Первая нормальная форма

Первая нормальная форма (1NF) – это состояние отношения в реляционной базе данных, при котором все атрибуты содержат атомарные (неделимые) значения. В терминах реляции это означает, что каждое поле таблицы принимает строго одно значение из своего домена, исключая списки или множества, а также сложные структуированные элементы.

Атомарность и структура атрибутов

Атомарность характеризует степень детализации данных и подразумевает, что значение атрибута невозможно или нежелательно разделить на более мелкие логические составляющие. Например, адрес можно хранить как единый текстовый атрибут – город, улица, дом, квартира, объединённые в одну строку, если операции с отдельными частями адреса не предусмотрены. Если задачи требуют обработки отдельных компонентов адреса, атрибут следует разбить на несколько атомарных полей.

Простой атрибут — это элементарное поле с неделимым значением. Примером простого атрибута может служить номер телефона, если он хранится в едином формате без списка номеров или дополнительной структурированной информации внутри.

Сложный атрибут формируется объединением нескольких простых атрибутов либо значений из нескольких доменов. Такой атрибут иногда обозначают терминами «вектор» или «агрегат» данных, поскольку он отражает совокупность элементов внутри одного поля. Как пример, атрибут «История работы» может содержать внутри много записей с разными датами, компаниями и позициями.

Типичная ошибка проектировщика баз данных – использовать сложные атрибуты в реляционной таблице. Такая ошибка приводит к нарушению первой нормальной формы, затрудняет запросы, обновления и индексацию данных.

Правило первой нормальной формы и его механика

Условие первой нормальной формы предписывает, чтобы все атрибуты таблицы находились в состоянии атомарности. Это означает, что в каждой ячейке таблицы должны находиться только отдельные примитивные значения.

На механическом уровне достижение 1NF требует разделения сложных или многозначных атрибутов на отдельные таблицы с установлением ключевых связей. Каждый элемент сложного набора данных становится отдельной записью в дочерней таблице, при этом поддерживается ссылка на родительскую таблицу через внешний ключ. Такая структура облегчает манипуляции данными и повышает эффективность.

И наоборот, хранение множественных значений в одном атрибуте нарушает механизмы поиска и фильтрации, поскольку требует использования операций над списками, а не над скалярными значениями. Это затрудняет выполнение типовых реляционных операций, таких как выборка по уникальному значению, сортировка и агрегация.

Рассмотрим алгоритм нормализации, описанный Э. Ф. Коддом для перевода отношения в 1NF. Сначала выделяется первичный ключ исходной таблицы. Затем каждое подчинённое отношение расширяется путём включения первичного ключа родительской таблицы. При этом из родительской таблицы исключаются все атрибуты со сложными доменами, по очереди применяя процесс к дочерним структурам. Так, многоуровневая иерархия сложных значений становится набором связанных друг с другом реляционных таблиц.

Примеры нарушения и соблюдения первой нормальной формы

Рассмотрим отношение «Служащий» с атрибутами «Дети» и «История работы». Оба атрибута являются сложными и содержат дополнительные подмножества — например, «История работы» включает «Историю зарплаты». Хранение таких значений в едином атрибуте нарушает атомарность и, соответственно, первую нормальную форму.

Нормализация этого отношения требует разбиения на четыре отдельные таблицы. Одну из них — главную — с информацией о самом сотруднике, и три дочерних с информацией о детях, местах работы и истории зарплат. Связи между таблицами устанавливаются с помощью внешних ключей, сохраняя функциональные зависимости.

Другой пример касается таблицы «Работник» с атрибутом «№ здания», в котором содержится множество номеров зданий, где работает сотрудник. Такой формат не допускает выборки по конкретному зданию без перебора множества элементов внутри одной ячейки.

После нормализации создается отдельное отношение, где каждой записи соответствует один номер здания. Это позволяет формировать запросы с условием равенства на значение атрибута и получать результат с высокой эффективностью.

Типичные ошибки и граничные условия первой нормальной формы

Одна из частых ошибок при проектировании баз данных – сохранение в одном атрибуте списка из нескольких значений. Часто это происходит при переносе табличных данных из плоских файлов или JSON-структур без должной нормализации.

Еще одна ошибка связана с неправильным определением атомарности. Например, хранение адреса в одном поле считается атомарным при отсутствии требований к обработке по компонентам, но если функциональность предусматривает агрегирование или фильтрацию по городу, улице или дому, это ключевой критерий для разделения атрибута.

Граничное условие работы с первой нормальной формой проявляется при сложных и вложенных структурах данных, в которых атомарность теряется при глубокой агрегации. К сожалению, соблюдение 1NF в таких ситуациях требует многократного создания связанных таблиц, что может привести к росту числа соединений (JOIN) в запросах, снижая производительность.

Технический список требований и последовательность нормализации в 1NF

Чтобы привести базу данных к первой нормальной форме, рекомендуется руководствоваться следующим набором требований и шагов:

• Каждый атрибут должен содержать неделимое значение, исключая списки и множества.
• Если значение атрибута представляет сложный объект, его следует разбить на отдельные атрибуты с атомарными значениями.
• В случае множественных значений одного типа возможна агрегация их в отдельную таблицу с ключом на основное отношение.
• Первичный ключ каждой новой таблицы должен формироваться либо из собственного атрибута, либо комбинации атрибутов родительского ключа и локального уникального признака.
• Внешние ключи должны отражать функциональные зависимости между отношениями, обеспечивая ссылочную целостность.

Сравнение с альтернативными нормальными формами

Первая нормальная форма – базовое ограничение, лежащее в основе реляционной модели данных. Следующая нормальная форма, вторая нормальная форма (2NF), накладывает дополнительно требование отсутствия частичных зависимостей от составного первичного ключа.

В отношении к 1NF, достижение которой требует атомарности атрибутов, 2NF и последующие нормальные формы включают более строгие ограничения для устранения аномалий обновления и дублирования. Однако нарушение 1NF достаточно серьезно, так как препятствует использованию стандартных механизмов реляционных запросов.

Матрица выбора нормализации по первой нормальной форме

В таблице приведены ситуации применения 1NF и ограничения: