1.1 什么是数据库

数据库(Database)是按照数据结构来组织、存储和管理数据的建立在计算机存储设备上的仓库。它产生于距今六十多年前，随着信息技术和市场的发展，特别是二十世纪九十年代以后，数据管理不再仅仅是存储和管理数据，而转变成用户所需要的各种数据管理的方式。数据库有很多种类型，从最简单的存储有各种数据的表格到能够进行海量数据存储的大型数据库系统都在各个方面得到了广泛的应用。

计算机中的数据

1.2 数据库的类型

从当前业界的使用情况来看，整体上数据库大致分为关系型数据库和非关系型数据库。

常用数据库

1.3 关系型数据库

简单来讲，关系型模型就是二维表格模型，而一个关系型数据库就是由多个二维表及其之间的联系组成的一个数据组织。
在关系型数据库中有以下主要的概念：

• 关系：可以理解为一张二维表，每个关系都有一个关系名，在关系型数据库中就是表名。
• 元组：可以理解为二维表中的一行，在关系型数据库中称为记录或一行数据。
• 属性：可以理解为二维表中的一列，在关系型数据库中称为字段或列。
• 域：域就是属性的取值范围，也就是关系型数据库中某一列的取值范围。
• 关键字：关键字就是一组可以唯一标示某一个元组的属性（就是某一行的数据），在关系型数据库中称为主键，由一个或多个列组成。
  ** 关系型数据库的优点：**
• 容易理解
• 使用方便
• 易于维护
  ** 关系型数据库的缺点：**
• 高并发时读写效率不高
• 海量数据的读写效率不高
• 高扩展性和可用性问题

关系型数据库主要概念示意图

1.4 关系型数据库的三范式

关系型数据库的范式指的是一张数据表的表结构应符合某种设计标准的级别。

1.4.1 第一范式（每个属性不可再分）

第一范式（1NF）是指数据表的每个属性（每一列）都是不可再分的原子列。它是所有关系型数据库的最基本要求，你在关系型数据库管理系统（RDBMS），例如SQL Server，Oracle，MySQL中创建数据表的时候，如果数据表的设计不符合这个最基本的要求，那么操作一定是不能成功的。如表1所示，就不符合第一范式，因为“进货”和“销售”都包含了两列，不满足1NF的要求，即每个属性（列）不可再分。符合1NF的数据应为表2所示。

表1 不符合1NF的数据表

表2 符合1NF的数据表

除了表1所述情况以外，还存在一种情况，就是每个列的内容是不可再分的，如表3所示，因为地址列中包含了省、市、区以及具体地址等信息，所以也不符合1NF的要求，即每一列都是不可再分的原子列。而正确的方式是，应将其进行拆分至少4列，即省、市、区、详细地址，如表4所示。

表3 不符合1NF的数据表

表4 符合1NF的数据表

即使满足了1NF，但因为仅仅只满足1NF，这样的数据表在设计上仍然存在一些问题，如表5 所示：

表5 仅满足1NF数据表

如表5所示，虽然满足1NF的要求，但存在以下几个问题：
（1）数据冗余
学生编号、学生姓名、系名、系主任、课名多次出现，每个系与对应的系主任的数据也重复多次。
（2）数据插入异常
假如学校新建了一个系，但是暂时还没有招收任何学生，那么是无法将系名与系主任的数据单独地添加到数据表中去的。
（3）数据删除异常
假如将某个系中所有学生相关的记录都删除，那么所有系与系主任的数据也就随之消失了（一个系所有学生都没有了，并不表示这个系就没有了）。
（4）数据修改异常
假如其中一个同学转系到其他的系，那么为了保证数据库中数据的一致性，需要修改多条记录中系与系主任的数据。
正因为仅符合1NF的设计要求，所以，存在以上的问题。为了解决以上问题，我们需要提高设计标准，去掉导致上述四种问题的因素，使其符合更高一级的范式，也就是第二范式（2NF），这就是所谓的“规范化”。

1.4.2 第二范式（确保每一列都和主键相关）

第二范式（2NF）是在第一范式基础上建立起来的，其目的是为了解决1NF存在的4个问题。所以，满足2NF必须先满足1NF。
第二范式（2NF）要求数据库表中的** 每个行必须可以被惟一地区分** 。为实现区分通常需要为表加上一个列，以存储各个实例的惟一标识。如学生信息表中加上了学生编号（StudentID）列，因为每个学生的学生编号是惟一的，因此每个学生可以被惟一区分。这个惟一属性列被称为主关键字或主键。
第二范式（2NF）要求表中的** 每一列完全依赖于主键** 。所谓完全依赖是指不能存在仅依赖主键一部分的属性，如果存在，那么这个列和主键的这一部分应该分离出来形成一个新的表，新表与原表之间是一对多的关系。为实现区分通常需要为表加上一个列，以存储各个实例的惟一标识。简而言之，第二范式就是非主键部分依赖于主键。
说明：主键依赖
① 必须有主键；
② 主键可以是一个，可以是多个字段组成的复合主键；
③ 主键不重复而且可以唯一的标识出每一行信息。
根据2NF的要求，我们需要对表5进行拆分，结果如下：

系别信息表

学生信息表

课程信息表

课程考试成绩信息表

1.4.3 第三范式（确保每列都和主键直接相关）

满足第三范式（3NF）必须先满足第二范式（2NF）。也就是说，第三范式（3NF）要求一个数据库表中不包含已在其它表中已包含的非主关键字信息。例如，上述课程信息表，其中每个课程都有对应的课程编号和课程名称信息。那么在课程考试信息表中列出课程编号后就不能再将课程名称信息再加入课程考试信息表中。如果不存在课程信息表，则根据第三范式（3NF）也应该构建它，否则就会有大量的数据冗余。
根据3NF的要求，课程考试信息表应优化如下：

课程考试成绩信息表