정규화

개념

• 함수 종속성으로 한 릴레이션에 연관성이 있는 속성들로만 구성되도록 릴레이션을 분해해서 이상 현상이 발생하지 않는 올바른 릴레이션을 만들어가는 과정

• 관련 없는 속성들은 별개의 릴레이션으로

정규화 필요성

• 관련이 없는 속성들을 한 테이블에 모아두었기 때문에 이상 현상이 발생한다

• 이상 현상을 제거하면서 DB를 설계해나가는 과정이 정규화

  • 이상 현상이 발생하지 않도록 릴레이션을 분해하는 과정

• 정규화를 통해 관련 있는 속성들로만 테이블을 구성한다

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정규형

• 각 정규형마다 만족시켜야 하는 조건이 존재한다

• 정규형의 차수 ↑
  • 요구되는 제약조건 ↑
  • 일반적으로 데이터 중복 ↓, 이상 현상 ↓

• 릴레이션의 특성에 따라 적합한 정규형을 선택해야 한다 (보통 기본 정규형)

• 비정규형 ⊃ 제1정규형 ⊃ 제2정규형 ⊃ 제3정규형 ⊃ BCNF형 ⊃ 제4정규형 ⊃ 제5정규형

정규형의 종류

1. 기본 정규형
   • 제1정규형
   • 제2정규형
   • 제3정규형
   • 보이스/코드 정규형

2. 고급 정규형
   • 제4정규형
   • 제5정규형

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제1정규형 1NF: First Normal Form

릴레이션에 속한 모든 속성의 도메인이 원자 값으로만 구성

• 모든 속성이 원자 값만 가져야 함
• 다중 값 속성 x

예시 (비정규형)

• event (customer_id, event_id, winning_status, membership_level, discount)
  • (apple, (e1,e2), (Y, N), gold, 10)
  • (orange, e1, N, gold, 10)

• 한 고객에 event_id와 winning_status가 2개이므로 1NF x

1NF로 분해

• (apple, e1, Y, gold, 10)
• (apple, e2, N, gold, 10)

• 제1정규형을 만족하지만 불필요한 데이터 중복 > 이상 현상 발생 가능

함수 종속성 살펴보기

• customer_id → memebership_level
• customer_id → discount
• membership_level → discount
• (customer_id, event_id) → winning_status

이상 현상 발생

1. 삽입 이상

• 기본키는 {customer_id, event_id}

• 고객 데이터를 추가하려면 무조건 이벤트에 참여해야 한다

• 이벤트를 참여하지 않는 데이터는 기본키의 일부인 event_id가 NULL
  → 개체 무결성 제약조건 위반

2. 갱신 이상

• apple 고객의 튜플이 2개이므로 membership_level과 discount가 중복되어 있음
  • (apple, e1, Y, gold, 10)
  • (apple, e2, N, gold, 10)

• apple 고객의 멤버십 등급을 vip로 변경할 때, 일부 튜플만 변경된다면
  → 데이터 일관성 위반

3. 삭제 이상

• (orange, e1, N, gold, 10)

• orange 고객이 이벤트 참여를 취소한다면 고객 정보도 함께 삭제해야 함
  → 필요한 데이터 유지 불가

이상 현상 발생 이유

• 릴레이션이 부분 함수 종속을 포함

• 기본키인 {customer_id, event_id}가 완전 함수 종속x
  • membership_level과 winning_status가 중복되어 저장
  • customer_id와 event_id, winning_status가 관련x

• 릴레이션을 분해하여 제2정규형에 속하도록 변경해볼 것

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제2정규형 2NF: Second Normal Form

릴레이션에 제1규형에 속하고, 기본키가 아닌 모든 속성이 기본키에 완전 함수 종속

• 제1정규형 릴레이션 + 부분 함수 종속 제거 + 모든 속성이 기본키에 완전 함수 종속되도록 릴레이션 분해

• 분해된 릴레이션은 무손실 분해여야 함 (nonless descomposition)

  • 자연 조인하여 분해 전 릴레이션으로 복원할 수 있어야 함
  • 릴레이션 분해 시 정보 손실 없어야 함

예시 (1NF)

• event (customer_id, event_id, winning_status, membership_level, discount)
  • (apple, e1, Y, gold, 10)
  • (apple, e2, N, gold, 10)
  • (orange, e1, N, vip, 15)

• 기본키 (customer_id, event_id)에 membership_level, discount가 완전 함수 종속x

2NF로 변경

• event 릴레이션을 customer, event 릴레이션으로 분해

• customer (customer_id, membership_level, discount)
  • membership_level, discount가 완전 종속
  • 고객 한 명에 멤버십 등급과 할인율이 각각 하나

• event (customer_id, event_id, winning_status)
  • winning_status가 완전 종속
  • 한 고객이 참여한 하나의 이벤트는 당첨여부가 하나

이상 현상 발생

• event 릴레이션은 함수 종속성 하나
• customer 릴레이션은 함수 종속성 여러 개 (완전 함수 종속성이지만)
  → 이상 현상 발생 가능

1. 삽입 이상

• 지금까지 membership_level에는 gold와 vip 등급밖에 없었다
• silver라는 등급을 추가하려면 고객 아이디가 NULL로 들어가야 함
  • (NULL, silver, 5)

2. 갱신 이상

• vip의 할인율을 15에서 20으로 변경하려고 한다
• customer 릴레이션에서 gold인 튜플은 2개인데, 만약 하나의 튜플에 discount가 갱신되지 않는다면 한 멤버십 등급에 여러 할인율이 생긴다
  → 데이터 불일치

3. 삭제 이상

• orange 고객이 탈퇴하면 vip라는 등급과 vip의 할인율 정보가 함께 삭제된다
  → 데이터 손실

이상 현상 발생 이유

• 한 릴레이션에 함수 종속 관계 여러 개
• 릴레이션을 분해하여 이행적 함수 종속 제거
• 3NF로 변경해 보기

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제3정규형 3NF: Third Normal Form

릴레이션이 제2정규형에 속하고 기본키가 아닌 모든 속성이 기본키에 이행적 함수 종속 x

• 2NF를 만족해도 한 릴레이션에 여러 개의 함수 종속 관계가 존재해서 이행적 함수 종속 관계가 유도되면 이상 현상 발생 가능

• 모든 속성이 기본키에 이행적 함수 종속이 되지 않도록 릴레이션 분해

• 함수적 종속성 보장, 하지만 데이터 중복 가능

예시 (2NF)

• event (customer_id, event_id, winning_status, membership_level, discount)
  • (apple, e1, Y)
  • (apple, e2, N)
  • (orange, e1, N)
  • (carrot, e3, Y)

• customer (customer_id, membership_level, discount)
  • (apple, gold, 10)
  • (orange, vip, 15)
  • (carrot, gold, 10)

3NF로 변경

• customer 릴레이션에 이행적 함수 종속 관계 존재
  • customer_id → membership_level
  • membership_level → discount
  • customer_id(PK) → discount

• 2개의 릴레이션으로 분해
  • X→Y, Y→Z, X→Z면 (X, Y), (Y, Z) 릴레이션으로 분해

• customer (customer_id, membership_level, discount)
  • customer(customer_id, membership_level)
  • membership(membership_level, dicount)

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보이스/코드 정규형 BCNF: Boyce/Codd Normal Form

릴레이션의 함수 종속 관계에서 모든 결정자가 후보키

• 한 릴레이션에 여러 개의 후보키가 존재하는 경우, 3NF를 만족하더라도 이상현상 발생 가능

• 제3규형에 더 강력한 제약조건 추가
  - 강한 제3정규형이라고도 함

• BCNF와 dependency preserving을 동시에 만족하는 것이 항상 가능x
  - 그래서 BCNF보다 약한 조건인 3NF (weaker BCNF)가 등장

예시 (BCNF x)

• inst_dep (id, name, salary, dept_name, building, budget)

• dept_name → building, budget이지만

• dept_name은 후보키가 아님

BCNF 분해

• 스키마 R의 속성 집합 X, Y의 함수적 종속성인 X→Y가 BCNF을 위반한다면 다음과 같이 분해한다
  • XUY
  • R-(Y-X) = R-Y+X

• inst_dep을 instructor, department로 분해
  • department (dept_name, building, budget)
  • instructor (id, name, salary, dept_name)

• R: inst_dept, X: dept_name, Y: (building, budget)

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출처: 데이터베이스 개론, Database System Concepts