Вторая нормальная форма базы данных. Second normal form
Вторая нормальная форма (2NF) является важным этапом в проектировании реляционных баз данных. Достижение второй нормальной формы позволяет устранить некоторые типичные проблемы, связанные с избыточностью данных и аномалиями обновления.
Чтобы соответствовать второй нормальной форме, таблица должна сначала быть приведена к первой нормальной форме . Это означает, что все атрибуты в таблице должны быть атомарными, то есть не содержать множественных значений в одном поле. Кроме того, у таблицы должен быть определен первичный ключ, однозначно идентифицирующий каждую запись.
Требования второй нормальной формы
Чтобы соответствовать второй нормальной форме, таблица должна удовлетворять двум требованиям:
- Таблица должна быть приведена к первой нормальной форме.
- Все не ключевые атрибуты должны функционально зависеть от первичного ключа.
Второе требование означает, что каждый не ключевой атрибут должен зависеть от всего первичного ключа, а не только от его части. Если какой-либо атрибут зависит только от части ключа, его следует вынести в отдельную таблицу.
Преимущества второй нормальной формы
Нормализация до второй нормальной формы обеспечивает несколько преимуществ:
- Устранение избыточности данных. Атрибуты, зависящие от части ключа, хранятся только один раз.
- Предотвращение аномалий обновления. Изменения распространяются корректно во все связанные записи.
- Упрощение структуры. Таблицы становятся более понятными и легкими в использовании.
Достижение второй нормальной формы
Чтобы привести таблицу ко второй нормальной форме, нужно выполнить следующие шаги:
- Определить первичный ключ.
- Выявить атрибуты, не зависящие функционально от первичного ключа.
- Вынести эти атрибуты в отдельную таблицу, добавив внешний ключ.
Рассмотрим пример таблицы заказов, которая не соответствует 2NF из-за атрибута "Адрес доставки". Этот атрибут зависит только от части ключа - "ID клиента".
| ID заказа | ID клиента | Дата заказа | Адрес доставки |
|---|---|---|---|
| 1 | 123 | 01.01.2022 | ул. Пушкина, д.5, кв.12 |
| 2 | 123 | 02.01.2022 | ул. Пушкина, д.5, кв.12 |
Чтобы привести ее ко 2NF, мы выносим "Адрес доставки" в отдельную таблицу "Адреса", добавив внешний ключ "ID клиента":
| ID заказа | ID клиента | Дата заказа |
|---|---|---|
| 1 | 123 | 01.01.2022 |
| 2 | 123 | 02.01.2022 |
| ID клиента | Адрес доставки |
|---|---|
| 123 | ул. Пушкина, д.5, кв.12 |
Теперь таблица заказов соответствует второй нормальной форме.
Вторая нормальная форма является важным промежуточным этапом при проектировании реляционных баз данных. Приведение таблиц ко 2NF позволяет устранить избыточность данных и предотвратить возникновение аномалий при обновлении. Хотя для многих практических задач достаточно соответствия 2NF, иногда требуется дальнейшая нормализация до 3NF или даже BCNF для получения более строгой структуры базы данных.
Применение второй нормальной формы
Хотя концепция второй нормальной формы довольно проста, на практике при нормализации реальных баз данных могут возникнуть сложности. Рассмотрим некоторые типичные сценарии применения 2NF.
Один из наиболее распространенных случаев - нормализация таблицы с "повторяющимися группами". Это когда определенная группа атрибутов повторяется для каждого значения части ключа. Например, в таблице клиентов могут храниться контактные данные для каждого офиса клиента. Чтобы привести к 2NF, эти данные следует вынести в отдельную таблицу.
Еще один случай - наличие "многозначных" атрибутов, когда в одном поле хранится несколько значений. Например, в таблице сотрудников в поле "навыки" перечислены все умения данного человека. Это нарушает 1NF, поэтому "навыки" нужно разбить на отдельные записи.
Выбор ключей
Важный момент при нормализации до 2NF - правильный выбор первичного ключа, так как от него зависит дальнейшее разбиение таблицы. Иногда имеет смысл ввести "составной" или "суррогатный" ключ, если подходящего естественного ключа нет.
Например, в таблице продуктов естественным ключом был бы артикул товара. Но если у некоторых продуктов артикул отсутствует, можно использовать составной ключ из названия и производителя. А можно ввести суррогатный идентификатор "ID продукта".
Автоматизация процесса
В современных СУБД реализованы средства автоматической нормализации базы данных до заданной нормальной формы. Это может значительно упростить и ускорить приведение схемы БД к нормальным формам.
Однако полностью полагаться на автоматизацию не следует. Разработчик должен контролировать процесс и принимать решения в неоднозначных случаях выбора ключей, разбиения таблиц и т.д. Только комбинация automated second normal form с пониманием баз данных позволит эффективно нормализовать схему.
Денормализация
Иногда ради повышения производительности применяют обратный процесс - денормализацию, то есть намеренное нарушение нормальных форм. Например, извлечение часто используемых данных в отдельную таблицу.
Однако денормализация может иметь и негативные последствия в виде дублирования данных. Поэтому к ней следует прибегать очень аккуратно, предварительно нормализовав базу данных.
Сравнение с третьей нормальной формой
Хотя вторая нормальная форма устраняет некоторые проблемы, связанные с избыточностью данных, она не гарантирует полной нормализации. Для достижения более строгой структуры часто применяют третью нормальную форму.
Основное отличие 3NF от 2NF в том, что не ключевые атрибуты не должны зависеть друг от друга. Если обнаружена такая зависимость, эти атрибуты также выносятся в отдельную таблицу.
Например, в таблице заказов атрибут "способ оплаты" может зависеть от атрибута "статус заказа". Чтобы удовлетворить 3NF, их следует разнести по разным таблицам.
Таким образом, при нормализации до 3NF схема базы данных становится еще более модульной и независимой. Однако на практике зачастую достаточно 2NF, поскольку избыточное дробление таблиц может негативно повлиять на производительность.
Обеспечение целостности данных
Нормализация до высоких нормальных форм позволяет лучше обеспечить целостность данных в базе данных.
Например, соблюдение ссылочной целостности гарантирует, что не возникнет ссылок на несуществующие строки в связанных таблицах. А обеспечение целостности сущностей исключает дублирование записей об одном объекте.
Кроме того, нормализация устраняет проблемы модификации данных. Невозможны ситуации, когда изменение данных в одном месте вызывает противоречия в другом.
Таким образом, строгое следование нормальным формам при проектировании базы данных является важным инструментом для поддержания качества данных.
Влияние на производительность
Хотя нормализация улучшает структуру базы данных, она может негативно сказаться на производительности из-за увеличения числа таблиц.
При интенсивной нормализации возрастает количество операций по соединению таблиц для выборки и обновления данных. Это приводит к дополнительной нагрузке на СУБД.
В некоторых случаях имеет смысл остановиться на 2NF или 3NF, чтобы найти компромисс между структурой и производительностью. А для отдельных сильно нагруженных запросов можно применить денормализацию.
Риски чрезмерной нормализации
Хотя нормализация до высоких нормальных форм способствует улучшению структуры базы данных, чрезмерное увлечение ею может привести к некоторым негативным последствиям.
Во-первых, как уже упоминалось, слишком сильная нормализация может сказаться на производительности из-за увеличения числа соединений таблиц. Особенно если нормализовать таблицы, используемые в критичных по времени запросах.
Во-вторых, при сильной нормализации схема базы данных становится избыточно сложной и трудной для понимания. Это осложняет сопровождение БД и внесение изменений.
В-третьих, возникает риск потери важных бизнес-правил и ограничений, которые легко реализуются в ненормализованной модели.
Поэтому разработчик должен тщательно оценивать целесообразность дальнейшей нормализации для каждой конкретной таблицы, учитывая все за и против.
Нормализация и масштабируемость
Применение нормализации положительно влияет на масштабируемость базы данных, то есть способность расти и обрабатывать увеличивающиеся объемы данных.
Нормализованная БД обладает модульной структурой, где каждая сущность описана в своей таблице. Это упрощает добавление новых типов данных и связей между ними.
Кроме того, нормализация минимизирует дублирование данных, что экономит место при росте БД. И устраняет проблемы модификации данных при расширении БД.
Однако чрезмерная нормализация может иметь и негативный эффект, если усложняет структуру и снижает производительность. Поэтому нужен разумный баланс.
Нормализация в практических задачах
На практике степень нормализации базы данных зависит от конкретных требований и ограничений проекта.
Для OLTP-систем, где критична скорость запросов, часто достаточно 2NF или 3NF. А для хранилищ данных и OLAP необходима более строгая нормализация.
Кроме того, нормализацию следует учитывать на этапе концептуального и логического проектирования БД, а не после создания физической модели.
Таким образом, универсальных рецептов нет - каждый раз нужен индивидуальный подход для достижения оптимальной структуры БД.