SQL과 관계형 모델 (정규화) (DB 스터디 3주차)

"관계형 데이터베이스 실전 입문 - 오쿠노 마키아"를 읽으며 매주 스터디 진행

목표

• 왜 정규화가 필요한지?
• 정규화는 어떤 과정인지?

3.1 왜 DB 설계가 중요한가?

• 테이블이 적절하게 설계되지 않으면 쿼리를 통한 데이터 조작이 어렵다.
• 정규화를 통해 테이블의 깔끔한 설계를 가능하게 한다.

3.2 정규화

관계형 모델을 보완하는 이론

🔥 “정규화”

- RDB를 잘 다루는 데 필요한 기술이며 관계형 모델을 전제로 구축된 DB 설계 이론
- 관계형 모델을 보완하는 이론

• 정규화 ≠ 관계형 모델의 일부

변칙 (Anomalies)

• 정규화의 이점 = 모순 방지
• 변칙 (Anomalies) : 릴레이션을 잘못 설계해 모순이 발생하는 상태
  • SQL의 이상현상 (삽입, 갱신, 삭제 이상)

변칙의 예

이름 과목 학년

맹준영	DB	2
김민섭	DB	2
맹준영	Spring Boot	1
김민섭	Spring Boot	2

릴레이션은 참의 집합 ⇒ 릴레이션 내 튜플 = 모두 참

”맹준영”은 2학년일 수도 1학년일 수도 있다. 릴레이션의 값이 명확하게 구분되지 않는다.
”모순이 발생한 상태, 즉 변칙이 발생했다.”

 

• 릴레이션 내에서 변칙이 일어난 이유는 DB 설계가 잘못되었기 때문
• DB의 규모가 크고 복잡하거나 요구사항이 추가되어 응용프로그램의 변경이 일어날 수록 DB의 설계 변경이 일어나며 변칙이 발생할 가능성이 존재

“DB의 최초 설계도 중요하지만 실무에서 요구사항 변경으로 인한 컬럼 추가, 제약 조건 변경에 대해서도 변칙이 일어나지 않게 집중적인 고려 필요”

변칙이 발생하는 이유

• 릴레이션에 같은 데이터가 중복되는 경우 변칙이 발생할 가능성이 있다.
• 위의 예에서 2번째 튜플 (”김민섭, DB, 2”)를 1학년으로 변경하고자 한다면 “김민섭”이 있는 모든 행을 변경 필요
• 결국 모순의 원인은 “중복”

🔥 “모순이 생기지 않게 중복을 제거하는 작업 → 정규화를 진행하는 가장 큰 목적”

3.3 정규형

• 정규화의 각 단계를 “정규형 (Normal Form, NF)”이라고 한다.
• 제 1정규형 ~ 제 6 정규형까지 존재하며, 제 3정규형과 제 4정규형 사이에 보이스코드 정규형(BCNF)이 존재
• 각 정규형은 이전 단계까지의 정규형의 조건을 만족한다.
• 일반적으로 DB 설계는 BCNF나 5NF를 목표로 한다.

🔥 제 1 정규형 (1NF)

• 테이블이 릴레이션이어야 한다.
• 1NF의 조건
  • 행이 위에서 아래로 정렬돼 있지 않다.
  • 열이 왼쪽에서 오른쪽으로 정렬돼 있지 않다.
    • SQL은 컬럼과 행에 순서가 존재
    • 순서 의존 쿼리를 사용하지 않는다.
  • 중복하는 행이 존재하지 않는다.
    • 기본키, 유니크 제약 조건으로 해결 가능
    • 실제 저장 값이 중복되지 않도록 하는 것
    • 행 전체는 중복이 없더라도 테이블에 중복이 발생할 수 있다.
  • 열의 값은 도메인에 속하는 요소의 값을 딱 한개만 가진다.
    • 의미가 있는 한 묶음의 데이터를 한 단위로 취급한다. = 도메인의 요소
    • 집합의 요소는 더이상 분해 불가능한 원자값 = 도메인
    • 열의 값은 도메인 중에서 골라낸 요소의 하나
  • 모든 열의 값은 정의된 것이어야 하고 각 행은 항상 존재한다.
    • NULL이 포함되지 않도록 설계 고려

열의 값은 반드시 스칼라여야 하는가?

아니다. 도메인에 포함된 데이터의 종류에는 특별한 제한이 없다.
스칼라인 것 ≠ 원자인 것

• 1NF의 조건을 만족하지 않는 테이블의 예 → 반복그룹
• 반복 그룹 : 하나의 컬럼에 여러 개의 값을 할당하는 것
• ex) 종목에 “농구”, “배드민턴”으로 두 개의 값이 할당 되었다.
  • Key : 이름
  
  

  이름	종목
  손흥민	축구
  맹준영	농구, 배드민턴

• 반복그룹 대신 여러 개의 행으로 데이터를 저장 → 데이터 중복 제거, NULL 배제
  • Key : 이름, 종목
  
  

  이름	종목
  손흥민	축구
  맹준영	농구
  맹준영	배드민턴

• 반복그룹을 여러 개의 행으로 데이터를 저장함으로써 키가 변경된다.

후보키와 슈퍼키

• 후보키 : 릴레이션에 포함된 튜플의 값을 고유하게 하는 속성의 집합 (여러 개 존재 가능)
• 후보키에 포함되지 않는 속성 = 키가 아닌 속성
• 슈퍼키 : 후보키의 슈퍼셋, 후보키에서 추가 속성을 가지는 키
• 후보키는 슈퍼키의 일종, 릴레이션의 제목 (모든 속성)은 슈퍼키이다.

🔥 함수 종속성 (Functional Dependancy, FD)

☁️ 함수 종속성
→ 릴레이션의 속성의 부분집합 = A, B
→ 릴레이션 내 모든 튜플, A의 값이 같다면 B의 값도 같은 경우

⇒ B는 A에 함수 종속이다. = A의 값을 알면 B의 값을 알 수 있다.

[표현식]
{A} → {B}

• A를 통해 B를 알 수 있으므로 A를 통해 B를 식별 가능 = A는 키의 성질을 갖는다.
• 2NF ~ BCNF는 이러한 A는 키의 성질을 구분하는 것

🔥 제 2 정규형 (2NF)

• 후보키의 진부분집합에서 키가 아닌 속성에 함수 종속성을 제거하는 작업
  • 후보키의 임의의 속성이 후보키의 속성 이외의 속성에 함수 종속인 경우 = 부분 함수 종속성
  • 부분 함수 종속성을 제거하는 작업

진부분집합 : 부분집합 중에 원래 자신의 집합을 제외한 것

이름	학년	종목
맹준영	2	배드민턴
맹준영	2	축구
김민섭	4	헬스
김민섭	4	테니스
손흥민	3	축구

• 모든 튜플은 중복이 아니다. (1NF 만족)
• 2NF를 만족하지 않는다.
  • (이름, 종목)이 후보키이다.
  • 후보키의 진부분집합 : 이름 → 키가 아닌 속성 : 학년 ⇒ 부분 함수 종속
• (이름, 학년) 튜플만 놓고 보면 중복이 존재한다. → 자명하지 않은 함수 종속성, 키의 성질을 갖는다.
• 한 개의 릴레이션에 대해 프로젝션을 통해 두 개의 릴레이션을 생성한다. = 무손실 분해

무손실 분해 : 분해한 다음에 릴레이션에 포함된 정보를 사용해 원래의 릴레이션을 재구축이 가능한 것

이름	종목
맹준영	배드민턴
맹준영	축구
김민섭	헬스
김민섭	테니스
손흥민	축구

 

이름	학년
맹준영	2
김민섭	4
손흥민	3

• 프로젝션을 통한 무손실 분해를 진행
• JOIN을 통해 원래의 릴레이션으로 재구축이 가능하다.

🔥 제 3 정규형 (3NF)

• 추이 함수 종속성을 제거하는 작업

 

추이 함수 종속성 : 키가 아닌 속성끼리의 함수 종속성

이름	학과	대표번호
맹준영	DB	123
김민섭	DB	123
백예린	JAVA	999

• 키가 아닌 속성인 (학과)가 키가 아닌 속성 (대표번호)에 함수 종속성이 존재 = 학과 → 대표번호
• 학과와 대표번호를 무손실 분해를 통해 릴레이션으로 만드는 것이 가능

🔥 보이스 코드 정규형 (BCNF)

• 자명하지 않은 함수 종속성 (튜플 전체는 중복 X, 일부 튜플 중복 존재) 제거하는 작업
• BCNF 이상의 정규형에는 무손실 분해가 불가능하다.
• 키가 아닌 속성에서 후보키의 진부분집합에 대한 함수종속성을 제거하는 것

후보키의 진부분집합(A) → 후보키의 진부분집합(B)을 만족하는 함수종속성은 존재하는가?

존재하지 않는다.
A를 통해 B를 결정할 수 있다면 애초에 A가 B없이도 키의 역할을 하므로 후보키라는 가정에 어긋난다.

3.4 요약

• BCNF를 진행하면 자동적으로 5NF 조건을 만족하는 경우가 많다.
• 이상적인 정규형을 만족하기 위해선 함수종속성으로는 한계가 존재
• 결합 종속성의 개념을 통해 4NF ~ 6NF를 만든다.