規則を破る時：データベース正規化の実際

三つの正規形は、データベースモデリングにおける最も基本的な設計原則です。では、三つの正規形とは一体何でしょうか？そして、実際の開発では、それらを厳守しなければならないのでしょうか？この記事では、このトピックについて深く掘り下げて議論しましょう。

三つの正規形

1. 第一正規形 (1NF: 各カラムにおける原子性の確保)

第一正規形では、すべてのテーブルの各フィールド（カラム）がアトミックであること、つまり、各フィールドの値がそれ以上分割できないことが求められます。言い換えれば、各フィールドには単一の値のみを格納でき、セット、配列、または繰り返しグループを含めることはできません。

例えば、次の学生テーブルを考えてみましょう。

このテーブルでは、「電話番号」フィールドに複数の番号が含まれており、1NFのアトミック性の要件に違反しています。1NFに準拠するには、電話番号を個別のレコードに分割するか、新しいテーブルに移動する必要があります。

1NFに準拠した後の設計：

学生テーブル

電話テーブル

2. 第二正規形 (2NF: すべてのカラムが主キー全体に依存する必要がある)

第二正規形では、テーブルがすでに1NFを満たしており、部分的な依存関係を排除することが求められます。つまり、非主キーフィールドは、その一部ではなく、主キー全体に依存する必要があります。これは通常、複合主キーを持つテーブルに適用されます。

例えば、次のOrderDetailテーブルを考えてみましょう。

このテーブルでは、複合主キーは（Order ID、Product ID）です。「Product Name」と「Unit Price」は「Product ID」のみに依存し、主キー全体には依存しないため、部分的な依存関係が生じ、2NFに違反しています。

2NFに準拠した後の設計：

OrderDetailテーブル

Productテーブル

3. 第三正規形 (3NF: 推移的依存関係の排除)

第三正規形では、テーブルがすでに2NFを満たしており、推移的依存関係を排除することが求められます。つまり、非主キーフィールドは、他の非主キーフィールドに依存すべきではありません。言い換えれば、すべての非主キーフィールドは、別の非主キーフィールドを介して間接的に依存するのではなく、主キーに直接依存する必要があります。

例えば、次のEmployeeテーブルを考えてみましょう。

このテーブルでは、「Department Name」は「Department ID」に依存し、さらに「Department ID」は主キー（Employee ID）に依存するため、推移的依存関係が形成され、3NFに違反しています。

3NFに準拠した後の設計：

Employeeテーブル

Departmentテーブル

部門情報を別のテーブルに移動することで、推移的依存関係が排除され、データベース構造が第三正規形に準拠します。

要約すると、三つの正規形は次のとおりです。

• 1NF: 各フィールドがアトミックな値を保持するようにします。
• 2NF: 部分的な依存関係を排除します。つまり、すべての非キーフィールドは主キー全体に依存する必要があります。
• 3NF: 推移的な依存関係を排除します。つまり、非キーフィールドは主キーのみに依存する必要があります。

三つの正規形の違反

実際には、三つの正規形（1NF、2NF、3NF）に従うことで、データの整合性が向上し、冗長性が軽減されますが、パフォーマンスを向上させたり、設計を簡素化したり、特定のビジネス要件を満たすために、それらを意図的に違反することが有益な場合があります。

以下に、正規形を意図的に違反する一般的な理由と例を示します。

パフォーマンスの最適化

同時実行性が高く、大規模なアプリケーションでは、正規形を厳密に守ると、頻繁な結合操作が発生し、クエリ時間とシステム負荷が増加する可能性があります。パフォーマンスを向上させるために、設計者はデータを非正規化して結合を減らすことがあります。

例えば、「Orders」テーブルと「Users」テーブルを持つeコマースシステムでは、厳密な3NF設計では、「Orders」テーブルに「User ID」のみを格納し、ユーザーの詳細を取得するために結合が必要になります。

クエリのパフォーマンスを向上させるために、ユーザー名と住所を「Orders」テーブルに冗長に格納して、「Users」テーブルとの結合を回避する場合があります。

3NFを違反した後の設計：

クエリと開発の簡素化

厳密な正規化により、データベーススキーマが複雑になり、開発とメンテナンスがより困難になる可能性があります。ロジックを簡素化し、開発作業を減らすために、適切な冗長性が導入される場合があります。

例えば、コンテンツ管理システム（CMS）では、「Articles」テーブルと「Categories」テーブルは通常分離されています。記事とともにカテゴリ名が頻繁に照会される場合、結合によって複雑さが増します。「Articles」テーブルにカテゴリ名を直接格納すると、フロントエンドロジックが簡素化されます。

3NFを違反した後の設計：

レポートとデータウェアハウジング

データウェアハウスおよびレポートシステムでは、高速な読み取りと集計が重要です。パフォーマンスを最適化するために、スターまたはスノーフレークスキーマなど、非正規化された構造がよく使用されます。これらは厳密な正規形に準拠していません。

例えば、販売データウェアハウスには、高速なレポート生成のためにディメンションデータを含むファクトテーブルがある場合があります。

3NFを違反した後の設計：

ここでは、製品名とカテゴリを直接格納することで、ディメンションテーブルとの結合を回避し、レポート生成の効率を高めます。

特定のビジネス要件

一部のビジネスシナリオでは、特定のクエリまたは操作に対する迅速な応答が必要です。適切な冗長性は、これらの要求を満たすのに役立ちます。

例えば、リアルタイム取引システムでは、口座残高を迅速に計算するために、トランザクションレコードからその場で計算するのではなく、「Users」テーブルに現在の残高を格納する場合があります。

3NFを違反した後の設計：

トランザクションの詳細は別の場所に格納されていますが、ユーザーテーブルに「Current Balance」を保持することで、コストのかかるランタイム計算を回避できます。

読み取りと書き込みのパフォーマンスのバランス

書き込み操作よりも読み取り操作が大幅に多いシステムでは、書き込みの複雑さが増加しても、読み取りパフォーマンスを向上させるために冗長性が受け入れられる場合があります。

例えば、ソーシャルメディアプラットフォームでは、ユーザーのプロフィールに友人の数が表示されます。これを毎回計算するのは非効率的です。代わりに、友人の数は「Users」テーブルに直接格納されます。

3NFを違反した後の設計：

これにより、リアルタイム計算なしで高速表示が可能になります。

迅速なイテレーションと柔軟性

スタートアップや急速に進化する製品では、柔軟で迅速に調整可能なデータベースが必要になることがよくあります。過度の正規化は、速度と適応性を妨げる可能性があります。冗長な設計は、開発速度と俊敏性を向上させることができます。

例えば、初期段階のeコマースプラットフォームでは、配送先住所を個別の「Addresses」テーブルを使用する代わりに、「Orders」テーブルに直接格納する場合があります。

3NFを違反した後の設計：

これにより、開発が簡素化され、迅速な製品展開がサポートされます。正規化は、必要に応じて後で適用できます。

複雑さの軽減と理解度の向上

過度の正規化により、スキーマの理解とメンテナンスが困難になる場合があります。適度な冗長性は、設計を簡素化し、チームの理解とコミュニケーションを向上させることができます。

例えば、学校管理システムでは、クラス情報を複数のテーブルに分割すると混乱を招く可能性があります。簡素化するために、クラス名と担任教師を「Students」テーブルに直接格納する場合があります。

3NFを違反した後の設計：

「Class Name」と「Homeroom Teacher」を直接格納することで、テーブル数が減少し、設計が簡素化されます。

まとめ

この記事では、データベース設計の三つの正規形を例とともに分析しました。これらは、リレーショナルデータベースを設計するための基本的な原則として役立ちます。ただし、実際のプロジェクトでは、パフォーマンスのニーズ、簡素化された設計、迅速な反復、または特定のビジネスロジックにより、それらを厳密に守らないことがよくあります。

最終的に、システムアーキテクチャは、ビジネス要件、データの整合性、パフォーマンス、および開発効率の間でのトレードオフです。アプリケーションのコンテキストに基づいて、実用的な設計上の決定を下す必要があります。

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