数据库三范式详解及示例
数据库范式（Normal Form）是数据库设计的重要原则，用于规范表结构，减少数据冗余，提高数据一致性。下面详细讲解三大范式的概念、要求和具体示例。
一、第一范式（1NF）
定义
第一范式要求数据库表中的每一列都是不可再分的原子数据项，即每个字段的值只能是单一值，不能包含复合数据。
核心原则
- 列不能再分成其他几列（原子性）
- 同一列中不能有多个值
- 不允许重复的属性
- 所有字段值必须是标量（如整数、字符串），而非数组或组合
示例
不符合1NF的表：
学生表（Student）
| 学号 | 姓名 | 联系方式 | 年龄 |
|------|------|-------------------|------|
| 101 | 张三 | 电话:123456,邮箱:zs@example.com | 20 |
| 102 | 李四 | 电话:654321,邮箱:ls@example.com | 21 |
问题： 联系方式字段包含了电话和邮箱两个值，不是原子数据项。
符合1NF的修正：
学生表（Student）
| 学号 | 姓名 | 电话 | 邮箱 | 年龄 |
|------|------|---------|------------------|------|
| 101 | 张三 | 123456 | zs@example.com | 20 |
| 102 | 李四 | 654321 | ls@example.com | 21 |
注意：现代关系数据库管理系统(DBMS)已经内置了1NF的要求，无法创建不符合1NF的表结构。
二、第二范式（2NF）
定义
第二范式建立在第一范式的基础上，要求所有非主属性必须完全依赖于整个主键（针对复合主键），消除部分依赖。
关键概念
- 函数依赖：通过属性A的值，可以确定唯一的B属性值，则B依赖于A（记为A→B）
- 完全函数依赖：如果A是属性组，则B的确定需要依赖A中的所有属性值
- 部分函数依赖：如果A是属性组，则B的确定只需要依赖A中的部分属性值（需要消除）
- 候选码：能够唯一标识元组的属性或属性组
示例
不符合2NF的表：
选课成绩表（Score）
| 学生ID | 课程ID | 课程名称 | 学生姓名 | 成绩 |
|--------|--------|----------|----------|------|
| 101 | C01 | 数学 | 张三 | 90 |
| 101 | C02 | 英语 | 张三 | 85 |
| 102 | C01 | 数学 | 李四 | 88 |
问题：
- 主键是（学生ID, 课程ID）的复合主键
- 课程名称只依赖课程ID（主键的一部分）
- 学生姓名只依赖学生ID（主键的一部分）
- 这就是部分依赖现象
符合2NF的修正：拆分为三个表
学生表（Student）
| 学生ID | 学生姓名 |
|--------|----------|
| 101 | 张三 |
| 102 | 李四 |
课程表（Course）
| 课程ID | 课程名称 |
|--------|----------|
| C01 | 数学 |
| C02 | 英语 |
成绩表（Score）
| 学生ID | 课程ID | 成绩 |
|--------|--------|------|
| 101 | C01 | 90 |
| 101 | C02 | 85 |
| 102 | C01 | 88 |
注意：单字段主键的表自动满足2NF，因为不存在部分依赖的可能。
三、第三范式（3NF）
定义
第三范式建立在第二范式的基础上，要求所有非主属性必须直接依赖于主键，消除传递依赖。
关键概念
- 传递函数依赖：如果A→B，且B→C，则C传递依赖于A（需要消除）
- 第三范式要求数据表的每一列都与主键直接相关，而不是间接相关
示例
不符合3NF的表：
学生信息表（StudentInfo）
| 学号 | 姓名 | 系名 | 系主任 | 系办公室 |
|------|------|----------|----------|----------|
| 101 | 张三 | 计算机系 | 王教授 | 科技楼301|
| 102 | 李四 | 计算机系 | 王教授 | 科技楼301|
| 103 | 王五 | 数学系 | 李教授 | 教学楼205|
问题：
- 主键是学号
- 所有非主属性都依赖于学号，满足2NF
- 但系主任和系办公室直接依赖于系名，而非主键学号
- 这是传递依赖现象：学号→系名→系主任/系办公室
符合3NF的修正：拆分为两个表
学生表（Student）
| 学号 | 姓名 | 系名 |
|------|------|----------|
| 101 | 张三 | 计算机系 |
| 102 | 李四 | 计算机系 |
| 103 | 王五 | 数学系 |
系信息表（Department）
| 系名 | 系主任 | 系办公室 |
|----------|----------|----------|
| 计算机系 | 王教授 | 科技楼301|
| 数学系 | 李教授 | 教学楼205|
数据库范式的作用与应用
范式的优点
- 减少数据冗余：避免相同数据在多个地方存储
- 提高数据一致性：修改一处即可，不会出现不一致
- 简化数据维护：更容易插入、更新和删除数据
- 优化查询性能：适当的规范化有助于提高查询效率
实际应用考虑
在实际数据库设计中，有时为了性能考虑，会适当地进行反范式化设计。例如：
- 为频繁连接查询的表添加冗余字段
- 预先计算并存储聚合结果
- 对经常一起查询的字段进行组合存储
反范式化是在性能和规范化之间做出的权衡，需要根据具体业务场景决定。
总结
数据库三范式是递进关系，逐步消除数据冗余问题：
- 1NF：消除复合属性，保证列的原子性
- 2NF：消除部分依赖，保证非主属性完全依赖主键
- 3NF：消除传递依赖，保证非主属性直接依赖主键
通过合理应用数据库范式，可以设计出结构清晰、维护简便、性能良好的数据库系统。
