軟考架構師：數據庫的范式

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問題 1：數據庫的范式

提問：

數據庫的范式

一、AI 講解

數據庫的范式（Normalization）是數據庫設計中的一個重要概念，它是為了減少數據冗余、避免更新異常，并保持數據一致性而提出的規則。簡單來說，范式就像是給數據庫表“瘦身”和“整理”的標準，讓數據存儲更高效、更可靠。范式從低到高逐步加強，每一個更高的范式都必須滿足前一個范式的要求。

下面，我用通俗的語言講解常見的范式，包括1NF（第一范式）、2NF（第二范式）、3NF（第三范式）和BCNF（Boyce-Codd范式）。我會先用表格呈現每個范式的定義、要求和例子，然后補充一些總體說明。

范式	定義和要求	例子
1NF（第一范式）	表中的每個屬性（列）必須是原子值，不能是集合或多值；簡單說，就是每個單元格只能放一個值，不能放列表或數組。	假設有一個學生表：學生ID、姓名、電話。如果電話列放“123456,789012”，這就不符合1NF；應該拆分成多行或單獨表，比如學生ID=1，姓名=張三，電話=123456；另一行學生ID=1，姓名=張三，電話=789012。
2NF（第二范式）	必須先滿足1NF；此外，非主鍵屬性必須完全依賴于整個主鍵，不能部分依賴（如果主鍵是復合的）。通俗地說，非主鍵列不能只依賴主鍵的一部分。	訂單表：主鍵（訂單ID + 商品ID），屬性：訂單日期、商品名稱。如果商品名稱只依賴商品ID（不依賴訂單ID），這就不符合2NF；應該把商品名稱拆到單獨的商品表中。
3NF（第三范式）	必須先滿足2NF；此外，非主鍵屬性不能傳遞依賴于主鍵（即非主鍵之間不能有依賴關系）。簡單說，非主鍵列不能互相依賴。	員工表：員工ID（主鍵）、部門ID、部門名稱。如果部門名稱依賴部門ID（而部門ID依賴員工ID），這就不符合3NF；應該把部門ID和部門名稱拆到部門表中。
BCNF（Boyce-Codd范式）	必須先滿足3NF；此外，任何決定因素**（能決定其他屬性的屬性）都必須是候選鍵**。通俗地說，消除主屬性對碼的部分和傳遞函數依賴。	教授教課表：（教授ID + 課程ID）為主鍵，屬性：學生ID。如果教授ID決定課程ID，但教授ID不是候選鍵，這就不符合BCNF；需要進一步拆表。

這些范式的好處是減少冗余，比如在不范式化的表中，更新一個數據可能需要改多處，容易出錯。缺點是查詢時可能需要更多JOIN操作，影響性能，所以實際設計時有時會反范式化（denormalization）來優化。

舉個整體例子：想象一個圖書館借書系統。如果不范式化，表可能重復存書名、作者等；范式化后，書表單獨存書信息，借書表只存借書記錄，減少重復。

二、AI 出題

（1）題目

1. 數據庫范式設計的主要目的是什么？
   A. 增加數據冗余
   B. 減少數據冗余和異常
   C. 提高查詢復雜度
   D. 降低數據安全性
2. 第一范式（1NF）的要求是什么？
   A. 非主鍵屬性完全依賴主鍵
   B. 每個屬性都是原子值
   C. 消除傳遞依賴
   D. 所有決定因素都是候選鍵
3. 如果一個表的主鍵是復合鍵（如A+B），但某個非主鍵屬性只依賴A，這違反了哪個范式？
   A. 1NF
   B. 2NF
   C. 3NF
   D. BCNF
4. 第三范式（3NF）在第二范式的基礎上增加了什么要求？
   A. 屬性原子性
   B. 部分依賴消除
   C. 傳遞依賴消除
   D. 復合主鍵要求
5. BCNF范式相對于3NF的加強點是什么？
   A. 要求屬性原子值
   B. 消除非主鍵間的依賴
   C. 所有決定因素必須是候選鍵
   D. 只處理單主鍵表
6. 以下哪個例子不符合1NF？
   A. 表中一列存儲多個電話號碼，用逗號分隔
   B. 非主鍵完全依賴主鍵
   C. 表有復合主鍵
   D. 表有唯一索引
7. 在一個學生成績表中，如果“班級名稱”依賴“班級ID”，而“班級ID”依賴“學生ID”，這違反了哪個范式？
   A. 1NF
   B. 2NF
   C. 3NF
   D. BCNF
8. 數據庫設計中，為什么有時會選擇反范式化？
   A. 為了嚴格遵守范式
   B. 為了提高查詢性能
   C. 為了增加數據冗余
   D. 為了簡化表結構
9. 以下關于范式的說法正確的是？
   A. 所有數據庫都必須達到BCNF
   B. 更高的范式總是更好的
   C. 范式化可以減少插入、更新和刪除異常
   D. 1NF允許多值屬性
10. 如果一個表滿足3NF，但有一個非候選鍵屬性決定了另一個屬性，這可能違反了哪個范式？
    A. 1NF
    B. 2NF
    C. 3NF
    D. BCNF

（2）答案和解析

1. 答案：B。
   解析：數據庫范式的主要目的是通過規范化表結構來減少數據冗余、避免插入/更新/刪除異常，并保持數據一致性。例如，如果不范式化，更新一個人的地址可能需要改多行數據，容易出錯；范式化后，只改一處即可。
2. 答案：B。
   解析：1NF的核心要求是確保表中每個屬性的值都是不可分的原子值，不能是集合或列表。例如，不能在一列中放“蘋果,香蕉”，而應拆分成多行或多列。這是最基本的范式，其他范式都以此為基礎。
3. 答案：B。
   解析：這描述了部分函數依賴，即非主鍵屬性只依賴復合主鍵的一部分，違反了2NF的要求。2NF要求非主鍵必須完全依賴整個主鍵。例如，在（訂單ID + 商品ID）為主鍵的表中，商品價格不能只依賴商品ID。
4. 答案：C。
   解析：3NF在2NF的基礎上要求消除非主鍵屬性之間的傳遞依賴，即一個非主鍵不能通過另一個非主鍵間接依賴主鍵。例如，員工表中“部門經理”不能通過“部門ID”依賴“員工ID”，應拆表。
5. 答案：C。
   解析：BCNF是3NF的加強版，它要求表中任何函數依賴的左邊（決定因素）都必須是候選鍵，從而消除更多潛在異常。例如，在某些表中，即使滿足3NF，如果一個非鍵屬性決定了主鍵部分，也需調整。
6. 答案：A。
   解析：用逗號分隔多個電話號碼意味著該列不是原子值，違反1NF。1NF要求每個單元格只有一個簡單值。其他選項如復合主鍵或索引與1NF無關。
7. 答案：C。
   解析：這是典型的傳遞依賴：“班級名稱”依賴“班級ID”，“班級ID”依賴“學生ID”，違反3NF。3NF要求非主鍵不能互相依賴，應將班級信息拆到單獨表中，只在學生表存班級ID。
8. 答案：B。
   解析：反范式化（denormalization）是有意引入一些冗余來減少JOIN操作，從而提高查詢速度。例如，在報表表中重復存一些數據，避免頻繁聯表查詢。雖然增加了冗余，但適合讀多寫少的場景。
9. 答案：C。
   解析：范式化確實能減少異常，如插入異常（無法插入不完整數據）。但不是所有數據庫都需BCNF（有時3NF夠用），更高的范式不總是更好（可能犧牲性能），1NF不允許多值屬性。
10. 答案：D。
    解析：如果滿足3NF但有非候選鍵決定了其他屬性，這違反BCNF。BCNF針對這種情況加強，例如在教授-課程表中，如果教授決定了系別，但教授不是候選鍵，就需調整表結構。