【数据库干货】六大范式速记

1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、5NF都是数据库设计中的范式（Normalization），用于确保数据库中的数据结构尽可能地减少冗余，避免更新异常、插入异常、删除异常等问题，从而提高数据的存储效率和一致性。
本篇文章简单讲解下各个范式的含义，以及如何快速记住它们。

1. 第一范式（1NF）

定义：一个关系（表）满足第一范式，意味着表中的每个字段（列）都必须是原子的（atomic）。即每个字段只能包含一个单一的值，而不能是集合、数组或多值。
通俗来说：数据表的每个单元格只能存储一个值，不能有重复的组或多值字段。
问题：如果数据表不满足1NF，可能存在列包含多个值的情况，比如一个列存储多个电话号码。
例子：假设有一个“学生课程”表，记录学生选修的课程。初始状态可能是这样的：

学生ID	学生姓名	选修课程
1	张三	数学, 英语
2	李四	物理, 化学

这个表不符合1NF，因为“选修课程”列包含多个值。为满足1NF，我们需要将每个学生的每一门课程分开：

学生ID	学生姓名	选修课程
1	张三	数学
1	张三	英语
2	李四	物理
2	李四	化学

这样，每个字段都是原子的。

2. 第二范式（2NF）

定义：一个关系（表）满足第二范式，首先它必须满足第一范式，并且所有非主属性（即不是主键的属性）完全依赖于主键，而不是部分依赖。也就是说，如果主键是由多个列组成的，那么非主属性必须依赖于整个主键，而不能只依赖于主键的某一部分。
通俗来说：如果主键是复合主键（由多个字段组成），那么每个非主键字段必须依赖于整个主键，而不能只依赖其中的一部分。
问题：如果存在部分依赖，就可能会导致冗余数据。例如，一个复合主键的表中，如果有字段只依赖于主键的一部分，那么这些字段的重复值就会导致数据冗余。
例子：继续考虑“学生课程”表，如果我们加入“教师姓名”字段，这样的表结构如下：

学生ID	课程ID	学生姓名	选修课程	教师姓名
1	101	张三	数学	王老师
1	102	张三	英语	李老师
2	101	李四	物理	王老师
2	103	李四	化学	张老师

主键是“学生ID”和“课程ID”的组合。在这个例子中，学生姓名和教师姓名都依赖于学生ID和课程ID，但学生姓名只依赖于学生ID，而教师姓名只依赖于课程ID。因此，我们存在部分依赖，表不满足2NF。
为满足2NF，我们应该将“学生姓名”单独提取到一个“学生”表中，将“教师姓名”提取到一个“课程”表中：
学生表：

学生ID	学生姓名
1	张三
2	李四

课程表：

课程ID	选修课程	教师姓名
101	数学	王老师
102	英语	李老师
103	化学	张老师

学生选课表：

学生ID	课程ID
1	101
1	102
2	101
2	103

这样就解决了部分依赖问题，表满足了2NF。

3. 第三范式（3NF）

定义：一个关系（表）满足第三范式，首先它必须满足第二范式，并且每个非主属性都不传递依赖于主键。也就是说，非主键字段不能依赖于其他非主键字段。
通俗来说：如果一个字段依赖于其他非主键字段，那么我们就有传递依赖。3NF要求消除这种依赖。
问题：传递依赖可能会导致冗余数据和数据一致性问题。
例子：假设我们在“课程表”中添加了“课程时长”字段，并且规定“教师姓名”依赖于“教师工号”，即：

课程ID	选修课程	教师工号	教师姓名	课程时长
101	数学	1	王老师	40小时
102	英语	2	李老师	35小时
103	化学	3	张老师	50小时

在这个表中，“教师姓名”依赖于“教师工号”，而“教师工号”又依赖于主键（课程ID）。因此，“教师姓名”通过“教师工号”传递依赖于课程ID。为了消除这种传递依赖，我们需要将“教师工号”和“教师姓名”提取到单独的“教师”表中：
教师表：

教师工号	教师姓名
1	王老师
2	李老师
3	张老师

这样就消除了传递依赖，表满足了3NF。

4. 巴斯-科德范式（BCNF）

定义：
一个表满足 BCNF（Boyce-Codd Normal Form）要求满足以下条件：

必须满足 3NF。
对于每一个函数依赖（A → B），A 必须是候选键（candidate key）。也就是说，任何决定其他属性的字段都必须是候选键。
通俗来说：

在 3NF 中，我们要求没有传递依赖，而 BCNF 要求每个决定其他字段的字段，必须是候选键。
候选键是指在没有其他列可以作为键的情况下，可以唯一标识表中一行的列。

为什么需要 BCNF？

3NF 有时不能处理一些更复杂的依赖关系，特别是当表中的某些非主属性决定了其他非主属性时，虽然这些属性满足了3NF，但却不能保证表的完美规范化。
BCNF 示例：
假设我们有以下表格，记录了课程、学生、教师和教室的信息：

课程ID	学生ID	教师工号	教师姓名	教室
101	1	1	王老师	A101
101	2	1	王老师	A101
102	1	2	李老师	B201
102	3	2	李老师	B201

假设课程ID → 教室（即每门课程对应一个教室），教师工号 → 教师姓名（即每个教师工号对应一个教师姓名），课程ID → 教师工号（即每门课程由一个特定的教师授课）。
依赖关系：
- 课程ID → 教室
- 课程ID → 教师工号
- 教师工号 → 教师姓名
从上面的表格来看，我们发现课程ID 确定了教室和教师工号，但教师工号又决定了教师姓名。这意味着教师姓名是由教师工号确定的，而教师工号不是候选键。教师工号 → 教师姓名的依赖关系违反了 BCNF，因为教师工号不是候选键。

解决方案：
为了使表符合 BCNF，我们需要将表拆分为两个表：
1. 课程表：包含课程和教室的信息。
2. 教师表：包含教师工号和教师姓名的信息。
3. 选课表：包含学生ID、课程ID和教师工号的信息。

拆分后的表：
- 课程表：
  课程ID 教室
  101 A101
  102 B201
- 教师表：
  教师工号教师姓名
  1 王老师
  2 李老师
- 选课表：
  学生ID 课程ID 教师工号
  1 101 1
  2 101 1
  1 102 2
  3 102 2