정규화

정규화란?

정규화(Normalization)는 관계형 데이터베이스에서 데이터를 구조화하여 데이터 중복을 최소화하고 무결성을 보장하기 위한 과정이다.

 

주요 목적은 다음과 같다.

• 데이터 중복 제거
• 저장 공간 효율적 사용
• 데이터 일관성 유지
• 데이터 갱신 시 이상 현상 방지

 

하지만 정규화 진행 시 다음과 같은 단점이 발생할 수 있다.

• 복잡한 쿼리 : 여러 테이블로 분할되어 쿼리가 복잡해질 수 있다.
• 성능 저하 : 높은 정규화로 인해 일부 쿼리의 성능이 저하될 수 있다.
  (JOIN 연산같은 경우 성능 저하 요인이 됨.)

 

 

정규화는 1NF, 2NF, 3NF, BCNF, 4NF, 5NF가 있다. 순서대로 살펴보자.

원부이결다조

 

 

 

제 1 정규형 (1NF)

• 모든 열이 원자값(Atomic Value)을 가져야한다.
• 각 컬럼은 유일한 이름을 가져야하며, 컬럼의 순서는 상관 없어야 한다.
• 테이블의 각 셀에 단일 값만 존재해야 하며, 반복되는 그룹이 없어야 한다.

 

예시)

다음과 같이 비정규화된 테이블이 있다고 하자.

| OrderID | Customer | Items            |
|---------|----------|------------------|
| 1       | John     | Apple, Banana    |
| 2       | Jane     | Orange, Grape    |

위의 테이블은 Items의 값이 원자값이 아니다. 이 테이블을 1NF로 변환시켜보자.

| OrderID | Customer | Item   |
|---------|----------|--------|
| 1       | John     | Apple  |
| 1       | John     | Banana |
| 2       | Jane     | Orange |
| 2       | Jane     | Grape  |

1NF로 변환 된 테이블은 모든 열이 원자값만 가지고 있음을 확인할 수 있다.

 

 

 

제 2 정규형 (2NF)

• 1NF를 만족해야 한다.
• 기본 키의 부분 집합에 종속된 모든 속성을 제거해야한다.
• 즉, 모든 컬럼이 완전 함수적 종속을 만족해야한다.

 

예시)

아래와 같은 1NF 테이블이 있다고 가정하자

| OrderID | ProductID | ProductName |
|---------|-----------|-------------|
| 1       | 1         | Apple       |
| 1       | 2         | Banana      |
| 2       | 3         | Orange      |
| 2       | 4         | Grape       |

이 테이블에서 기본키는 OrderID와 ProductID의 복합키이다. 이 기본키는 ProductName을 결정하고 있다.

(OrderID, ProductID) → (ProductName)

하지만 ProductID 단일 컬럼으로도 ProductName을 결정할 수 있다. 즉, 기본키의 부분집합에 종속된 속성이 있다는 것이다.

(ProductID) → (ProductName)

이를 분해하여 별도의 테이블로 관리하도록 2NF 변환시키면 아래와 같다.

 

Orders Table
| OrderID | ProductID |
|---------|-----------|
| 1       | 1         |
| 1       | 2         |
| 2       | 3         |
| 2       | 4         |

Products Table
| ProductID | ProductName |
|-----------|-------------|
| 1         | Apple       |
| 2         | Banana      |
| 3         | Orange      |
| 4         | Grape       |

 

모든 테이블의 기본키가 완전함수종속을 만족하고 있음을 확인할 수 있다.

 

 

 

제 3 정규형 (3NF)

• 2NF를 만족해야 한다.
• 이행적 종속을 제거한다.
  ㄴ 이행적 종속이란 A→B, B→C일 때 A→C가 성립되는 것
• 기본키를 제외한 속성들 간의 이행 종속성이 없어야 한다.

 

예시)

아래와 같은 2NF 테이블이 있다고 가정하자.

| OrderID | ProductID | ProductName | SupplierID | SupplierName |
|---------|-----------|-------------|------------|--------------|
| 1       | 1         | Apple       | 1          | Supplier A   |
| 1       | 2         | Banana      | 2          | Supplier B   |
| 2       | 3         | Orange      | 1          | Supplier A   |
| 2       | 4         | Grape       | 2          | Supplier B   |

ProductID → SupplierID

SupplierID → SupplierName

ProductID → SupplierName

A→B, B→C일 때 A→C가 성립된다.

즉, 이행적 종속이 있으므로 이를 제거하여 3NF로 변환시켜보자.

Orders Table
| OrderID | ProductID | SupplierID |
|---------|-----------|------------|
| 1       | 1         | 1          |
| 1       | 2         | 2          |
| 2       | 3         | 1          |
| 2       | 4         | 2          |

Products Table
| ProductID | ProductName |
|-----------|-------------|
| 1         | Apple       |
| 2         | Banana      |
| 3         | Orange      |
| 4         | Grape       |

Suppliers Table
| SupplierID | SupplierName |
|------------|--------------|
| 1          | Supplier A   |
| 2          | Supplier B   |

각 테이블은 기본키를 제외한 모든 이행적 종속이 존재하지 않음을 확인할 수 있다.

 

 

 

보이스-코드 정규형 (BCNF)

• 3NF의 특수한 형태이다. 
• 3NF를 만족하면서, 모든 결정자가 후보키여야 한다.
  즉, 함수적 종속성을 가진 모든 속성에 대해 결정자가 후보키가 되어야 한다.

예시)

아래는 3NF는 만족하지만 BCNF는 만족하지 않는 테이블이다.

| StudentID | Course     | Instructor |
|-----------|------------|------------|
| 1         | Math       | Prof. Kim  |
| 2         | Science    | Prof. Lee  |
| 3         | Math       | Prof. Park |
| 4         | Science    | Prof. Lee  |
| 5         | Math       | Prof. Kim  |

함수 종속성을 살표보면

StudentID -> Cource, Instructor

Course -> Instructor

즉 Course는 Instructor를 결정하지만, Course가 후보키인 것은 아니다.

때문에 테이블을 분할하여 BCNF 변환을 할 수 있다.

Courses Table
| Course  | Instructor |
|---------|------------|
| Math    | Prof. Kim  |
| Science | Prof. Lee  |


Students Table
| StudentID | Course  |
|-----------|---------|
| 1         | Math    |
| 2         | Science |
| 3         | Math    |
| 4         | Science |
| 5         | Math    |

 

각각의 테이블을 보면 모든 결정자가 후보키가 되어 BCNF를 만족함을 볼 수 있다.

 

 

 

 

제 4 정규형 (4NF)

• BCNF를 만족해야 한다.
• 다치 종속을 제거해야 한다.
  ㄴ 다치종속이란 하나의 속성이 다른 속성 집합에 종속되지만, 그 속성 집합이 서로 독립적인 경우를 말한다.

 

예시)

| StudentID | Course   | Hobby     |
|-----------|----------|-----------|
| 1         | Math     | Soccer    |
| 1         | Math     | Music     |
| 1         | Science  | Soccer    |
| 1         | Science  | Music     |
| 2         | Math     | Reading   |
| 2         | English  | Reading   |

위의 테이블은 다치 종속이 있는 테이블이다.

StudentID별로 여러 Course와 Hobby를 가질 수 있으나 이 둘은 서로 독립적이다.

다치 종속을 제거하는 4NF변환을 하면 아래와 같다.

Students_Courses Table
| StudentID | Course   |
|-----------|----------|
| 1         | Math     |
| 1         | Science  |
| 2         | Math     |
| 2         | English  |

Students_Hobbies Table
| StudentID | Hobby     |
|-----------|-----------|
| 1         | Soccer    |
| 1         | Music     |
| 2         | Reading   |

두개의 독립적인 테이블로 분리하여 다치종속을 제거하였다.

 

 

 

제 5 정규형 (5NF)

• 4NF를 만족해야 한다.
• 조인 종속을 제거해야 한다.
  ㄴ 조인 종속이란 테이블을 분해했을 때 원래의 테이블로 복원할 수 있어야 하는 조건을 의미한다.
  즉, 모든 조인 종속이 후보키에 의해 결정되도록 해야한다.

 

예시)

아래의 테이블은 조인 종속이 있는 테이블 예시이다.

| ProjectID | EmployeeID | Skill     |
|-----------|------------|-----------|
| 1         | 1          | Analysis  |
| 1         | 2          | Design    |
| 2         | 1          | Coding    |
| 2         | 3          | Testing   |

 

ProjectID 당 여러 EmployeeID가 있을 수 있고, EmployeeID 당 여러 Skill을 가질 수 있다.

이를 5NF변환하면 아래 테이블과 같다.

Projects_Employees Table
| ProjectID | EmployeeID |
|-----------|------------|
| 1         | 1          |
| 1         | 2          |
| 2         | 1          |
| 2         | 3          |

Employees_Skills Table
| EmployeeID | Skill     |
|------------|-----------|
| 1          | Analysis  |
| 1          | Coding    |
| 2          | Design    |
| 3          | Testing   |

두개의 독립적인 테이블로 분리하여 조인 종속을 제거할 수 있다.