[데이터베이스] 데이터 정규화
데이터 정규화
- 데이터베이스 설계의 핵심 과정 중 하나
- 중복을 최소화하고 데이터 무결성을 유지하기 위해 데이터를 구조화하는 방법이다.
- 데이터의 복잡성을 줄이고 논리적인 구조를 개선하는 것을 목표로 한다.
- 이 과정을 통해 데이터베이스의 성능을 향상시킬 수 있다.
- 그러나 너무 많은 정규화는 성능 저하를 초래할 수 있으므로, 실제 응용 프로그램의 요구 사항과 트레이드오프를 고려해서 적절한 수준의 정규화를 결정해야 한다.
정규화의 필요성
- 중복 제거: 중복된 데이터는 저장 공간을 낭비하게 하고 데이터 갱신 시 일관성 유지에 문제를 일으킬 수 있다.
- 데이터 무결성 보장: 데이터 간의 일관성과 정확성을 유지한다.
- 갱신 이상 방지: 데이터를 추가, 삭제, 수정할 때 발생할 수 있는 예상치 못한 문제들을 방지한다.
정규화 과정(정규형) 요약
정규화는 여러 단계의 ‘정규형’을 통해 이루어진다. 각 정규형은 이전 단계보다 더 엄격한 조건을 충족해야 하며, 일반적으로 다음과 같은 순서를 따른다.
- 1차 정규형 (1NF): 모든 테이블의 칼럼 값이 원자값(분할 불가능한 값)이어야 한다. 즉, 각 필드에는 반복되는 그룹이나 배열 등이 없어야 한다.
- 2차 정규형 (2NF): 1NF를 만족하며, 모든 비키 속성이 기본 키에 완전 함수적으로 종속되어야 한다. 즉, 부분적 종속을 제거한다.
- 3차 정규형 (3NF): 2NF를 만족하며, 모든 비키 속성이 기본 키에 대해 이행적으로 종속되지 않아야 한다. 이행적 종속성을 제거하여 비키 속성 간의 종속성을 방지한다.
- 보이스/코드 정규형 (BCNF): 3NF를 만족하며, 모든 결정자가 후보 키가 되도록 한다. 이는 3NF보다 더 엄격한 조건으로, 결정자가 후보 키가 아닌 경우를 해결한다.
- 4차 정규형 (4NF): BCNF를 만족하며, 모든 다중값 종속성을 제거한다. 특정 속성이 다른 속성에 대해 두 개 이상의 독립적인 값을 가지는 경우를 해결한다.
- 5차 정규형 (5NF): 모든 조인 종속성이 후보 키를 통해서만 만족되는 구조이다. 분해하여도 원래의 정보를 잃지 않는 최적의 정규형이다.
주요 정규형들
1차 정규형(1NF)
- 테이블의 모든 필드가 원자값(더 이상 나눌 수 없는 값)만을 포함하도록 한다.
각 칼럼에는 반복되는 그룹이나 배열을 사용할 수 없으며, 각 필드는 단일 값만을 가져야 한다.
1NF를 만족하지 않는 예시
Student Name Courses Enrolled John Doe Math, Science Jane Smith History, English, Art - 각 학생의 등록된 과목이 하나의 셀에 쉼표로 구분되어 나열되어 있어 1NF를 만족하지 않는다.
1NF를 만족하는 예시
Student Name Courses Enrolled John Doe Math John Doe Science Jane Smith History Jane Smith English Jane Smith Art 각 과목이 별도의 행으로 분리되어, 모든 셀이 원자값만을 포함하도록 조정되어 1NF를 만족한다.
2차 정규형(2NF)
- 1NF를 만족하며, 모든 비주요 칼럼이 기본 키에 완전 함수적으로 종속되어야 한다.
- 부분적 종속성을 제거하여 각 칼럼이 기본 키에만 종속되도록 한다.
- 기본키가 아닌 모든 속성이 기본키에 완전 함수 종속된 상태이다.
기본 키 이외의 속성에 대한 종속성을 제거하여 데이터 중복을 더 줄인다.
2NF를 만족하지 않는 예시
Student ID Course ID Course Name 1 101 Mathematics 1 102 English 2 101 Mathematics 2 103 History 과정 이름(Course Name)이 과정 ID에 부분적으로 종속되어 있기 때문에 2NF를 만족하지 않는다.
2NF를 만족하는 예시
StudentCourses와 Courses 두 개의 테이블로 분할할 수 있다.
StudentCourses 테이블:
Student ID Course ID 1 101 1 102 2 101 2 103 Courses 테이블:
Course ID Course Name 101 Mathematics 102 English 103 History StudentCourses 테이블은 학생 ID와 과정 ID만 포함하여 기본 키에 완전히 함수적으로 종속된다.
Courses 테이블은 과정 ID와 과정 이름을 포함하여 과정 이름이 과정 ID에 완전히 종속된다.
이렇게 분할함으로써, 각 테이블은 2NF를 만족하게 된다.
3차 정규형(3NF)
- 정의: 2NF를 만족하며, 모든 비주요 칼럼이 기본 키에 대해 이행적으로 종속되지 않아야 한다.
- 비주요 칼럼 간의 종속성을 제거한다.
- 데이터 간의 이행적 종속성을 제거하여 데이터 무결성을 더욱 강화한다.
이행적 종속성(Transitive Dependency)
- 한 속성이 다른 속성에 간접적으로 종속되는 관계를 의미한다.
- 예를 들어, A, B, C 세 속성이 있을 때, A가 B에 종속되고 B가 C에 종속되는 경우, A는 C에 이행적으로 종속된다고 한다.
3NF를 만족하지 않는 예시
Student ID Student Name Department Name Department Head 1 John Doe Computer Science Dr. Smith 2 Jane Smith Mathematics Dr. Johnson 이 테이블에서 Student ID → Department Name → Department Head로 이행적 종속성이 있다.
3NF를 만족하는 예시
위의 테이블을 학생 테이블과 학과 테이블로 나눈다.
학생 테이블(Student Table):
Student ID Student Name Department Name 1 John Doe Computer Science 2 Jane Smith Mathematics 학과 테이블(Department Table):
Department Name Department Head Computer Science Dr. Smith Mathematics Dr. Johnson 3NF 정규화 과정을 통해, 이행적 종속성을 제거하여 두 개의 테이블로 분리한다.이로써 각 테이블은 더 이상 이행적으로 종속된 속성을 포함하지 않으며 3NF의 요구사항을 만족한다.
보이스/코드 정규형(BCNF)
- Raymond F. Boyce와 Edgar F. Codd. Edgar F. Codd가 제안했다.
3NF를 만족(모든 칼럼이 완전 함수적 종속성 만족)하며, 모든 결정자가 후보 키가 되도록 한다.
복합키 (Composite Key)
복합키는 두 개 이상의 칼럼으로 구성된 키로, 이 칼럼들의 조합이 테이블 내의 각 행을 유일하게 식별한다. 복합키의 각 구성 요소는 자체적으로는 행을 유일하게 식별하지 못할 수도 있지만, 조합될 때 유일한 식별자 역할을 한다. 예를 들어, 한 과목을 여러 교수가 가르칠 수 있다면, CourseID와 InstructorID의 조합이 복합키가 될 수 있다.
후보키 (Candidate Key)
후보키는 테이블 내의 각 행을 유일하게 식별할 수 있는 속성(들)의 집합이다. 후보키는 유일성(uniqueness)과 최소성(minimality)을 만족해야 한다. 유일성은 후보키가 테이블의 모든 행을 유일하게 식별할 수 있어야 한다는 것을 의미하며, 최소성은 후보키를 구성하는 속성 중 불필요한 속성 없이 최소한의 속성만으로 구성되어야 한다는 것을 의미한다. 후보키 중에서 선택된 하나는 기본키(Primary Key)로 사용된다.
결정자 (Determinant)
결정자는 한 속성 집합의 값이 다른 속성 집합의 값을 결정할 수 있는 속성 또는 속성 집합을 의미한다. 예를 들어, CourseID가 RoomNumber를 결정한다면, CourseID는 결정자이다.
모든 결정자가 후보 키인 상태
BCNF(보이스/코드 정규형)에서는 테이블의 모든 결정자가 후보 키여야 한다. 즉, 테이블 내에서 어떤 속성의 값이 다른 속성의 값을 결정(함수적 종속)한다면, 그 결정자는 반드시 후보 키의 일부여야 한다. 이는 데이터 중복을 최소화하고, 데이터 무결성을 보장하기 위한 조건이다. BCNF는 테이블이 더 엄격한 정규화 기준을 충족하도록 요구하여, 갱신 이상(update anomalies)을 방지하고 데이터 무결성을 유지하도록 한다.
BCNF를 위반하는 예시
다음 테이블에는 강의 코드(LectureCode), 강사 이름(Instructor), 그리고 강의가 열리는 요일(Day)이 포함되어 있다. 강의 코드와 강사 이름이 함께 복합 키를 형성하고, 강의 코드가 요일을 결정한다.
강의 스케줄 테이블:
LectureCode Instructor Day CSE101 Dr. Smith Monday CSE101 Dr. Jones Wednesday MTH101 Dr. Lee Tuesday 이 테이블은 BCNF를 만족하지 않는다. 문제는 LectureCode가 Day를 결정한다는 것인데, LectureCode는 복합 키의 일부이지만 Day를 결정하는 결정자가 된다. 그렇지만 LectureCode는 후보 키가 아니고, BCNF에서는 모든 결정자가 후보 키의 일부이어야 하므로, 이 테이블은 BCNF 조건을 위반한다.
BCNF를 만족시키는 정규화 예시
테이블을 두 개로 분리할 수 있다.
강의 정보 테이블:
LectureCode Day CSE101 Monday CSE101 Wednesday MTH101 Tuesday 강의 강사 테이블:
LectureCode Instructor CSE101 Dr. Smith CSE101 Dr. Jones MTH101 Dr. Lee 이렇게 분리하면, 강의 정보 테이블은 LectureCode에 의해 Day가 결정되고 모든 결정자(LectureCode)가 후보 키이다. 강의 강사 테이블은 LectureCode와 Instructor의 복합 키를 유지하고, 각각의 테이블이 BCNF를 만족하게 된다.
4차 정규형(4NF)
BCNF를 만족하고, 다중값 종속성(MVD)이 없어야 한다.
- 다중값 종속성(MVD) 다중값 종속성은 한 속성(A)이 다른 속성(B)에 대해 여러 값을 결정할 수 있을 때 발생한다. 이는 A가 B를 결정할 때, B의 값이 A의 값에만 의존하며, 테이블의 다른 속성과는 독립적인 여러 값을 가질 수 있다는 것이다.
4NF를 만족하지 않는 예시
학생 취미 및 언어 테이블:
| StudentID | Course | PreferredBooks |
|---|---|---|
| 1 | Math | “Algebra”, “Calculus” |
| 1 | Physics | “Classical Mechanics”, “Quantum Physics” |
| 2 | Math | “Algebra”, “Calculus” |
학생들은 여러 취미와 여러 언어를 가질 수 있는데, 이 테이블은 StudentID와 Course에 대한 다중값 종속성이 PreferredBooks에 존재(한 학생이 같은 과목에 대해 여러 교재를 선호할 수 있음)하여 4NF를 위반한다.
4NF를 만족하는 테이블 구조로 분리
학생-과목 테이블
StudentID Course 1 Math 1 Physics 2 Math 과목-선호 교재 테이블
Course PreferredBook Math Algebra Math Calculus Physics Classical Mechanics Physics Quantum Physics 분리한 두 테이블은 각각 학생-과목 관계와 과목별 선호 교재를 명확하게 나타낸다. 이렇게 테이블을 분리하면 데이터의 중복을 줄이고 각 관계를 더 명확하게 표현함으로써 4NF를 만족한다.
5차 정규형(5NF)
- 5차 정규형(5NF) 또는 프로젝션-조인 정규형(Project-Join Normal Form, PJNF)은 관계형 데이터베이스의 정규화 과정에서 가장 높은 수준의 정규형 중 하나이다.
- 테이블이 5NF를 만족한다는 것은 4NF를 만족하며, 모든 조인 종속성이 후보 키를 통해서만 만족되도록 한다. 즉, 어떤 테이블도 분해하여 재조합할 때 정보 손실이 없어야 한다.
복잡한 조인 관계에서도 데이터의 일관성과 무결성을 유지한다.
5NF를 만족하지 않는 예시
학생이 여러 과목을 수강하며, 각 과목은 여러 교실에서 강의될 수 있고, 각 학생은 특정 과목에 대해 특정 교실을 선호할 수 있다.
Student Course Classroom Alice Math A101 Bob Math A102 Alice Science B201 Bob Science B202 이 테이블 구조에서는 학생과 과목 사이, 과목과 교실 사이, 그리고 학생과 교실 사이의 관계가 명확하게 표현되지 않아, 데이터를 분해하고 다시 조인할 때 원하지 않는 조합이 발생할 수 있다.
5NF를 만족하는 테이블로 분해
학생-과목 테이블:
Student Course Alice Math Bob Math Alice Science Bob Science 과목-교실 테이블:
Course Classroom Math A101 Math A102 Science B201 Science B202 학생-선호 교실 테이블:
Student Classroom Alice A101 Bob A102 Alice B201 Bob B202 이렇게 분해하면 각 테이블은 더 명확하고 단순한 관계를 나타내며, 모든 조인 종속성이 후보 키를 통해서만 만족된다. 따라서 이 구조는 5NF를 만족하는데, 데이터를 분해하고 다시 조인해도 원래의 정보를 잃지 않으며, 불필요한 데이터 중복이나 무결성 문제를 방지할 수 있다!