關(guān)系型數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則、方法與意義探析

摘要：文章從數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性切題，以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為例，闡明邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計原則與方法，用實例回答了良好的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計所帶來的好處，最后進行總結(jié)，指出基本概念是關(guān)鍵，邏輯結(jié)構(gòu)中的表盡量符合第三范式，表與表之間的聯(lián)系通過外鍵來表達。同時也要兼顧表的規(guī)范化及數(shù)據(jù)庫的性能，保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、高可用。

關(guān)鍵詞：邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計；函數(shù)依賴；關(guān)系規(guī)范化

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）19-0084-03

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的步驟主要包括需求分析、概念結(jié)構(gòu)設(shè)計、邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計以及數(shù)據(jù)庫的實施和維護。邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，這個環(huán)節(jié)做好做實了，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、完整性和高性能才有基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計的根本目的是滿足用戶收集、存儲、操作和管理數(shù)據(jù)的需要。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三個模式兩級映像保證了數(shù)據(jù)庫外模式的穩(wěn)定性，既保證了數(shù)據(jù)的邏輯獨立性；也從底層保證了應(yīng)用程序的穩(wěn)定性，還保證了數(shù)據(jù)的物理獨立性。除非應(yīng)用需求本身發(fā)生變化，否則應(yīng)用程序一般不需要修改。

在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式結(jié)構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫邏輯模式是數(shù)據(jù)庫的中心與關(guān)鍵，它獨立于數(shù)據(jù)庫的其他層次，因此設(shè)計數(shù)據(jù)庫模式結(jié)構(gòu)時應(yīng)首先確定數(shù)據(jù)庫的邏輯模式，進行邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計。良好的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲空間，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，方便進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)。反之，會導致數(shù)據(jù)冗余、存儲空間浪費，數(shù)據(jù)更新、刪除和插入的異常。

2 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

數(shù)據(jù)庫常見的數(shù)據(jù)模型有層次模型、網(wǎng)狀模型、關(guān)系模型、對象-關(guān)系模型等，關(guān)系模型是目前最重要的一種數(shù)據(jù)模型，關(guān)系數(shù)據(jù)庫就是采用關(guān)系模型作為數(shù)據(jù)的組織方式。關(guān)系模型源于數(shù)學，它把數(shù)據(jù)看成是二維表中的元素，而這個二維表在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中就稱為關(guān)系。在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，記錄值僅構(gòu)成關(guān)系，關(guān)系之間的聯(lián)系是靠語義相同的字段（稱為連接字段）值表達的[1]。理解關(guān)系和連接字段（即列）的思想在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中是非常重要的。本文討論數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計就是以關(guān)系模型為例。

2.1 表設(shè)計原則

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計體現(xiàn)在二維表結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在設(shè)計時盡可能遵守第三范式標準的表設(shè)計原則，一個主題對應(yīng)一張表，即一個表中只包含其本身的基本屬性。

之所以要盡可能遵守第三范式標準的表設(shè)計原則，是因為第一范式、第二范式都有可能存在數(shù)據(jù)冗余，如果存在數(shù)據(jù)冗余，就有可能引起操作異常，包括插入異常、刪除異常、更新異常。為了避免數(shù)據(jù)操作異常，我們一般把數(shù)據(jù)庫設(shè)計到第三范式，也就是說我們在一張表中不允許存在部分函數(shù)依賴和傳遞函數(shù)依賴：從第一范式規(guī)范到第二范式時消除了部分函數(shù)依賴；從第二范式規(guī)范到第三范式時消除了傳遞函數(shù)依賴，在規(guī)范化的過程中逐步消除了“不良”的函數(shù)依賴[2]。

表的規(guī)范化可以保證表內(nèi)的字段都是最基本的要素，同時規(guī)范化這一措施也有助于消除數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)冗余。規(guī)范化有好幾種形式：1NF、2NF、3NF、BCNF、4NF、5NF等。但3NF通常被認為在性能、擴展性和數(shù)據(jù)完整性方面達到了最佳平衡。而BCNF、4NF、5NF更多是作為數(shù)據(jù)理論研究。簡單來說，滿足3NF的表，有如下3個特點，表內(nèi)的每一個值都只能被表達一次；表內(nèi)的每一行都能被區(qū)分；每一個表都不包含其他表已經(jīng)包含的非主關(guān)鍵字信息。

2.2 字段設(shè)計原則

在進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯設(shè)計中，表中的字段設(shè)計在長度上要盡量充足，同時考慮未來發(fā)展。比如企業(yè)目前職工人數(shù)是數(shù)百人，則職工編號為3位數(shù)字，但考慮到今后企業(yè)有可能壯大到數(shù)千人，則可將職工編號設(shè)置為4位數(shù)字，這樣盡量滿足一段時間內(nèi)企業(yè)發(fā)展的需求。給字段留足余量，將來無須重構(gòu)整個數(shù)據(jù)庫就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫規(guī)模的增長了，增強了系統(tǒng)的靈活性[3]。

在進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯設(shè)計中，還要考慮表字段的命名規(guī)范。字段的名稱要易于理解，便于閱讀，要有意義，不宜太長，要保證數(shù)據(jù)庫表中字段名沒有和保留字或者常用訪問方法沖突，否則在程序連接時會出錯，在用SELECT語句查詢時，會得到一大堆無用處的信息。還要注意的是：在命名字段并為其指定數(shù)據(jù)類型的時候，一定要在各個表中保證一致性；字段名都采用加上前綴的方式，如加上所屬表縮寫名的前綴，那么在編寫SQL表達式的時候會得到大大的簡化；對地址采用多個字段，可以提供更大的靈活性；有時在表中創(chuàng)建一個計算列（如成績總分），通過它可以自動地連接標準化的字段，這樣數(shù)據(jù)變動的時候，計算列也跟著變動，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動更新。

進行數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計時，還要有一種服務(wù)意識、大局意識，因為數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計只是一個小小的環(huán)節(jié)，還有數(shù)據(jù)庫管理員、應(yīng)用程序開發(fā)員等，最終用戶要使用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，所以要考慮周全。

2.3 謹慎使用觸發(fā)器

觸發(fā)器在保證數(shù)據(jù)完整性及商業(yè)規(guī)則方面有積極作用，比如我們要限制不能將學生成績由不及格改成及格這樣復雜的業(yè)務(wù)規(guī)則，我們則用觸發(fā)器來實現(xiàn)。

但不當?shù)厥褂糜|發(fā)器時，它會帶來效率方面的問題。比如，我們用觸發(fā)器來限制學生的考試成績在0～150分。我們知道觸發(fā)器有兩種類型，一種是前觸發(fā)型，另一種是后觸發(fā)型。假設(shè)先使用了一個后觸發(fā)型觸發(fā)器來實現(xiàn)，那這個處理流程是這樣的：先完成數(shù)據(jù)的插入，再執(zhí)行觸發(fā)器。在觸發(fā)器中判斷新插入的數(shù)據(jù)是否不在0～150分，如果不在，要作一個回滾roll?back的操作，把剛插入的數(shù)據(jù)撤銷。如果使用的是前觸發(fā)型觸發(fā)器，同樣假設(shè)是在一個插入操作上定義觸發(fā)器。執(zhí)行插入操作時，系統(tǒng)它本身并不實際執(zhí)行插入操作，而是去執(zhí)行觸發(fā)器的代碼。當我們在觸發(fā)器當中發(fā)現(xiàn)新插入的成績滿足在0～150分時，再在觸發(fā)器當中寫一個重新插入這樣一條語句。

不管是后觸發(fā)型的觸發(fā)器作一個回滾rollback操作，還是前觸發(fā)型的觸發(fā)器再重新寫一遍插入操作，這些都比直接做插入操作多了一些額外的工作。因此不當使用觸發(fā)器會降低數(shù)據(jù)的操作效率。觸發(fā)器的功能通?？梢杂闷渌绞綄崿F(xiàn)，如果我們定的是一個check約束，情況就不一樣了，數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)首先會檢查我們的數(shù)據(jù)是否滿足我們的check約束的要求。如果不滿足，這個操作是不會執(zhí)行的，這樣顯然比我們用觸發(fā)器的效率高很多。所以我們能夠用check約束或唯一值約束等完整性約束來實現(xiàn)這些約束，都不要使用觸發(fā)器來實現(xiàn)，只有他們實現(xiàn)不了的復雜約束和企業(yè)規(guī)則，才使用觸發(fā)器。

2.4 恰當使用視圖

視圖主要是為了在數(shù)據(jù)庫和應(yīng)用程序代碼之間提供另一層抽象。我們知道數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是三級模式兩級映像的結(jié)構(gòu)。三層模式是內(nèi)模式、概念模式、外模式，視圖就對應(yīng)到外模式。外模式是針對每一類用戶對信息的需求來設(shè)計的，因此我們在設(shè)計外模式的時候，實際上是可以滿足每一類用戶的信息需求的。

在定義視圖時，實際上它可以實現(xiàn)包含復雜查詢的語句。用戶需要查詢這些數(shù)據(jù)，如果我們定義好了視圖，在客戶端用戶中需要對這個視圖進行訪問就可以，不需要去編寫復雜的查詢語句。當然了我們通過視圖，通過外模式訪問數(shù)據(jù)，它最終都會轉(zhuǎn)換到內(nèi)模式，對基本表的訪問。因此通過視圖訪問數(shù)據(jù)效率會有一些降低，但可以簡化客戶端的編程，可以封裝復雜的查詢，可以恰當?shù)厝ナ褂靡晥D。

2.5 編寫設(shè)計文檔

對所有的設(shè)計都要編寫相應(yīng)文檔，每一個設(shè)計階段都要產(chǎn)生一些文檔，便于后期維護和經(jīng)驗總結(jié)。

3 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法

3.1 數(shù)據(jù)冗余帶來的操作異常

數(shù)據(jù)庫設(shè)計是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用領(lǐng)域中的重要研究課題，其主要任務(wù)是創(chuàng)建滿足用戶需求且性能良好的數(shù)據(jù)庫模式。對于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計確切地講其主要任務(wù)就是關(guān)系數(shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計問題：如何為數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計合適的關(guān)系模式，應(yīng)設(shè)計幾個關(guān)系模式，每個關(guān)系模式由哪些屬性組成等等。

某電子有限責任公司需要開發(fā)一個員工信息管理系統(tǒng)，現(xiàn)設(shè)計了一張員工信息表，表中有5項屬性（工號、工作車間、宿舍樓、零件號、工分），前提假設(shè)同一工作車間的員工住在同一棟宿舍樓里，一位員工可以加工不同的零件來取得工分。這個表的主鍵是（工號、零件號）。現(xiàn)有如下數(shù)據(jù)，見表1最初的員工信息表。

我們來分析一下這個表的數(shù)據(jù)，看看可有數(shù)據(jù)冗余的情況，如有，在數(shù)據(jù)冗余的情況下，會出現(xiàn)哪些操作異常。

從行的角度來看，前面4 行數(shù)據(jù)實際上是描述QC1910001這位員工的。之所以出現(xiàn)了4次，是因為他后面選的加工零件有4種。從列的角度來看，前兩列描述的是這位員工在哪個車間工作這個主題，第二列與第三列描述的是這個車間的員工住在哪棟宿舍樓這個主題。這兩個主題由于與后面所選的加工零件合在一張表進行描述，所以被重復描述了多遍，有數(shù)據(jù)冗余的情況。

在有數(shù)據(jù)冗余的情況，它帶來的最直觀的問題是造成存儲空間的浪費。除了存儲空間的浪費，還會帶來不好的后果，就是操作異常。

1） 數(shù)據(jù)插入異常

假設(shè)公司的規(guī)模不斷擴大，現(xiàn)要新增一個車間：工作車間4，也分配了這個車間的員工住在4號樓。但目前還沒開始招收員工，因此還沒有工號與零件號的數(shù)據(jù)，而（工號、零件號）是這張表的主鍵，我們知道要插入一行數(shù)據(jù)，主鍵為空是插入不了的。這樣新增的這個車間的信息就插不進去了。所以說數(shù)據(jù)冗余有可能造成數(shù)據(jù)插入異常。

2） 數(shù)據(jù)更新異常

假設(shè)公司新蓋了宿舍樓，現(xiàn)要把車間1的員工搬到新蓋的宿舍樓：新1號樓。按常理來說，要更改這樣一個主題，只要更改一次就夠了。但對于我們這個設(shè)計方法，在這張表中就要更改6次。那由小及大，如果這個車間1的員工是100人，那起碼得更改100次。這就造成了時間的浪費，效率的低下，出錯的可能。所以說數(shù)據(jù)冗余有可能造成數(shù)據(jù)更新異常。

3） 數(shù)據(jù)刪除異常

假設(shè)有員工只加工一種型號的零件，現(xiàn)公司不再加工這個零件了，要把這行數(shù)據(jù)刪除。那么刪除掉這行信息，同時也就把這位員工的其他基本信息一并刪除了?？梢姡鄠€主題合在一起，放在同一張表中進行描述的這種設(shè)計方法，有可能造成數(shù)據(jù)刪除異常。

顯然，好的數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計很重要。不僅避免了空間的浪費，也避免了數(shù)據(jù)操作異常，還能提高效率，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性，方便進行數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)[4]。

3.2 數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的規(guī)范化

進行數(shù)據(jù)庫邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計，要遵循關(guān)系規(guī)范化理論，要理解函數(shù)依賴與范式間的內(nèi)在關(guān)系。某電子有限責任公司這張員工信息表不是一個好的關(guān)系模式，只有通過模式分解，把這個關(guān)系模式分解成更高級別的兩個或是多個關(guān)系模式，在分解的過程中消除那些“不良”的函數(shù)依賴，從而獲得良好的關(guān)系模式。

1） 消除部分函數(shù)依賴，規(guī)范化到第二范式

我們知道，不包含非原子項屬性的關(guān)系是第一范式的關(guān)系。也只有滿足第一范式的表，我們在關(guān)系模式的數(shù)據(jù)庫中才能去存儲。員工信息表（工號、工作車間、宿舍樓、零件號、工分）都是原子項屬性，所以它是第一范式的關(guān)系。

在員工信息表當中，（工號、零件號）是主鍵，而工作車間完全函數(shù)依賴于工號，這樣就存在工作車間部分函數(shù)依賴于主鍵。同時存在數(shù)據(jù)冗余，操作異常的情況。因此，我們用分解的方法，把這張表規(guī)范化到第二范式，消除部分函數(shù)依賴。

首先，用組成主鍵的屬性集合的每一個子集，作為主鍵構(gòu)成關(guān)系表。在這，我們得到主鍵的3個子集分別為：工號，零件號，（工號、零件號）。

再者，將依賴于不同主鍵的屬性放置到相應(yīng)的關(guān)系表中。得到3張表：（工號、工作車間、宿舍樓）；（工號、零件號、工分）；（零件號）。

最后，去掉只由主鍵的子集構(gòu)成的關(guān)系表。

這樣就把員工信息表規(guī)范化到第二范式了，得到兩張表。（工號、工作車間、宿舍樓）；（工號、零件號、工分）。

已規(guī)范化到第二范式的關(guān)系表，再看表2的工作車間與宿舍樓這兩列數(shù)據(jù)，還是存在數(shù)據(jù)冗余的情況。有數(shù)據(jù)冗余就可能存在數(shù)據(jù)操作異常。因此，繼續(xù)向第三范式進行規(guī)范化。

2） 消除傳遞函數(shù)依賴，規(guī)范化到第三范式

在（工號、工作車間、宿舍樓）這張第二范式的關(guān)系表中，工作車間完全函數(shù)依賴于工號，宿舍樓又完全函數(shù)依賴于工作車間，因此，宿舍樓傳遞函數(shù)依賴于工號，并且有數(shù)據(jù)冗余的情況。繼續(xù)用分解的方法，把這張表規(guī)范化到第三范式，消除傳遞函數(shù)依賴。

首先，對于不是候選鍵的每個決定因子，從關(guān)系模式中刪去依賴于它的所有屬性。在此表中，工作車間決定宿舍樓，工作車間這個決定因子并不是一個候選鍵，因此，把依賴于它的屬性宿舍樓刪去。

再者，新建一個關(guān)系模式，新關(guān)系模式中包含在原關(guān)系模式中所有依賴于該決定因子的屬性。那么新關(guān)系模式為（宿舍樓）。

最后，將決定因子作為新關(guān)系模式的主鍵。那么新關(guān)系模式為（工作車間、宿舍樓）。

這樣，我們就把（工號、工作車間、宿舍樓）這張第二范式的關(guān)系表分解為兩張第三范式的表（工號、工作車間），（工作車間、宿舍樓）。分解到第三范式了，這兩張表基本上不存在數(shù)據(jù)冗余，沒有數(shù)據(jù)冗余，也就基本上消除了操作異常。

3） 設(shè)置外鍵，保持表間的聯(lián)系，保證數(shù)據(jù)的完整性

經(jīng)過規(guī)范化，最終把員工信息表分解成了三個第三范式的關(guān)系表：

form1（工號、工作車間），工號是主鍵，工作車間為引用form2的外鍵。

form2（工作車間、宿舍樓），工作車間是主鍵，沒有外鍵。

form3（工號、零件號、工分），（工號、零件號）是主鍵，工號為引用form1的外鍵。

表之間的關(guān)系是通過外鍵來連接的。原來在一張表中的數(shù)據(jù)，為了保證數(shù)據(jù)庫的性能，通過分解的方法變成了多張表，規(guī)范化到了第三范式，為了保持表中原數(shù)據(jù)間的聯(lián)系，我們可以通過設(shè)計外鍵的方法保持表間的聯(lián)系，保持數(shù)據(jù)的依賴關(guān)系。例如，在前面的表中，定義form3表當中的工號當作外鍵，它參照form1表中的工號，這樣可以保證進行零件加工的員工是在form1表中登記在冊的員工。這樣也就保證了這兩張表數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

關(guān)系規(guī)范化的方法是進行模式分解，但分解后產(chǎn)生的關(guān)系模式應(yīng)與原關(guān)系模式等價，不能表面上消除了操作異?，F(xiàn)象，卻留下了其他的問題。為此，模式分解還要注意兩點：一是模式分解具有無損連接性；二是模式分解能夠保持函數(shù)依賴。

4） 堅持標準化的設(shè)計理念

在表設(shè)計原則中，應(yīng)盡量遵守第三范式的標準，更高層次的標準也有，但更高標準不一定更好。事實上，對某些項目而言，甚至就連3NF都可能給數(shù)據(jù)庫引入太高的復雜性。有時為了提高運行效率，就得適當保留冗余數(shù)據(jù)，對表不進行標準化有時也是必要的，非標準化與加速訪問之間的妥協(xié)是有一定意義的，但絕不能把數(shù)據(jù)表的非標準化當作理所當然的設(shè)計理念[5]。適當保留冗余數(shù)據(jù)，具體做法是增加字段，但這具體的操作不過是一種派生，所以標準化的設(shè)計理念是要堅持的，從根本上保證數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的高性能、高可用。

4 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計的意義在于為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性、完整性和高性能提供支撐。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計是數(shù)據(jù)庫設(shè)計的“綱”。在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的三級模式中，邏輯模式是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的中間層，是對數(shù)據(jù)庫中的全體數(shù)據(jù)的描述，是所有用戶的公共數(shù)據(jù)視圖。“壹引其綱，萬目皆張”，設(shè)計出良好的邏輯模式，不僅能節(jié)省數(shù)據(jù)的存儲空間，而且方便數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，還能保證數(shù)據(jù)的完整性等。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計往往工作量比較大，過程復雜，綜合性強，涉及面廣，要確切表達用戶的需求，構(gòu)造最優(yōu)的數(shù)據(jù)庫模式，因此要努力把數(shù)據(jù)庫設(shè)計和系統(tǒng)其他成分的設(shè)計緊密結(jié)合，把數(shù)據(jù)和處理的需求、分析、抽象、設(shè)計和實現(xiàn)在各個階段同時進行，相互參照，相互融合。

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【通聯(lián)編輯：朱寶貴】