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導(dǎo)讀數(shù)據(jù)庫，簡而言之可視為電子化的文件柜——存儲(chǔ)電子文件的處所，用戶可以對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行新增、截取、更新、刪除等操作。所謂“數(shù)據(jù)庫”是以一定方式儲(chǔ)存在一起、能與多個(gè)用戶共享、具有盡可能小的冗余度、與應(yīng)...

數(shù)據(jù)庫，簡而言之可視為電子化的文件柜——存儲(chǔ)電子文件的處所，用戶可以對(duì)文件中的數(shù)據(jù)進(jìn)行新增、截取、更新、刪除等操作。所謂“數(shù)據(jù)庫”是以一定方式儲(chǔ)存在一起、能與多個(gè)用戶共享、具有盡可能小的冗余度、與應(yīng)用程序彼此獨(dú)立的數(shù)據(jù)集合。

原標(biāo)題:淺談數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中的反規(guī)范

1.   摘要

  　本文從提高數(shù)據(jù)庫性能的角度，介紹了數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中幾種常用的反規(guī)范方法，并對(duì)這些方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及使用時(shí)的注意事項(xiàng)做了較為深入的論述。　
關(guān)鍵詞：　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)　　反規(guī)范　　提高性能

2.   數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)簡述
    數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是把現(xiàn)實(shí)世界的商業(yè)模型與需求轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫的模型的過程，它是建立數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的核心問題。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何使設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫能合理地存儲(chǔ)用戶的數(shù)據(jù)，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。　
  　數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)完全是人的問題，而不是數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的問題。系統(tǒng)不管設(shè)計(jì)是好是壞，照樣運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)由數(shù)據(jù)庫管理員和系統(tǒng)分析員一起和用戶一道工作，了解各個(gè)用戶的要求，共同為整個(gè)數(shù)據(jù)庫做出恰當(dāng)?shù)摹⑼暾脑O(shè)計(jì)。　　
    數(shù)據(jù)庫及其應(yīng)用的性能和調(diào)優(yōu)都是建立在良好的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)是一切操作的基礎(chǔ)，如果數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)不好，則其它一切調(diào)優(yōu)方法提高數(shù)據(jù)庫性能的效果都是有限的。　　
數(shù)據(jù)的規(guī)范化

2.1.   范式概述
　　　　規(guī)范化理論是研究如何將一個(gè)不好的關(guān)系模式轉(zhuǎn)化為好的關(guān)系模式的理論，規(guī)范化理論是圍繞范式而建立的。規(guī)范化理論認(rèn)為，一個(gè)關(guān)系數(shù)據(jù)庫中所有的關(guān)系，都應(yīng)滿足一定的規(guī)范(約束條件)。規(guī)范化理論把關(guān)系應(yīng)滿足的規(guī)范要求分為幾級(jí)，滿足最低要求的一級(jí)叫做第一范式(1NF)，在第一范式的基礎(chǔ)上提出了第二范式(2NF)，在第二范式的基礎(chǔ)上又提出了第三范式(3NF)，以后又提出了BCNF范式，4NF，5NF。范式的等級(jí)越高，應(yīng)滿足的約束集條件也越嚴(yán)格。規(guī)范的每一級(jí)別都依賴于它的前一級(jí)別，例如若一個(gè)關(guān)系模式滿足2NF，則一定滿足1NF。下面我們只介紹1NF，2NF，3NF范式。　　

2.2.   1NF
    1NF是關(guān)系模型的最低要求，它的規(guī)則是：　　
每一列必須是原子的，不能分成多個(gè)子列。
每一行和列的位置只能有一個(gè)值。
不能具有多值列。
例：如果要求一個(gè)學(xué)生一行，一個(gè)學(xué)生可選多門課，則下面的“學(xué)生”表就不滿足1NF：
student(s－no,s－name,class－no)
其中：s－no為學(xué)號(hào)，s－name為學(xué)生姓名，class－no為課程號(hào)。因?yàn)橐粋€(gè)學(xué)生可選多門課，所以列class－no有多個(gè)值，所以空不符合1NF。
　　規(guī)范化就是把它分成如下兩個(gè)表：“學(xué)生”表和“選課”表，則這兩個(gè)表就都滿足1NF了。
student(s－no,s－name)
stu－class(s－no,class－no) 　　

2.3.   2NF
　　對(duì)于滿足2NF的表，除滿足1NF外，非主碼的列必須依賴于所有的主碼，而不是組合主碼的一部分。如果滿足1NF的表的主碼只有一列，則它自動(dòng)滿足2NF。　　例：下面的“選課”表，不符合2NF。
stu－class(s－no,class－no,class－name)
其中：class－name為課程名稱。因?yàn)樵~表的主碼是：(s－no,class－no),非主碼列class－name依賴于組合主碼的一部分class－no,所以它不符合2NF。
對(duì)該表規(guī)范化也是把它分解成兩個(gè)表：“選課”表和“課程”表，則它們就都滿足2NF了。
stu－class(s－no,class－no)
class(class－no,class－name) 　　

2.4.   3NF
　　3NF的規(guī)則是除滿足2NF外，任一非主碼列不能依賴于其它非主碼列。　　例：下面的“課程”表，不符合3NF。
class(class－no,class－name,teacher－no,teacher－name)
其中：teacher－no為任課教師號(hào)，teacher－name為任課教師姓名。因?yàn)榉侵鞔a列teacher－name依賴于另一非主碼列teacher－no,所以它不符合3NF。　　其解決辦法也是把它分解成兩個(gè)表：“課程”表和“教師”表，則它們就都滿足3NF了。　　
class(class－no,class－name,teacher－no)
teacher(teacher－no,teacher－name) 　

2.5.   小結(jié)
　　當(dāng)一個(gè)表是規(guī)范的，則其非主碼列依賴于主碼列。從關(guān)系模型的角度來看，表滿足3NF最符合標(biāo)準(zhǔn)，這樣的設(shè)計(jì)容易維護(hù)。一個(gè)完全規(guī)范化的設(shè)計(jì)并不總能生成最優(yōu)的性能，因此通常是先按照3NF設(shè)計(jì)，如果有性能問題，再通過反規(guī)范來解決。　　
    數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)規(guī)范化的優(yōu)點(diǎn)是減少了數(shù)據(jù)冗余，節(jié)約了存儲(chǔ)空間，相應(yīng)邏輯和物理的I/O次數(shù)減少，同時(shí)加快了增、刪、改的速度，但是對(duì)完全規(guī)范的數(shù)據(jù)庫查詢，通常需要更多的連接操作，從而影響查詢的速度。因此，有時(shí)為了提高某些查詢或應(yīng)用的性能而破壞規(guī)范規(guī)則，即反規(guī)范。

3.   數(shù)據(jù)的反規(guī)范

3.1.   反規(guī)范的好處
    是否規(guī)范化的程度越高越好?這要根據(jù)需要來決定，因?yàn)椤胺蛛x”越深，產(chǎn)生的關(guān)系越多，關(guān)系過多，連接操作越頻繁，而連接操作是最費(fèi)時(shí)間的，特別對(duì)以查詢?yōu)橹鞯臄?shù)據(jù)庫應(yīng)用來說，頻繁的連接會(huì)影響查詢速度。所以，關(guān)系有時(shí)故意保留成非規(guī)范化的，或者規(guī)范化以后又反規(guī)范了，這樣做通常是為了改進(jìn)性能。例如帳戶系統(tǒng)中的“帳戶”表B－TB01，它的列busi－balance(企業(yè)帳戶的總余額)就違反規(guī)范，其中的值可以通過下面的查詢獲得：　
select busi－code,sum(acc－balance) 　
from   B－TB06 　　
group by busi－code
　　如果B－TB01中沒有該列，若想獲得busi－name(企業(yè)名稱)和企業(yè)帳戶的總余額，則需要做連接操作：　　
               select busi－name,sum(acc－balance) 　　
               from B－TB01,B－TB06 　　
               where B－TB01.busi－code=B－TB06.busi－code 　　
               group by busi－code
如果經(jīng)常做這種查詢，則就有必要在B－TB01中加入列busi－balance，相應(yīng)的代價(jià)則是必須在表B－TB06上創(chuàng)建增、刪、改的觸發(fā)器來維護(hù)B－TB01表上busi－balance列的值。類似的情況在決策支持系統(tǒng)中經(jīng)常發(fā)生。　
     反規(guī)范的好處是降低連接操作的需求、降低外碼和索引的數(shù)目，還可能減少表的數(shù)目，相應(yīng)帶來的問題是可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性問題。加快查詢速度，但會(huì)降低修改速度。因此決定做反規(guī)范時(shí)，一定要權(quán)衡利弊，仔細(xì)分析應(yīng)用的數(shù)據(jù)存取需求和實(shí)際的性能特點(diǎn)，好的索引和其它方法經(jīng)常能夠解決性能問題，而不必采用反規(guī)范這種方法。　　

3.2.   常用的反規(guī)范技術(shù)
在進(jìn)行反規(guī)范操作之前，要充分考慮數(shù)據(jù)的存取需求、常用表的大小、一些特殊的計(jì)算(例如合計(jì))、數(shù)據(jù)的物理存儲(chǔ)位置等。常用的反規(guī)范技術(shù)有增加冗余列、增加派生列、重新組表和分割表。　

3.2.1.    增加冗余列

增加冗余列是指在多個(gè)表中具有相同的列，它常用來在查詢時(shí)避免連接操作。例如前面例子中，如果經(jīng)常檢索一門課的任課教師姓名，則需要做class和teacher表的連接查詢：
        　　select class－name,teacher－name 　　
            from   class,teacher 　　
            where  class.teacher－no=teacher.teacher－no 　　
這樣的話就可以在class表中增加一列teacher－name就不需要連接操作了。
增加冗余列可以在查詢時(shí)避免連接操作，但它需要更多的磁盤空間，同時(shí)增加表維護(hù)的工作量。

3.2.2.    增加派生列
增加派生列指增加的列來自其它表中的數(shù)據(jù)，由它們計(jì)算生成。它的作用是在查詢時(shí)減少連接操作，避免使用集函數(shù)。例如前面所講的賬戶系統(tǒng)中的表B－TB01的列busi－balance就是派生列。派生列也具有與冗余列同樣的缺點(diǎn)。

3.2.3.    重新組表
重新組表指如果許多用戶需要查看兩個(gè)表連接出來的結(jié)果數(shù)據(jù)，則把這兩個(gè)表重新組成一個(gè)表來減少連接而提高性能。例如，用戶經(jīng)常需要同時(shí)查看課程號(hào)，課程名稱，任課教師號(hào)，任課教師姓名，則可把表class(class－no,class－name,teacher－no)和表teacher(teacher－no,teacher－name)合并成一個(gè)表class(class－no,class－name,teacher－no,teacher－name)。這樣可提高性能，但需要更多的磁盤空間，同時(shí)也損失了數(shù)據(jù)在概念上的獨(dú)立性。　　

3.2.4.    分割表
有時(shí)對(duì)表做分割可以提高性能。表分割有兩種方式：　
   1水平分割：根據(jù)一列或多列數(shù)據(jù)的值把數(shù)據(jù)行放到兩個(gè)獨(dú)立的表中。　　水平分割通常在下面的情況下使用:A 表很大，分割后可以降低在查詢時(shí)需要讀的數(shù)據(jù)和索引的頁數(shù)，同時(shí)也降低了索引的層數(shù)，提高查詢速度。B 表中的數(shù)據(jù)本來就有獨(dú)立性，例如表中分別記錄各個(gè)地區(qū)的數(shù)據(jù)或不同時(shí)期的數(shù)據(jù)，特別是有些數(shù)據(jù)常用，而另外一些數(shù)據(jù)不常用。C 需要把數(shù)據(jù)存放到多個(gè)介質(zhì)上。　　例如法規(guī)表law就可以分成兩個(gè)表active－law和inactive－law。activea－authors表中的內(nèi)容是正生效的法規(guī)，是經(jīng)常使用的，而inactive－law表則使已經(jīng)作廢的法規(guī)，不常被查詢。水平分割會(huì)給應(yīng)用增加復(fù)雜度，它通常在查詢時(shí)需要多個(gè)表名，查詢所有數(shù)據(jù)需要union操作。在許多數(shù)據(jù)庫應(yīng)用中，這種復(fù)雜性會(huì)超過它帶來的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橹灰饕P(guān)鍵字不大，則在索引用于查詢時(shí)，表中增加兩到三倍數(shù)據(jù)量，查詢時(shí)也就增加讀一個(gè)索引層的磁盤次數(shù)。
　　2垂直分割：把主碼和一些列放到一個(gè)表，然后把主碼和另外的列放到另一個(gè)表中。如果一個(gè)表中某些列常用，而另外一些列不常用，則可以采用垂直分割，另外垂直分割可以使得數(shù)據(jù)行變小，一個(gè)數(shù)據(jù)頁就能存放更多的數(shù)據(jù)，在查詢時(shí)就會(huì)減少I/O次數(shù)。其缺點(diǎn)是需要管理冗余列，查詢所有數(shù)據(jù)需要join操作。　　

4.   反規(guī)范技術(shù)需要維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性
　　無論使用何種反規(guī)范技術(shù)，都需要一定的管理來維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性，常用的方法是批處理維護(hù)、應(yīng)用邏輯和觸發(fā)器。批處理維護(hù)是指對(duì)復(fù)制列或派生列的修改積累一定的時(shí)間后，運(yùn)行一批處理作業(yè)或存儲(chǔ)過程對(duì)復(fù)制或派生列進(jìn)行修改，這只能在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的情況下使用。數(shù)據(jù)的完整性也可由應(yīng)用邏輯來實(shí)現(xiàn)，這就要求必須在同一事務(wù)中對(duì)所有涉及的表進(jìn)行增、刪、改操作。用應(yīng)用邏輯來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性風(fēng)險(xiǎn)較大，因?yàn)橥贿壿嫳仨氃谒械膽?yīng)用中使用和維護(hù)，容易遺漏，特別是在需求變化時(shí)，不易于維護(hù)。另一種方式就是使用觸發(fā)器，對(duì)數(shù)據(jù)的任何修改立即觸發(fā)對(duì)復(fù)制列或派生列的相應(yīng)修改。觸發(fā)器是實(shí)時(shí)的，而且相應(yīng)的處理邏輯只在一個(gè)地方出現(xiàn)，易于維護(hù)。一般來說，是解決這類問題的最好的辦法。　　

5.   結(jié)束語
　　　數(shù)據(jù)庫的反規(guī)范設(shè)計(jì)可以提高查詢性能。常用的反規(guī)范技術(shù)有增加冗余列、增加派生列、重新組表和分割表。但反規(guī)范技術(shù)需要維護(hù)數(shù)據(jù)的完整性。因此在做反規(guī)范時(shí)，一定要權(quán)衡利弊，仔細(xì)分析應(yīng)用的數(shù)據(jù)存取需求和實(shí)際的性能特點(diǎn)。

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數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中的反規(guī)范技術(shù)探討

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