引言
在資料庫的世界中，效率與資料完整性至關重要。資料庫正規化是一種將資料混亂狀態有序化的過程，可減少重複資料，並確保資訊的一致性。在這份全面的指南中，我們將帶您走過資料庫正規化的關鍵步驟。我們將從概念的基本理解開始，逐步深入探討達成第三正規形式的細節。在本教程結束時，您將具備優化資料庫以達到最佳效能與可維護性的知識與技能。
什麼是資料庫正規化？
資料庫正規化是一種系統性的流程，用於關係式資料庫的設計與組織，以減少資料重複並提升資料完整性。它涉及以一種方式設計資料庫結構，使資料能有效儲存、更新與查詢，同時盡可能降低異常與錯誤的發生機率。資料庫正規化的首要目標包括：
- 消除資料重複：透過有效組織資料，正規化可減少在資料庫內多處儲存相同資料的需求。這不僅節省儲存空間，也確保資料在整個資料庫中保持一致。
- 提升資料完整性：正規化透過降低異常的風險來維持資料的準確性與一致性，例如更新異常（資料更新不一致）、插入異常（新增資料困難）以及刪除異常（意外刪除資料）。
- 簡化資料管理：一個良好正規化的資料庫更易於維護與修改。它簡化了新增、更新與刪除記錄的流程，使資料庫維護工作更加直接。
正規化通常被分為不同的「正規形式」，每種形式都有其規則，用以指導表格內資料的組織方式。最常見的正規形式包括：
- 第一正規形式（1NF）：確保表格中的每一欄僅包含原子（不可分割）的值，且不存在重複群組或資料陣列。
- 第二正規形式（2NF）：在1NF的基礎上，確保所有非鍵屬性（欄位）完全函數依賴於主鍵。它消除了部分依賴。
- 第三正規形式（3NF）：在2NF的基礎上，移除傳遞依賴，確保不存在依賴於其他非鍵屬性的非鍵屬性。
超過3NF後，還有更進一步的正規形式，例如博伊斯-科德正規形式（BCNF）與第四正規形式（4NF），用以處理更複雜的情境與依賴關係。選擇達成哪一種正規形式，取決於資料庫的特定需求，以及資料重複與查詢效能之間的權衡。
資料庫正規化是一項關鍵的設計流程，可優化關係式資料庫中資料的組織，進而提升效率、資料準確性與維護便利性。這對於從事關係式資料庫的資料庫管理員與開發人員而言，是不可或缺的概念。
圖書館系統案例研究
資料庫情境：假設我們有一個資料庫，用於儲存圖書館中書籍的資訊。最初的設計只有一個稱為「書籍」的單一表格，其結構如下：
書籍表格（未正規化）：
| 書籍編號 | 書名 | 作者 | 類型 | 年份 | ISBN |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 「大亨小傳」 | 「F. 斯科特·菲茨傑拉德」 | 「小說」 | 1925 | 978-0743273565 |
| 2 | 《守望者》 | 「哈波·李」 | 小說 | 1960 | 978-0061120084 |
| 3 | 《麥田裡的守望者》 | 「J.D. 萨林杰」 | 小說 | 1951 | 978-0316769488 |
| 4 | 《霍比特人》 | J.R.R. 托爾金 | 奇幻 | 1937 | 978-0547928227 |
我們可以看到這個表格中有些重複。例如，每位書籍的作者和類型資訊都被重複列出。讓我們開始規範化流程。
步驟 1：第一正規化形式（1NF）
在第一正規化形式中，我們確保表格中的每一欄只包含原子（不可分割）的值。為達成此目標，我們為相關資料建立獨立的表格。
- 建立作者資料表：
作者資料表（1NF）：
| 作者編號 | 作者 |
|---|---|
| 1 | 「F. 斯科特·菲茨傑拉德」 |
| 2 | 「哈波·李」 |
| 3 | 「J.D. 萨林杰」 |
| 4 | “J.R.R. 托爾金” |
- 建立一個類別的資料表：
類別資料表（第一正規化）：
| 類別編號 | 類別 |
|---|---|
| 1 | “小說” |
| 2 | “奇幻” |
- 修改書籍資料表以參考作者與類別資料表：
書籍資料表（第一正規化）：
| 書籍編號 | 書名 | 作者編號 | 類別編號 | 年份 | 國際標準書號 |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | “了不起的蓋茨比” | 1 | 1 | 1925 | 978-0743273565 |
| 2 | “守望者” | 2 | 1 | 1960 | 978-0061120084 |
| 3 | 《麥田裡的守望者》 | 3 | 1 | 1951 | 978-0316769488 |
| 4 | 《霍比特人》 | 4 | 2 | 1937 | 978-0547928227 |
現在，資料處於第一範式，因為每一欄都包含原子值，並且我們為相關資料建立了獨立的資料表。
步驟 2：第二範式（2NF）
在第二範式中，我們確保所有非鍵屬性（欄位）完全函數依賴於主鍵。為達成此目標：
- 識別 Books 資料表的主鍵。在此情況下，它是 BookID。
- 為書籍作者建立一個新資料表：
BookAuthors 資料表（2NF）：
| BookID | AuthorID |
|---|---|
| 1 | 1 |
| 2 | 2 |
| 3 | 3 |
| 4 | 4 |
- 修改 Books 資料表以移除 AuthorID 欄位（它現在位於 BookAuthors 資料表中）：
Books 資料表（2NF）：
| 書籍編號 | 書名 | 類型編號 | 年份 | 國際標準書號 |
|---|---|---|---|---|
| 1 | 「大亨小傳」 | 1 | 1925 | 978-0743273565 |
| 2 | 「梅岡城故事」 | 1 | 1960 | 978-0061120084 |
| 3 | 「麥田捕手」 | 1 | 1951 | 978-0316769488 |
| 4 | 「哈比人」 | 2 | 1937 | 978-0547928227 |
現在，資料已處於第二範式，因為所有非鍵屬性都完全函數依賴於主鍵。
步驟 3：第三範式（3NF）
在第三範式中，我們確保非鍵屬性之間不存在傳遞依賴。為達成此目的：
- 識別書籍表的主鍵。在這種情況下，仍然是書籍編號。
- 為書籍類型建立一個新表：
書籍類型表（第三範式）：
| 書籍編號 | 類型編號 |
|---|---|
| 1 | 1 |
| 2 | 1 |
| 3 | 1 |
| 4 | 2 |
- 修改書籍表以移除 GenreID 欄位（它現在位於 BookGenres 表中）：
書籍表（第三範式）：
| 書籍編號 | 書名 | 年份 | 國際標準書號 |
|---|---|---|---|
| 1 | 《了不起的蓋茨比》 | 1925 | 978-0743273565 |
| 2 | 《守望者》 | 1960 | 978-0061120084 |
| 3 | 《麥田裡的守望者》 | 1951 | 978-0316769488 |
| 4 | 《霍比特人》 | 1937 | 978-0547928227 |
現在，資料已處於第三範式，因為非鍵屬性之間不存在傳遞依賴關係。
結論
本指南《數據優化：資料庫規範化的指南》提供了一個逐步教程，介紹資料庫規範化的過程。從概念介紹開始，說明規範化如何減少資料冗餘並確保資料完整性。透過圖書館圖書資料庫的實際範例，本指南帶領您完成達成第一、第二和第三範式（1NF、2NF 和 3NF）的步驟。完成本教程後，您將對如何有效組織資料庫以提升效能和維護便利性有穩固的理解。