Нормализация в SQL
Нормализация — это процесс организации данных в базе данных для минимизации избыточности и зависимости данных. Цель нормализации — разделить данные на таблицы так, чтобы каждая таблица содержала только связанные друг с другом данные, и обеспечить правильные отношения между этими таблицами. Это помогает повысить эффективность работы с базой данных и упростить её поддержку.
Когда база данных не нормализована, это может привести к проблемам, таким как:
- Избыточность данных (данные хранятся в нескольких местах, что увеличивает объем хранимой информации и риск ошибок при обновлении);
- Аномалии обновления (сложности при обновлениях и удалениях данных);
- Аномалии вставки (невозможность вставить данные из-за отсутствия других данных).
Основные формы нормализации
Нормализация данных разделена на несколько форм, каждая из которых последовательно улучшает структуру данных в базе. Рассмотрим основные нормальные формы (NF) в SQL:
1. Первая нормальная форма (1NF)
Таблица находится в первой нормальной форме, если она удовлетворяет следующим условиям:
- Все столбцы содержат только атомарные значения, то есть неделимые;
- Все строки в таблице уникальны (дублирующие строки не допускаются);
- Все столбцы содержат однотипные данные.
Пример:
Таблица, не находящаяся в 1NF:
Здесь у Ивана два телефона в одном поле, что нарушает принцип атомарности.
Нормализованная таблица (1NF):
Теперь каждый телефон записан в отдельной строке, и таблица удовлетворяет требованиям 1NF.
2. Вторая нормальная форма (2NF)
Таблица находится во второй нормальной форме, если она:
- Находится в первой нормальной форме (1NF);
- И все неключевые атрибуты полностью зависят от всего первичного ключа, а не от его части (для составных ключей).
Пример:
Таблица, не находящаяся в 2NF:
Предположим, что первичный ключ — это комбинация столбцов ID и Курс. Преподаватель зависит только от курса, а не от ID студента, следовательно, зависимость не полная, и эта таблица не удовлетворяет 2NF.
Нормализованная таблица (2NF):
Таблица курсов:
Таблица студентов:
Теперь каждый курс связан с преподавателем в отдельной таблице, и зависимость преподавателя от курса становится полной, что удовлетворяет требованиям 2NF.
3. Третья нормальная форма (3NF)
Таблица находится в третьей нормальной форме, если она:
- Находится во второй нормальной форме (2NF);
- И все неключевые атрибуты зависят только от первичного ключа и не зависят от других неключевых атрибутов (отсутствуют транзитивные зависимости).
Пример:
Таблица, не находящаяся в 3NF:
Здесь кабинет зависит от преподавателя, а не от ID или курса, что является нарушением 3NF.
Нормализованная таблица (3NF):
Таблица преподавателей и кабинетов:
Таблица студентов и курсов:
Таблица курсов и преподавателей:
Теперь зависимость кабинета от преподавателя устранена, и все неключевые атрибуты зависят только от первичного ключа.
Бойс-Коддова нормальная форма (BCNF)
BCNF — это более строгая версия третьей нормальной формы. Таблица находится в BCNF, если для каждого функционального зависимого отношения (X → Y), X является суперключом (ключом-кандидатом).
Пример:
Таблица, не находящаяся в BCNF:
Здесь у нас зависимость: курс определяет преподавателя, но курс не является ключом-кандидатом (ID студента тоже участвует в определении уникальности записи). Это нарушает BCNF.
Чтобы привести таблицу в BCNF, нужно разделить её на:
- Таблицу курсов и преподавателей
- Таблицу студентов и курсов.
Резюме
Нормализация помогает убрать избыточные и излишне сложные связи между таблицами в базе данных. Основные её этапы:
- 1NF: Устраняем повторяющиеся группы и делаем значения атомарными.
- 2NF: Полностью устраняем частичные зависимости от составных ключей.
- 3NF: Устраняем транзитивные зависимости (зависимости от неключевых атрибутов).
- BCNF: Усложняем требования к функциональным зависимостям, чтобы каждая зависимость шла от суперключа.
Каждая последующая нормальная форма улучшает структуру данных, делая её более гибкой, управляемой и устойчивой к ошибкам при изменениях данных.
Утверждение выше (зачеркнутое) верно отчасти.
Исправляю:
Нормализация, особенно если стремиться к более высоким нормальным формам (например, BCNF и дальше), может привести к разбиению данных на слишком большое количество таблиц. Это, в свою очередь, может усложнить структуру базы данных и разработку приложения по нескольким причинам:
- Сложные SQL-запросы: Чтобы получить данные, возможно, придется использовать сложные запросы с большим количеством JOIN операций, что может снизить читаемость кода и увеличить вероятность ошибок.
- Падение производительности: Если количество таблиц и связей между ними становится слишком большим, это может негативно сказаться на производительности запросов, особенно если база данных не оптимизирована, индексы не настроены должным образом или объем данных большой.
- Чрезмерная нормализация: В реальных проектах иногда приходится искать баланс между строгой нормализацией и удобством использования данных. Слишком жесткое следование нормализации может сделать систему трудной для сопровождения и использования.
Пример: Представьте, что у вас есть сильно нормализованная база данных, где для каждого атрибута, который может измениться, создана отдельная таблица. Это может привести к необходимости писать запросы, которые объединяют десятки таблиц через JOIN, что не только ухудшает производительность, но и усложняет понимание логики.
"Форм нормализации больше, чем четыре"
В учебных и практических материалах чаще всего упоминаются первые три формы и BCNF, поскольку они встречаются чаще и охватывают большинство сценариев.
Кроме 1NF, 2NF, 3NF и BCNF, существуют и другие нормальные формы, такие как:
- Четвёртая нормальная форма (4NF): Устраняет многозначные зависимости. Она необходима, если существуют многозначные зависимости, которые могут привести к избыточности данных.
- Пятая нормальная форма (5NF): Устраняет избыточность, если данные могут быть разложены на несколько таблиц, но при этом их нельзя восстановить без потери информации.
- Шестая нормальная форма (6NF): Это скорее теоретическая форма, которая используется в специализированных областях (например, в хранилищах данных). Она направлена на устранение всех возможных избыточностей.
- Доменно-ключевая нормальная форма (DKNF): Требует, чтобы все ограничения базы данных были выражены только через ключи и домены (типы данных). Это очень строгая форма, которая редко используется на практике.
Таким образом, количество нормальных форм действительно больше, чем те, которые обычно обсуждают, и это важно учитывать. В практической разработке редко когда требуется следовать нормализации дальше 3NF или BCNF, но знание о более высоких формах может быть полезным в сложных сценариях.
Баланс между нормализацией и денормализацией
Важно понимать, что нормализация и денормализация — это два крайних подхода к проектированию базы данных, и в большинстве реальных приложений приходится искать баланс между ними:
- Нормализация помогает устранить избыточность и аномалии, обеспечивая согласованность данных.
- Денормализация, с другой стороны, может улучшить производительность за счёт уменьшения количества JOIN и более простого доступа к данным.
Часто в реальных системах применяют частичную денормализацию, когда некоторые данные хранятся избыточно (например, для оптимизации чтения или уменьшения количества сложных запросов), но при этом дизайнеры базы данных стараются поддерживать баланс между нормализацией и производительностью.
Вместо заключения
При работе с базами данных:
- Нормализация — это мощный инструмент, но его нужно применять с умом. Стремление к полной нормализации может привести к чрезмерной сложности базы данных и ухудшению производительности.
- Высокие нормальные формы (4NF, 5NF и т.д.) существуют, но их необходимость зависит от специфики проекта.
- В реальных проектах часто применяют гибкий подход: нормализуют данные до разумной степени, но при необходимости могут использовать денормализацию для улучшения производительности.
Важно помнить, что каждая задача требует индивидуального подхода. Иногда полная нормализация оправдана, иногда лучше оставить частичную денормализацию для повышения производительности или упрощения запросов.
Вместо оглавления. Что вы найдете на канале QA Helper - справочник тестировщика?
Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить полезную информацию: QA Helper - справочник тестировщика
Пишите в комментариях какой пункт было бы интересно рассмотреть более подробно.
Обязательно прочитайте: Что должен знать и уметь тестировщик
Также будет интересно почитать: Вопросы которые задают на собеседовании тестировщикам