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Normalisation de base de données

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La normalisation de base de données offre un lot de principes faciles à appliquer. Ils aideront le développeur à structurer sa base de données et améliorer les performances MySql.

Normaliser une base de données revient à organiser les données de manière plus efficace, logique, grâce à des règles normales, des principes normaux (qui donnent une norme). Pour plus d’efficacité, le processus de normalisation résultera en la construction de tables et de relations entre ces tables. La normalisation de base de données offre :

  • une structure optimisée qui ne gâche pas l’espace disque (la même donnée ne devrait pas être trouvée dans plus d’une table pour des raisons évidentes : la mise à jour de plusieurs tables pour la même donnée est absurde)
  • des dépendances logiques (implique l’enregistrement des données pertinentes à l’intérieur de ou en relation à la bonne table)

Les Formes Normales

Je me concentrerai ici sur les 3 premières règles, que les spécialistes appellent formes normales. Ces règles devraient ajouter suffisamment d’efficacité à votre base de données. Gardez en mémoire qu’il est parfois préférable de ne pas appliquer une règle (et donc d’interrompre la normalisation) pour des raisons pratiques. En effet, la normalisation consiste en l’ajout de tables de relation (qui créent un lien entre d’autres tables), par exemple, qui nécessiteront un changement par le développeur de ses requêtes MySql.

Les formes normales doivent être appliquées dans l’ordre : une normalisation avancée ne peut se produire que dans le cas où les règles précédentes de normalisation ont déjà été appliquées.

Pour une meilleure compréhension, je prends l’exemple d’une base de données discographique qui enregistre les albums d’artistes célèbres.

Créer la base de données à froid sans expérience de normalisation résulterait en la création d’une seule table :

records_table :

record_ID : 1 (defini comme Primary_KEY)

artist : Fleetwood Mac est un groupe américano-britannique formé en 1967…

record_title : The pious bird of good omen

record_style : Blues, Rock, Pop

record_label : blue horizon

record_release : 1969

Avec cette table simpliste, vous comprendrez aisément que :

  • une requête SELECT ne peut obtenir de l’information à propos d’un artiste sans connaître un record_ID
  • une requête UPDATE qui veut modifier la biographie d’un artiste devra le faire dans chaque ligne de la table associée à l’artiste en question
  • une requête DELETE effacera l’information concernant l’album ainsi que l’information concernant l’artiste

Ces limitations produiront des anomalies comme la corruption de données, des problèmes de ressource MySql (à cause des sous-requêtes LIKE),… Il est donc temps de normaliser cette base et nous le ferons grâce à la théorie relationnelle.

La Théorie relationnelle

1NF => La première Forme Normale : la forme atomique

Chaque champ de table devrait avoir une valeur atomique, c’est-à-dire une seule valeur dans la colonne de votre table. Dans l’exemple ci-dessus, les champs ‘record_artist’ et ‘record_style’ contiennent plus qu’une seule valeur. L’application de la 1NF résultera en la création de 2 tables supplémentaires :

records_table :

record_ID : 1 (defini comme Primary_KEY)

record_title : The pious bird of good omen

record_release : 1969

and

artists_table :

artist_ID : 1 (defini as Primary Key)

artist_name : Fleetwood Mac

artist_bio : Fleetwood Mac est un groupe américano-britannique formé en 1967

et

styles_table (avec 3 entrées) :

style_ID : 1 (defini comme Primary Key)

style_name : blues

style_ID : 2

style_name : pop

style_ID : 3

style_name : rock

Il est maintenant facile d’ajoute run artiste sans devoir ajouter un album pour cet artiste, vous pouvez effacer un album sans pour autant effacer l’information concernant l’artiste,…

Les données sont maintenant séparées dans des tables différentes. Il faut maintenant créer les liens, relations entre ces tables. Les relations de base de données peuvent être du type suivant :

1 à 1 : un élément de la table A correspond à un élément de la table B et cet élément de la table B correspond à un seul élément de la table A

1 à N : un enregistrement de la records_table n’est associé qu’à un seul label mais ce label peut être associé à un nombre illimité d’enregistrements de la table records_table. Dans ce cas, nous ajouterons une clef étrangère à la table records table contenant le label_ID

N à N : un enregistrement de la records_table peut être associé à plus d’un artiste et un artiste de la artists_table peut être associé à plus d’un enregistrement de la records_table. Dans ce cas, nous créerons une table supplémentaire appelée records_artists_table, une table de relation qui liera la records_table avec la artists_table

Ajoutons une clef étrangère à la records_table pour la gestion des label_ID:

records_table : relation 1 à N

record_ID : 1 (defini comme Primary_KEY)

record_title : The pious bird of good omen

record_release : 1969

label_ID : 1

avec la table des labels associée :

labels_table :

label_ID : 1 (défini comme PRIMARY KEY)

label_name : Blue horizon

et créons la nouvelle table :

records_artists_table : relation N à N

record_ID : 1 (clef primaire définie sur les 2 champs)

artist_ID : 1 (clef primaire définie sur les 2 champs)

Nous pourrions définir le même genre de relation entre la table records_table et les styles de musique :

records_styles_table : relation N à N

record_ID : 1 (clef primaire définie sur les 2 champs)

style_ID : 1 (clef primaire définie sur les 2 champs)

2NF => la seconde Forme Normale : les relations aux clefs

Cette Forme Normale s’assure que les colonnes qui ne sont pas définies comme clef dépendent strictement de la clef primaire. Ainsi, dans le cas d’une clef composite (une ligne de la table est identifiée grâce au record_ID et au author_ID), toutes les colonnes non définies comme clef doivent dépendre des 2 champs, etpas seulement à l’une d’entre elles. Imaginez la structure suivante :

records_reviews table :

record_ID : 1 (defined as primary key with the following field)

author_ID : 1 (defined as primary key with the previous field)

review : This compilation album is one of my favourites…

author_website : http://www.domain.com

Dans l’exemple ci-dessus, le champ ‘author_website’ ne dépend pas strictement de la clef composite record_ID-author_ID. Il dépend uniquement de l’author_ID. Appliquer la seconde forme normale revient à déplacer le champ author_website field vers la table authors_table.

3NF => la troisième Forme Normale

Avec la troisième forme normale, chaque champ doit dépendre de la clef primaire. Ainsi, un champ qui dépend d’une autre colonne que la clef primaire viole la 3è Forme Normale. Les adresses dans une table en sont un bon exemple. Imaginez la structure suivante :
labels_table :
label_ID : 1 (primary key)
label_name : Blue Horizon
label_zip : 1770
label_city : Sherborn
label_state : MA
Dans cette table, les champs label_city et label_state dépendent strictement du champ label_zip, et pas de la clef primaire label_ID. Pour rendre cette table conforme à la 3NF, créez la zip_table :
zip_table :
zip_ID : 1770 (primary key)
zip_city : Sherborn
zip_state : MA
Puis la table des labels ressemblera à :
labels_table :
label_ID : 1 (primary key)
label_name : Blue Horizon
zip_ID : 1770
Vous pourriez encore considérer que le champ zip_state nécessite la création d’une table spécifique :
states_table :
state_ID : 1 (primary key)
state_name : MA
La normalisation telle qu’exposée plus haut vous permet de créer des structures de base de données propres mais implique aussi plus de complexité dans votre application. En effet, vous devrez changer vos requêtes à la base de données. Votre application reposera sur plus de table, vous aurez donc à joindre les tables dans vos requêtes, ce qui résultera en une perte de performance dans vos applications.
Je conseillerai aux développeurs un passage obligé par la normalisation en début de projet,et d’arrêter la normalisation de leurs tables juste avant que la structure de ces tables devienne trop compliquée. Dans notre exemple, extraire une ligne de la table labels résulte en la création de la requête suivante :
SELECT * FROM labels as A INNER JOIN zip as B ON B.zip_ID=A.zip_ID INNER JOIN states as C ON C.state_ID=B.state_ID WHERE A.label_ID=’1′ LIMIT 1;

Webliographie :

Tutoriel sur la normalisation par Olivier Dahan

Normalisation Mysql (English)

Database normalization

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Database normalization provides a set of easy-to-apply principles that can help the developer structuring its database and improve MySql performance.

Normalizing a database is to organize its data more efficiently thanks to normal rules or principles. For more efficiency, building tables and the relations between the tables will be the result of the normalization process. DB normalization ensures :

  • an optimized structure that does not waste disk space (the same data should not be found in more than one table for obvious reasons : updating several tables for the same data is absurd)
  • logical dependencies (implies storing relevant data inside or related to the right table)

Normal forms

I’ll stick here to the 3 first rules, guidelines that db-literates call Normal Forms. These rules should add enough efficiency to your database. Keep in mind you may sometimes prefer not to apply a rule for practical reasons. Indeed, normalization consists in adding relation tables, for example, that will require the developer to change his MySql queries.

Normal forms must be applied in the right order : further normalisation can only take place if the previous normalisation rule has already been applied.

For more convenience, I’ll take the example of a discography database that will store albums of famous artists.

Creating the database on the fly with no normalization experience could result in the creation of one single table :

records_table :

record_ID : 1 (defined as Primary_KEY)

artist : Fleetwood Mac is a British-American band that formed in 1967…

record_title : The pious bird of good omen

record_style : Blues, Rock, Pop

record_label : blue horizon

record_release : 1969

With this very simple table, one can easily understand that :

  • a SELECT query cannot get information about the artist without a record_ID
  • an UPDATE query that wants to modify the artist biography will have to do so in every row that is associated with that artist
  • a DELETE query will delete the record information as well as the artist information

These limitations may produce anomalies such as data corruption, MySql resource problems (with LIKE subqueries),… So, it’s time to normalize that database and we will do it thanks to the relational theory.

Relational theory

1NF => 1st Normal Form : the atomic form

Each table field should have an atomic value, i.e. only one single value in a column of your table. In the above example, the fields ‘artist’ and ‘record_style’ contain more than one value. This is why applying 1NF will result in the creation of 2 extra tables :

records_table :

record_ID : 1 (defined as Primary_KEY)

record_title : The pious bird of good omen

record_release : 1969

and

artists_table :

artist_ID : 1 (defined as Primary Key)

artist_name : Fleetwood Mac

artist_bio : Fleetwood Mac is a British-American band that formed in 1967…

and

styles_table (with 3 rows) :

style_ID : 1 (defined as Primary Key)

style_name : blues

style_ID : 2

style_name : pop

style_ID : 3

style_name : rock

and

labels_table :

label_ID : 1 (defined as Primary Key)

label_name : Blue Horizon

You’ll easily understand it is now easy to add an artist without adding a record from that artist, you can delete a record without deleting artist information,…

Data is now separated in different tables. We still have to create relations between these tables. Database relations can be of the following types:

1 to 1 : one element of table A corresponds to one element of table B and that element from table B corresponds to only one element of table A

1 to N : a record from the records_table can have only one label but that label may have more than one records. In that case, we add a foreign key to the records table containing the ID of the label

N to N : a record from the records_table can have more than one artist and an artist from the artists_table can have more than one record. In that case, we implement a third table called records_artists_table, a relational table that will link the records_table with the artists_table

So, let’s add a foreign key to the records_table :

records_table : 1 to N relationship

record_ID : 1 (defined as Primary_KEY)

record_title : The pious bird of good omen

record_release : 1969

label_ID : 1

and create the 2 new tables :

records_artists_table : N to N relationship

record_ID : 1

artist_ID : 1

We could also create the same kind of relationship between the records and the styles of music :

records_styles_table : N to N relationship

record_ID : 1

style_ID : 1

2NF => 2nd Normal Form : the relationships to keys

This Normal Form ensures non-key columns strictly depend on the primary key. So, in case of a composite primary key (a row in the table is identified thanks to the record_ID and the author_ID), all non-key columns must depend on the 2 fields, and not one of them only. Imagine the following table structure :

records_reviews table :

record_ID : 1 (defined as primary key with the following field)

author_ID : 1 (defined as primary key with the previous field)

review : This compilation album is one of my favourites…

author_website : http://www.domain.com

In the above example, the field author_website doesn’t strictly depend on the composite key record_ID-author_ID. It only depends on the author_ID. Applying the second normal form will result in moving the author_website field to the author table.

3NF => 3rd Normal Form

With the third normal form, every field must depend on the primary key. In other words, a field that depends on another column than a primary key violates the 3NF. Addresses in a table are a good example of 3NF violation. Imagine the following table structure :
labels_table :
label_ID : 1 (primary key)
label_name : Blue Horizon
label_zip : 1770
label_city : Sherborn
label_state : MA
In this table, the fields label_city and label_state strictly depend on the label_zip field, and not to the label_ID primary key. In order to make this table 3NF compliant, we have to create a zip table :
zip table :
zip_ID : 1770
zip_city : Sherborn
zip_state : MA
Then, the labels table will look like the following :
labels_table :
label_ID : 1 (primary key)
label_name : Blue Horizon
zip_ID : 1770
For some reasons, the zip_state field may also require a specific states table :
states_table :
state_ID : 1 (primary key)
state_name : MA
Normalization as stated above allows you to build a clean database structure but also implies more complexity in your application. Indeed, you’ll have to change your database queries. Your application will deal with more tables, so you’ll have to join tables in your queries, which can result in less performance for your applications.
I would advise developers to be aware of normalization, and to stop normalizing their tables just before the tables structure becomes too complicated. In our example, retrieving one row from the labels table results in creating the following query :
SELECT * FROM labels as A INNER JOIN zip as B ON B.zip_ID=A.zip_ID INNER JOIN states as C ON C.state_ID=B.state_ID WHERE A.label_ID=’1′ LIMIT 1;
Webliography :

MySql Introduction to db normalization

W.J. Gilmore’s introduction to database normalization

W. Kent’s simple guide to 5 normal forms