10.2 第一范式（1NF）

      在数据库规范化中，第一范式（1NF，First Normal Form） 是最基本的要求。一个表如果满足第一范式，意味着它已经具备了关系数据库的基本特征。几乎所有关系数据库管理系统（RDBMS）创建的表天然就是1NF的，因为关系模型本身就要求每个属性都是原子的。但为了理解规范化的原理，我们还是需要明确第一范式的定义和规则。

一、第一范式的核心要求

第一范式要求表中的每一列都是不可再分的原子值，且每一行是唯一确定的。

具体来说，1NF 包含以下几条规则：

1. 每一列都必须是原子的（atomic）：即列中存储的值不能再被拆分成更小的独立部分。例如，一个“地址”列如果包含了省、市、区、街道的全部信息，就不是原子的。

2. 每一列只能存储一个值：不允许一个单元格内包含多个值（如用逗号分隔的列表）。

3. 不能有重复的组（repeating groups）：即表中不能出现多个列用于存储同一类信息的多个值（如 phone1, phone2, phone3 这样的设计）。

4. 必须有主键：表中的每一行必须能够被唯一标识。虽然主键并不是1NF的强制要求，但它是关系表的基础，没有主键就无法保证行的唯一性。

二、不符合1NF的典型例子

1. 非原子值：一个单元格包含多个数据

假设我们有一张 students 表，其中有一列存储学生的联系电话，但有些学生有多个电话，我们可能会这样设计：

这里的 phones 列存储了多个电话号码（用逗号分隔），违反了1NF的原子性要求。这会导致查询困难：比如要查找拥有某个电话号码的学生，需要使用字符串匹配函数，效率低下且容易出错。

2. 重复组：用多列存储同类数据

另一种常见反模式是用多个列存储同一类信息，例如为学生存储多个联系电话：

这种设计虽然将每个电话存到了单独的列，但引入了新的问题：

• 最多只能存储固定数量的电话（如3个），如果某个学生有4个电话就无法存储。

• 查询需要判断哪个列有值，增加了复杂度。

• 统计所有电话号码时需要多个列联合查询。

这也违反了1NF，因为存在重复组（repeating groups），实际上是将同一个属性（电话号码）拆分成了多个列。

3. 缺乏主键

如果一张表没有定义主键，或者存在完全相同的两行，就无法唯一标识记录，这也不符合关系模型的基本要求，当然也不满足1NF（虽然1NF本身没有明确要求主键，但通常认为它是必需的）。

三、如何转换为1NF

要解决上述问题，我们需要将表拆分成多个表，或者将非原子列拆分成多行。

针对非原子列（一个单元格多个值）

对于 students 表，我们可以将电话号码单独存放到另一张表 student_phones 中，与原表建立一对多关系：

students 表：

student_phones 表：

现在每一列都是原子的，每一行只存储一个电话，并且通过 student_id 关联回原表。这完全满足1NF，并且扩展性更好，无论学生有多少电话都可以存储。

针对重复组（多列存储同类数据）

对于重复组的例子，同样可以拆分成两张表，方法与上面相同。

针对缺乏主键的表

只需为表添加一个主键列即可，例如自增的 id 列。

四、第一范式的意义

      满足第一范式是进入关系数据库世界的门槛。它强制我们将数据组织成“扁平的”二维表，每一行代表一个实体或一个关系，每一列代表一个单一的属性。这为后续的规范化（2NF、3NF）奠定了基础，也使SQL查询能够以标准、高效的方式执行。

五、需要注意的细节

1. 原子性是一个相对概念：什么算是“原子”取决于业务需求。例如，一个“地址”字段在有些应用中需要拆分成省、市、区、街道，因为需要按地区统计；但在另一些应用中，可能只需要一个完整的地址字符串即可。在1NF中，原子性意味着在当前的业务上下文中，该属性不应该再被拆分为更小的独立查询单元。

2. 关系数据库设计通常默认满足1NF：现代数据库系统在设计表时，只要你不在一个列中存储多值（比如JSON、数组等特殊类型），并且使用主键，那么你的表就是1NF的。但要注意，有些数据库支持JSON、数组等复合类型，如果你使用这些类型存储多个值，从关系模型的角度看，它依然违反了1NF的原子性原则，不过在NoSQL风格的设计中有时会被接受。

3. 不要过度拆分：有时为了满足1NF而拆分得太细，可能导致查询时需要大量JOIN，反而影响性能。在实际设计中，需要在规范化和实际需求之间找到平衡。

六、练习与思考

1、以下表是否符合1NF？如果不符合，请修改。

答案：不符合，products 列是非原子的。应拆分为 order_items 表，每行一个产品。

2、假设有一张 teachers 表，包含 teacher_id、name、subject1、subject2、subject3 表示教师能教授的科目。这种设计有何问题？如何改进？

问题：重复组，最多只能存储3门课，且查询不便。应拆分为 teachers 和 teacher_subjects 表，一对多关系。

七、总结

• 第一范式（1NF） 要求表中的每一列都是原子性的，每一行有唯一标识。

• 违反1NF的典型情况包括：列中存储多个值、重复组、缺少主键。

• 转换为1NF的方法通常是将多值属性拆分成多行（子表），或为重复组创建关联表。

• 满足1NF是关系数据库设计的基础，但并不等于完美设计，还需要考虑更高范式和性能需求。