[데이터베이스] 정규화(Normalization)

정규화(Normalization)

지난 포스트에서 데이터베이스에서 발생하는 이상 현상, 그리고 함수적 종속에 대해 정리했습니다. 오늘은 데이터베이스의 이상 현상을 해결하는 표준인 정규화(Normalization)를 정리해봅시다.

 

정규화는 데이터베이스의 테이블들이 서로 이상 현상을 만들지 않도록 하기 위해 테이블을 분리하는 것을 말합니다. 1NF 부터 6NF, 그리고 BCNF 가 있지만 이 포스트에서는 1NF ~ 3NF 그리고 BCNF에 대해 정리하도록 하겠습니다.

1NF(First Normal Form)

💡 테이블의 모든 속성이 atomic value이어야 한다.

제 1 정규형의 규칙은 단순합니다. 여기서 atomic value는 더 이상 쪼개질 수 없는 값을 의미합니다. 따라서 정말 단순하게 각 속성이 하나의 값만을 가지고 있어야 한다는 것입니다.

 

student_id	student_name	department	course_id
1	여훈	전전	1, 2, 3
2	윤이	상사	3

위와 같은 테이블이 있다고 해봅시다. 1NF 를 만족하려면 모든 속성이 원자값을 가져야하는데, 첫번째 레코드의 course_id를 보면 3개의 값이 합성되어 들어가있습니다. 따라서 1NF를 만족시키기 위해 이 튜플을 atomic하게 쪼개주어야 합니다.

 

student_id	student_name	department	course_id
1	여훈	전전	1
1	여훈	전전	2
1	여훈	전전	3
2	윤이	상사	3

중복된 정보가 많이 들어가 있어 별로 좋은 테이블로 보이지는 않지만 1NF에 만족되는 테이블이 완성되었습니다.

2NF (Second Normal Form)

💡1NF 를 만족해야 한다.
💡테이블의 모든 속성이 기본키에 대해 완전 함수적 종속을 만족해야 한다. 즉, 부분 함수적 종속이 존재하면 안된다.

Normalization은 차수가 올라갈수록 이전 차수의 규칙을 포함하게 됩니다. 제 2 정규형은 제 1 정규형을 만족하면서 동시에 규칙이 하나 더 추가됩니다. 모든 속성이 함수적 종속성을 만족해야한다는규칙입니다. 이 정규형을 만족시키기 위해서는 테이블 내에 모든 함수적 종속성 관계를 먼저 파악하는게 좋습니다.

 

student_id	course_name	class_room	grade
1	데이터베이스	203	3.0
2	데이터베이스	203	3.5
3	알고리즘	411	2.5
4	심리학개론	102	4.5

위 테이블에서 함수적 종속성을 모두 나열해봅시다.

• {student_id, course_name} -> class_room
• {student_id, course_name} -> grade
• {course_name} -> class_room

1번과 3번을 보면 알 수 있듯이, {student_id, course_name} 을 모두 알지 못해도, course_name만 알고있다면, class_room을 특정할 수 있습니다. class_room에는 부분적 함수적 종속이 발생합니다.

 

모든 속성들이 완전 함수적 종속을 하도록 만들기 위해서는 부분적 함수적 종속이 발생하는 속성을 새로운 테이블로 분리해주는 것으로 해결할 수 있습니다.

student_id	course_name	grade
1	데이터베이스	3.0
2	데이터베이스	3.5
3	알고리즘	2.5
4	심리학개론	4.5

 

course_name	class_room
데이터베이스	203
데이터베이스	203
알고리즘	411
심리학개론	102

이렇게 두 테이블로 나누어 주면 각각의 테이블이 함수적 종속성을 완전히 만족하는 것을 확인할 수 있고 2NF를 만족하는 테이블이 완성됩니다.

3NF (Third Normal Form)

💡2NF 를 만족해야한다.
💡기본키가 아닌 속성이 기본키에 이행적 함수적 종속을 가지면 안된다.

이행적 함수적 종속(Transitive Functional Dependency)은 아래와 같이 수학적으로 표기할 수 있습니다.

 

if X -> Y, Y -> Z then X -> Z

​

student_id	course_name	class_room	grade
1	데이터베이스	203	3.0
2	데이터베이스	203	3.5
3	알고리즘	411	2.5
4	심리학개론	102	4.5

위 테이블에서 student_id 는 기본키로 테이블의 튜플을 특정할 수 있게 합니다.

 

여기서 이행적 함수 종속이 발생하는지 확인해봅시다.

• student_id(X) -> course_name(Y)
• course_name(Y) -> class_room(Z)
• student_id(X) -> class_room(Z)

위 테이블에서 종속관계를 보면, student_id 를 통해 course_name 을 특정할 수 있고, course_name 을 통해 class_room 을 특정 할 수 있기 때문에, student_id 가 class_room 을 특정하게 됩니다. 즉 이행적 함수적 종속인 X->Y, Y->Z, then X->Z 가 성립합니다. 데이터베이스의 테이블에서는 기본키가 아닌 다른 키를 통해 특정한 속성을 식별할 수 있으면 안됩니다. 위 예시에서는 기본키가 아닌 course_name이 class_room을 특정하기 때문에 이행적 함수적 종속이 발생합니다.

 

이런 관계를 분리해줄 때는, X, Y 를 따로 한 테이블, Y, Z 를 따로 한 테이블로 만들어주는 것으로 해결할 수 있습니다.

student_id	course_name
1	데이터베이스
2	데이터베이스
3	알고리즘

 

course_name	class_room
데이터베이스	203
데이터베이스	203
알고리즘	411
심리학개론	102

이제 이행적 함수종속이 발생하지 않는 테이블 두 개가 만들어졌고 3NF를 만족하는 테이블이 되었습니다.

BCNF (Boyce Codd Normal Form)

💡3NF를 만족한다
💡X->Y 일 때, 모든 X는 항상 Candidate Key 이거나 Y 에 속해야한다.

BCNF 는 제 3 정규형을 조금 더 강화한 형태입니다.

 

student_id	course_name	professor
1	데이터베이스	여훈
2	모바일앱개발	윤이
3	알고리즘	지은
4	모바일앱개발	윤이

위 같은 테이블이 있다고 하고, 먼저 각 정규화 모델은 만족하는지 확인해봅시다.

• 1NF: 모든 속성들은 atomic한 값을 가지고 있다.
• 2NF: 기본키에 대해 부분적 함수적 종속이 존재하지 않는다.
  • {student_id} -> {course_name, professor}
  • {professor} -> course_name
  • {course_name} -> professor
• 3NF: 기본키를 제외한 모든 속성는 이행적 함수적 종속 가 존재하지 않는다.
  • course_name -> student_id ❌
  • course_name -> professor -> student_id ❌
  • professor -> course_name -> student_id ❌
  • professor -> student_id ❌

여기까지만 보면 위 테이블은 정규화를 모두 만족하는 것 처럼 보입니다. 하지만 여전히 이상 현상이 존재합니다.

• 만약 새로운 강사에 의해 새로운 수업이 열린다면, 위 테이블에서 매칭시킬 student_id가 없기 때문에 삽입 이상이 발생한다.
• student_id = 2 를 지우게 되면, 모바일 앱 개발이라는 수업과 윤이라는 교수이름이 데이터베이스에서 사라지게 된다. 따라서 삭제 이상이 발생한다.
• 모바일앱개발 수업의 교수가 바뀌게 될 경우에는 위 테이블에서는 두 명이지만, 모든 수강생에 대해서 정보를 바꿔줘야하는 갱신 이상 또한 존재합니다.

따라서, BCNF 를 통해 정규화 작업을 거쳐야 할 필요가 있습니다. 테이블을 잘 살펴보면, 기본키가 아닌 professor 가 course_name에 대해서 결정자가 되는 것을 알 수 있습니다. 하지만 professor 만으로는 테이블 전체에서 튜플을 특정할 수 없기 때문에, 후보키가 될 수 없고 기본키에 속하지도 않습니다. 따라서 BCNF를 위반한 테이블이 됩니다.

 

짧게 정리하면, 후보키이거나 기본키에 속하는 속성이 아니면서 다른 속성들을 특정하는 속성이 있으면 안됩니다.

 

BCNF 준수 여부를 확인하기 위해서는 다음과 같이 확인할 수 있습니다.

• 먼저 기본키거나 후보키가 아닌 결정자의 함수 종속관계를 찾습니다.
  • professor(X) -> course_name(Y)
  • course_name(X) -> professor(Y)
• 이제 두 개의 테이블로 분리합니다. 기준은:
  • XY 로 구성된 테이블
  • X와 사용하지 않은 나머지 속성들로 구성된 테이블.

위 규칙에 따라 테이블을 나누면,

• professor -> course_name

professor	course_name
여훈	데이터베이스
윤이	모바일앱개발
지은	알고리즘

• student_id -> professor

student_id	professor
1	여훈
2	윤이
3	여훈
4	지은

이렇게 나누게 되면 BCNF까지 모두 만족하는 두 개의 테이블로 나누어집니다. 이제 BCNF를 만족하게 됩니다.