冗余。

如，学生表，可能我就只有2个学生，每个学生都有许多的信息，比如，年龄、性别、身高、住址…如果与课程信息放到同一张表中，可能每个学生有3门课程，那数据总条数就会变成6条了。但是通过拆分，学生表我们只需要存储 2 条学生信息，课程表只需要存储 3 条课程信息，成绩表就只需保留学号、课程名称和成绩字段。

1. 更新数据不方便。

假设，课程的学分发生了变更，那我们就需要把整表关于该课程的学分都要更新一次，但如果我们拆分出课程表，那我们就只需要把课程表中的课程信息更新就行。

1. 插入数据不方便或产生异常。

假设主键是学号或课程名称，我们新增了某个课程，需要把数据插入到表中，这时，可能只有部分人有选修这门课程，那我们插入数据的时候还要规定给哪些人插入对应的课程信息，同时可能由于成绩还没有，我们需要对成绩置空，后续有成绩后还得重新更新一遍。

假设主键是学号和课程名称的联合主键。同样也是新增了某课程，但是暂时没有人选修这门课，缺少了学号主键字段数据，会导致课程信息无法插入。

第三范式 - 3NF

在满足第二范式的情况下，消除传递依赖。即，在任一主键都可以确定所有非主键字段值的情况下，不能存在某非主键字段 A 可以获取 某非主键字段 B。

仍然用一个经典例子来解析
学号姓名班级班主任001小黄一年级（1）班高老师
这个表中，学号是主键，它可以唯一确定姓名、班级、班主任，符合了第二范式，但是在非主键字段中，我们也可以通过班级推导出该班级的班主任，所以它是不符合第三范式的。

那怎么设计表结构，才是符合第三范式的呢？

1. 学生表
   学号姓名班级001小黄一年级（1）班

2. 班级表
   班级班主任一年级（1）班高老师
   通过把班级与班主任的映射关系另外做成一张映射表，我们就成功地消除了表中的传递依赖了。

扩展

除了第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）外，还存在其他一些扩展范式，如巴斯-科德规范形式（BCNF）和第四范式（4NF）。这些范式在一定程度上进一步规范了数据库表的设计，提高了数据的一致性和规范性。

BCNF和第四范式适用于对数据一致性和规范性要求较高的数据库设计场景。在实际应用中，设计人员需要根据具体的业务需求和数据特点，灵活选择合适的范式级别进行数据库建模。同时，需要注意范式过度规范化可能导致查询性能下降的问题，因此在设计时需要权衡范式规范性和查询性能之间的关系。

BCNF(巴斯-科德规)范式

BCNF要求表中的每一个决定因素（即决定其他字段取值的字段）都是候选键。换句话说，如果一个表中存在多个候选键，那么每个非主键字段必须完全依赖于所有候选键，而不仅仅是其中的一部分。BCNF可以进一步减少数据冗余，提高数据的规范性和一致性。

第四范式

第四范式要求表中的每个多值依赖都必须是一个键函数依赖。换句话说，如果一个表中存在多值依赖，那么这些多值依赖必须完全依赖于表中的每一个候选键。第四范式主要用于解决表中存在的多值依赖问题，进一步提高了数据的规范性和一致性。

范式建模的优缺点

• 优点： - 数据冗余较小：范式建模能够消除或减少数据冗余，节省存储空间。- 数据一致性较高：范式建模能够提高数据的一致性，避免了数据更新时的异常情况。
• 缺点： - 查询性能较低：范式建模可能需要进行多次连接操作才能获取所需数据，影响了查询性能。- 设计和维护成本较高：范式建模的设计比较复杂，需要仔细考虑表之间的关系，维护起来也比较困难。

总结

不知道读者们有没有发现，以上所介绍的范式的最终目的都是为了减少我们的工作量呢？所以说，尽管范式是一种很好的指导规范，但在实际应用中，我们也不需要太局限在范式中，更多的是应该从项目中出发，设计出合理的表结构。

以下是本篇三范式的简单总结：

1. 第一范式（1 NF）：字段不可再拆分。
2. 第二范式（2 NF）：表中任意一个主键或任意一组联合主键，可以确定除该主键外的所有的非主键值。
3. 第三范式（3 NF）：在任一主键都可以确定所有非主键字段值的情况下，不能存在某非主键字段 A 可以获取 某非主键字段 B。

范式建模的目标是获得一个无冗余、灵活、易扩展的数据库设计,但过度依赖范式建模也会造成数据库结构过于复杂。所以在实际建模过程中,需要综合考虑业务需求和数据特征,在满足基本范式的前提下,采取适当的退化设计,以保证数据库设计的可用性。

常用的范式建模原则为

1. 满足3NF范式,不产生更新异常
2. 根据业务需求,适当考虑BCNF范式或更高级范式
3. 不追求完全范式化,允许适当冗余以提高性能。

需要建模人员在理论和实践间取得平衡。总之,范式理论为关系数据库建模提供了重要的理论基础和指导原则。掌握好范式理论对设计高质量的数据库模型是必不可少的。