Рассматриваемая ниже модель " сущность-связь " (ER-диаграммы, ER-модель) - это частный случай моделей данных богатых семантикой. Она позволяет описывать семантику, предназначенную для использования человеком. То есть можно вводить описания не реализуемые программно. С другой стороны, в ней фиксируются метаданные и ограничения целостности, используемые для создания скриптов, генерирующих схему базы.
2.1 Семантические модели и когнитивный аспект
2.1.1 Семантические модели данных
Что хранят базы данных? Конечно же, данные. Однако, даже для организации хранения данных приходится учитывать связанные с ними смыслы. Так, в предыдущем разделе описывался первичный ключ, который не позволяет дублировать записи в наборе. Это свойство определяет частный смысл набора записей с первичным ключом. Типы данных, домены, метаданные определяют другие смыслы хранящихся данных.
Но если в базе хранятся только данные, то, как же хранятся смыслы? Прежде всего, смыслы -это тоже данные, связанные с теми данными, смысл которых они представляют.
Выделим следующие виды смыслов:
- Смыслы, предназначенные только для человека. Могут хранится в информационных системах (ИС), но пассивны, то есть недоступны системе, и потому не влияют на ее поведение. Извлекаются только человеком
- Смыслы, внутренние для ИС. Они активны, то есть изменяют или создают новое поведение ИС. Типичные примеры: ключи, типы данных, метаданные.
- Смыслы внешние, связанные с системами или задачами, внешними по отношению к ИС, или, более узко, к базе данных. Эти смыслы также активны.
Как проявляется активность внутренних смыслов? Пусть имеется первичный ключ. Вы хотите записать запись в набор. Однако, СУБД сначала сделает то, что вы не просили - проверит допустимость вводимого значения ключа, - и только если это значение отсутствует, занесет запись.
Пример смысла третьего типа: Имеется таблица, содержащая оценки всех студентов по всем дисциплинам. Можно ли вычислить средний балл? Конечно. Однако, если вы знакомы со шкалами измерений, то вы знаете, что измерения успеваемости проводятся в шкале порядка. В ней средний балл смысла не имеет, или, говоря официальным языком, является неадекватной статистикой.
На начальной стадии создания приложения (анализ бизнеса) необходимо иметь модель предметной области, обеспечивающую неформальное описание всех значимых особенностей задачи известных постановщику. При этом отбрасывание деталей, которые "не ложатся" на модели данных, применяемые на стадии реализации проекта, может привести к существенному искажению постановки задачи. На этапе анализа полноту сведений следует предпочесть возможности их формального описания.
Семантическими принято называть модели, обеспечивающие представление семантики данных. Как и другие модели, они могут включать структурную, манипуляционную и целостную части. Однако, учитывая, что какая-то семантика имеется в любой модели, можно считать семантическими те модели, в которых семантики больше, чем в "несемантических" моделях, содержащих мало семантики. Данное псевдоопределение весьма расплывчато. Но пока нам этого достаточно.
В рамках семантической модели создается концептуальная схема базы данных, которая обычно вручную или автоматизировано (но не автоматически) преобразуется в схему базы, допустимую в рамках моделей данных, реализуемых на следующих стадиях жизненного цикла проекта - проектировании, разработки и сопровождения.
Детально семантика данных будет рассмотрена в лекции "Семантика баз данных" учебника.
Самая известная семантическая модель "сущность-связь" ("entity-rela-tionship" - ER) была предложена Питером Пин Шен Ченом (Peter Chen) в 1976 году.
2.1.2 Когнитивный аспект
Семантические модели выполняются в виде диаграмм, предназначенных для человека, удобных для восприятия человеком. В современной науке вообще и в компьютерных науках в частности, большое и заслуженное внимание уделяется когнитивным аспектам. В рамках баз данных это означает выделение двух основных действующих лиц - человека и программы - и разработку естественных, удобных для человека моделей, языков, интерфейсов и алгоритмов работы пользователя. Естественно, необходимо учитывать предварительную профессиональную подготовку пользователя, определяющую, наряду с бытовыми знаниями, ментальный мир человека, набор образов (гештальтов), которыми он оперирует. Почему мы ожидаем головное меню в верхней части окна? Только потому, что нас к этому приучили разработчики некоторых успешных программных продуктов.
2.1.3 Уровни модели
В соответствии с подходом Питера Чена, изложенным в основополагающей работе по диаграммам "сущность-связь", выделим четыре уровня представления моделей данных, несколько изменив их определения:
- Информация об объектах и связях предметной области (ПО), излагаемая в терминах ПО (концептуальная модель).
- Структурированная информация о ПО, излагаемая в терминах информационных систем (логическая модель).
- Структуры данных, не зависящие от способа доступа, то есть не связанные со структурами данных, поиском, индексацией и т. д. (физическая модель).
- Структуры данных, зависящие от способа доступа (модель аппаратного уровня).
Забегая вперед, заметим, что реляционная модель относится к уровням 2 и 3. Сетевая и иерархическая модели, в том виде как они существовали 20 лет назад, работают в основном на уровне 3 и 4. UML -это уровни 1, 2 и 3, но UML далеко выходит за рамки описания данных. Модель "сущность-связь" работает на уровнях 1 и 2.
Цель моделирования данных состоит в обеспечении разработчика системы концептуальной схемой базы данных в форме одной модели или нескольких локальных моделей, которые относительно легко могут быть отображены в любую систему баз данных.
Наиболее распространенным средством моделирования данных (предметной области) является модель «сущность-связь» (ERM). Она была впервые введена Питером Ченом в 1976 г. Базовыми понятиями ERM являются сущность, связь и атрибут.
Сущность (Entity ) - реальный либо воображаемый объект, имеющий существенное значение для рассматриваемой предметной области.
Каждая сущность должна иметь наименование, выраженное существительным в единственном числе. Примерами сущностей могут быть такие классы объектов, как «Поставщик», «Сотрудник», «Заказ». Каждая сущность в модели изображается в виде прямоугольника с наименованием (рис. 2.23).
Рис. 2.23. Графическое представление сущности
Основной (неформальный) способ идентификации сущностей - это поиск абстракций, описывающих физические или материальные объекты, процессы и события, роли людей, организации и другие понятия. Единственным формальным способом идентификации сущностей является анализ текстовых описаний предметной области, выделение из описаний имен существительных и выбор их в качестве «кандидатов» на роль абстракций.
Экземпляр сущности - это конкретный представитель данной сущности. Например, экземпляром сущности «Сотрудник» может быть «Сотрудник Иванов».
Экземпляры сущностей должны быть различимы, т.е. сущности должны иметь некоторые свойства, уникальные для каждого экземпляра этой сущности. Каждый экземпляр сущности должен однозначно идентифицироваться и отличаться от всех других экземпляров данного типа сущности. Каждая сущность должна обладать некоторыми свойствами:
· иметь уникальное имя; к одному и тому же имени должна всегда применяться одна и та же интерпретация; одна и та же интерпретация не может применяться к различным именам, если только они не являются псевдонимами;
· обладать одним или несколькими атрибутами, которые либо принадлежат сущности, либо наследуются через связь;
· обладать одним или несколькими атрибутами, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности.
Атрибут (Attribute) - любая характеристика сущности, значимая для рассматриваемой предметной области и предназначенная для квалификации, идентификации, классификации, количественной характеристики или выражения состояния сущности.
Атрибут представляет тип характеристик или свойств, ассоциированных с множеством реальных или абстрактных объектов (людей, мест, событий, состояний, идей, предметов и т.д.). Экземпляр атрибута - это определенная характеристика отдельного элемента множества. Экземпляр атрибута определяется типом характеристики и ее значением, называемым значением атрибута. В ERM атрибуты ассоциируются с конкретными сущностями. Таким образом, экземпляр сущности должен обладать единственным определенным значением для ассоциированного атрибута.
Наименование атрибута должно быть выражено существительным в единственном числе (возможно, с характеризующими прилагательными).
Примерами атрибутов сущности «Сотрудник» могут быть такие атрибуты, как «Табельный номер», «Фамилия», «Имя», «Отчество», «Должность», «Зарплата» и т.п.
Атрибуты изображаются в пределах прямоугольника, определяющего сущность (рис. 2.24).
Рис. 2.24. Сущность с атрибутами
Виды атрибутов :
· простой - состоит из одного элемента данных;
· составной - состоит из нескольких элементов данных;
· однозначный - содержит одно значение для одной сущности;
· многозначный - содержит несколько значений для одной сущности;
· необязательный - может иметь пустое (неопределенное) значение;
· производный - представляет значение, производное от значения связанного с ним атрибута.
Уникальным идентификатором называется неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности. Неизбыточность заключается в том, что удаление любого атрибута из уникального идентификатора нарушает его уникальность.
Сущность может иметь несколько различных уникальных идентификаторов, они изображаются на диаграмме подчеркиванием (рис. 2.25).
Рис. 2.25. Сущность с уникальным идентификатором
Каждая сущность может обладать любым количеством связей с другими сущностями модели. Связь (Relationship) - поименованная ассоциация между двумя сущностями, значимая для рассматриваемой предметной области. Связь - это ассоциация между сущностями, при которой каждый экземпляр одной сущности ассоциирован с произвольным (в том числе нулевым) количеством экземпляров второй сущности, и наоборот.
Степенью связи называется количество сущностей, участвующих в связи. Связь степени 2 называется бинарной , степени N- N-арной . Связь, в которой одна и та же сущность участвует в разных ролях, называется рекурсивной , или унарной . Один из возможных вариантов графического изображения связи показан на рис. 2.26.
Рис. 2.26. Обозначение сущностей и связи
Пары чисел на диаграмме отражают две важные характеристики связи - мощность связи (второе число) и класс принадлежности (первое число).
Мощностью связи называется максимальное число экземпляров сущности, которое может быть связано с одним экземпляром данной сущности. Мощность связи может быть равна 1, N (любое число) и может быть конкретным числом. Мощности связи на рис. 2.26 означают: каждый сотрудник может работать не более чем в одном отделе, а в каждом отделе может работать любое число сотрудников.
Класс принадлежности характеризует обязательность участия экземпляра сущности в связи. Класс принадлежности может принимать значение 0 (необязательное участие - экземпляр одной сущности может быть связан с одним или несколькими экземплярами другой сущности, а может быть и не связан ни с одним экземпляром) или 1 (обязательное участие - экземпляр одной сущности должен быть связан не менее чем с одним экземпляром другой сущности). Классы принадлежности на рис. 2.26 означают: каждый сотрудник обязательно работает в каком-либо отделе, а в некоторых отделах может и не быть сотрудников.
Связь может иметь один из следующих трех типов (в зависимости от значения мощности):
1. Один-к-одному (обозначается 1:1), показана на рис. 2.27.
Рис. 2.27. Связь типа 1:1
2. Один-ко-многим (обозначается 1:п), показана на рис. 2.26.
3. Многие-ко-многим (обозначается m:n), показана на рис. 2.28.
Рис. 2.28. Связь типа min
Одной из наиболее популярных средств формализованного представления предметной области систем, ориентированных на обработку фактографической информации, является модель «сущность - связь» , которая положена в основу значительного количества коммерческих CASE-продуктов, поддерживающих полный цикл разработки систем баз данных или отдельные его стадии. При этом многие из них не только поддерживают стадию концептуального проектирования предметной области разрабатываемой системы, но и позволяют осуществить на основе построенной их средствами модели стадию логического проектирования путем автоматической генерации концептуальной схемы базы данных для выбранной СУБД, например, схемы базы данных для какого-либо SQL-сервера или объектной СУБД.
Моделирование предметной области в этом случае базируется на использовании графических диаграмм, включающих сравнительно небольшое число компонентов, и самое важное - технологию построения таких диаграмм.
Семантическую основу ER-модели составляют следующие предположения:
та часть реального мира (совокупность взаимосвязанных объектов), сведения о которых должны быть помещены в базу данных, может быть представлена, как совокупность сущностей;
каждая сущность обладает характеристическими свойствами (атрибутами), отличающими ее от других сущностей и позволяющими ее идентифицировать;
сущности можно классифицировать по типам сущностей: каждый экземпляр сущности (представляющий некоторый объект) может быть отнесен к классу - типу сущностей, каждый экземпляр которого обладает общими для них и отличающими их от сущностей других классов свойствами;
систематизация представления, основанная на классах, в общем случае предполагает иерархическую зависимость типов: сущность типа А является подтипом сущности В, если каждый экземпляр типа А является экземпляром сущности типа В ;
взаимосвязи объектов могут быть представлены как связи- сущности, которые служат для фиксирования (представления) взаимозависимости двух или нескольких сущностей.
Здесь следует еще раз подчеркнуть информационную природу понятия сущность и его соотношение с материальными или воображаемыми объектами предметной области. Любой объект предметной области обладает свойствами, часть из которых выделяется как характеристические - значимые с точки зрения прикладной задачи. При этом, например, в процессе анализа и систематизации предметной области обычно выделяются классы - совокупности объектов, обладающих одинаковым набором свойств, задаваемых в виденаборов атрибутов (значения атрибутов для объектов одного класса, естественно, могут различаться). Соответственно, на уровне представления предметной области (т. е. ее инфологической модели) объекту, рассматриваемому как понятие (объект в сознании человека), соответствует понятие сущность; объекту, как части материального мира (и существующему независимо от сознания человека), соответствует понятие экземпляр сущности; классу объектов соответствует понятие тип сущности.
В дальнейшем, поскольку в инфологической модели рассматриваются не отдельные экземпляры объектов, а классы, мы не будем различать соответствующие понятия этих двух уровней, т. е. будем предполагать тождественность понятий объект и сущность, свойство объекта и свойство сущности.
ER-модель, как описание предметной области, должна определить объекты и взаимосвязи между ними, т. е. установить связи следующих двух типов.
1. Связи между объектами и наборами характеристических свойств, и таким образом определить сами объекты.
2. Связи между объектами, задающие характер и функциональную природу их взаимозависимости.
Как было отмечено ранее, ER-моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, как простого (привычного), наглядного и в то же время информативного и многоаспектного способа отображения компонентов проекта. Поэтому изложение основных положений ER-модели будет иллюстрироваться материалом примера ER-диаграммы, приведенного на рис. 5.4.
Сущность. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов, определяется в как «предмет, который может быть четко идентифицирован». Так же как каждый объект уникально характеризуется набором значений свойств, сущность должнаопределяться таким набором атрибутов, который позволял бы различать отдельные экземпляры сущности. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах). Например, для однозначной идентификации каждого экземпляра сущности «Сотрудник» вводится атрибут «Табельный номер», который вследствие своей природы будет всегда иметь уникальное значение в рамках предприятия. То есть, уникальным идентификатором сущности может являться атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, однозначно отличающая любой экземпляр сущности от других экземпляров сущности того же типа.
Сущность имеет имя, уникальное в пределах модели. Приэтом имя сущности - это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра.
Сущности подразделяются на сильные и слабые. Сущность является слабой, если ее существование зависит от другой сущности сильной по отношению кней. Например, сущность «Подчиненный» является слабой по отношению к сущности «Сотрудник»: если будет удалена запись, соответствующая некоторому сотруднику, имеющему подчиненных, то сведения о подчинении также должны быть удалены.
Свойства. Природа свойства, как характер связи свойства с сущностью (объектом), может быть различной. Рассмотрим основные виды свойств.
Свойство может быть множественным или единичным - т. е. атрибут, задающий свойство, может одновременно иметь несколько значений или, соответственно, только одно. Например, сотрудник может иметь несколько специальностей, но единственное значение - «Табельный номер».
Свойство может быть простым (не подлежащим дальнейшему делению с точки зрения прикладных задач) или составным - если его значение составляется из значений простых свойств. Например, свойство «Год рождения» является простым, а свойство «Адрес»- составным, так как включает значения простых свойств «Город», «Улица», «Дом».
В некоторых случаях полезно различать базовые и производные свойства. Например, «Поставщик» может иметь свойство «Общее количество поставляемых деталей», которое вычисляется суммированием количества деталей, поставляемых им по проекту.
Если наличие некоторого свойства для всех экземпляров сущности не является обязательным, то такое свойство называется условным. Например, не все сотрудники обладают свойством «ученая степень».
Значения свойств могут быть постоянными - статическими или динамическими, т. е. меняться со временем. Например, свойство «Табельный номер» является статическим, а «Адрес» - динамическим. Свойство может быть неопределенным, если оно является динамическим, но его текущее значение еще не задано.
Свойство может рассматриваться как ключевое, если его значение уникально и, возможно, в определенном контексте, однозначно идентифицирует сущность. Например, подчиненный некоторого определенного сотрудника.
Связи. Кроме связей между объектом и его свойствами, инфологическая модель отражает связи между объектами разных классов. В связь определяется как «ассоциация, объединяющая несколько сущностей». Эта ассоциация всегда может существовать между разными сущностями или между сущностью и ею же самой (рекурсивная связь).
Как и сущность, связь является типовым понятием, т. е. все экземпляры связываемых сущностей подчиняются правилам связывания типов. Принципиальность различия типов связей между типами и экземплярами иллюстрируется ER-диаграммамидля типов и экземпляров, представленными на рис. 5.5.
Сущности, объединяемые связью, называются участниками. Степень связи определяется количеством участников связи.
Если каждый экземпляр сущности участвует, по крайней мере, в одном экземпляре связи, то такое участие этой сущности называется полным (или обязательным); в противном случае - неполным (или необязательным).
Количественный характер участия экземпляров сущностей (один или многие) задается типом связи (или мощностью связи), Возможны следующие типы: «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1:М), «многие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:М).
Следует отметить, что инструмент связей - это средство представления сложных объектов, каждый из которых может рассматриваться как множество некоторым образом взаимосвязанных простых объектов. Деление на простые и сложные объекты, также как и характер взаимосвязи, является условным и определяется особенностями анализа предметной области, т. е. в конце концов- характером использования данных опредметах в решаемых прикладных задачах. При этом с точки зрения, например, конструктора, ДЕТАЛЬ является сложным объектом, а с точки зрения поставщика - простым.
Среди многих разновидностей взаимосвязей наиболее частыми являются такие отношения иерархического типа, как «часть - целое», «род - вид».
Отношение «часть - целое» используются для представления составных объектов. Например, МАШИНЫ состоят из УЗЛОВ, УЗЛЫ состоят из ДЕТАЛЕЙ. Здесь возможны как отношения «один ко многим», так и «многие ко многим».
Отношение «род - вид» - для представления обобщенных объектов . Например, СОТРУДНИКИ подразделяются по профессии на КОНСТРУКТОРОВ, ПРОГРАММИСТОВ, РАБОЧИХ; ПРОГРАММИСТЫ - на ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММИСТОВ и СИСТЕМНЫХ ПРОГРАММИСТОВ. Иерархические отношения, и в частности - «родо-видовые», обычно используются как основа классификации объектов по наборам характеристических признаков. Причем «видовые» объекты наследуют свойства «родовых».
Другой широко используемой разновидностью взаимосвязи является агрегирование - объединение простых объектов в сложный по принципу их принадлежности агрегату или их совместного участия в некотором процессе. Агрегирование, рассматриваемое здесь как более общий случай иерархических отношений, объединяет объекты разной природы с единственным общим свойством «совместное участие». Агрегированные объекты именуются обычно отглагольными существительными, например, «Состав»: ПОДРАЗДЕЛЕНИЕсостоит из СОТРУДНИКОВ; «Поставка»: ПОСТАВЩИК поставляет ДЕТАЛИ.
Супертипы и подтипы. Сущность может быть расщеплена на два или более взаимоисключающих подтипов, каждый из которых включает общие атрибуты и/или связи. Эти общие атрибуты и/или связи явно определяются один раз на более высоком уровне. В подтипах могут определяться собственные атрибуты и/или связи. В принципе выделение подтипов может продолжаться на более низких уровнях, но в большинстве случаев оказывается достаточно двух-трех уровней.
Сущность, на основе которой определяются подтипы, называется супертипом. Подтипы должны образовывать полное множество, т. е. любой экземпляр супертипа должен относиться к некоторому подтипу. Иногда для полноты множества надо определять дополнительный подтип, например, ПРОЧИЕ.
Подтип наследует свойства и связи супертипа. Например, тип сущности ПРОГРАММИСТ является подтипом сущности СОТРУДНИК. Программисты обладают всеми свойствами сотрудников и участвуют во всех связях, однако обратные утверждения неверны.
Тип сущности, его подтипы, подтипы этих подтипов и т. д. образуют иерархию типов сущности, пример которой приведен на рис. 5,6.
Сущность -это понятие, концепт, воображаемый объект, для которого у человека может быть создан четко отделяемый образ. Сущность задает некоторый набор объектов описываемого мира, в том числе процессов или атрибутов других объектов. Важно понимать, что сущность похожа на тип, но не на экземпляр. В дальнейшем мы будем говорить о типах сущностей, хотя употребление термина "тип" применительно к сущностям не совсем корректно. На ER-диаграммах сущность представляется прямоугольником, в котором обязательно указывается имя сущности. Дополнительно можно указывать примеры экземпляров сущности (рисунок 2.1). Примеры предназначены для человека, и позволяют с самого начала как-то ограничить множество экземпляров входящих в тип сущности.
Рис.
2.1.
С каждым типом сущности можно связать предикат, проверяющий принадлежность экземпляра сущности набору сущностей. При определении типа сущности необходимо гарантировать, что экземпляры сущности различимы. Это требование аналогично требованию отсутствия записей-дубликатов или кортежей в реляционных отношениях, которые будут рассматриваться в "Реляционная модель данных" . Предикат, соответствующий сущности имеет вид: имя_сущности (список_атрибутов) . Для моделей физического уровня задают еще типы атрибутов. Таким образом, сущности в ER-моделях определяются как минимум именем и списком атрибутов. В пределах одной сущности не может быть двух экземпляров с одинаковыми значениями атрибутов.
Связь -это типовое понятие, устанавливающее правила связывания сущностей. Каждый экземпляр типа связи устанавливается между экземплярами типов сущностей. Может существовать рекурсивная связь между типом сущности и им самим (как бы его дубликатом).
Пока рассматриваем только бинарные связи, устанавливаемые между двумя типами сущностей. В нотации Чена их обозначают сплошной линией. О связях с большей арностью поговорим позднее.
Концы бинарной связи в ER-модели характеризуются:
- именем роли (имя конца связи), определяющей функцию связи по отношению к связываемой сущности;
- степенью конца связи, определяющей сколько экземпляров данного типа сущности должно присутствовать в каждом экземпляре данного типа связи.
- обязательностью связи, то есть указанием, любой ли экземпляр связываемой сущности должен участвовать в некотором экземпляре данного типа связи.
Обозначения и примеры связей в первоначальной нотации, предложенной П. Ченом, приведены на рисунке 2.2
Рис. 2.2.
Для представления некоторых тонкостей наряду с нотацией П. Чена воспользуемся модифицированной нотацией Р. Баркера (рисунок 2.3). Будем изображать связь ненаправленной линией, соединяющей две разных сущности или сущность с собой. Обязательный конец связи будем представлять сплошной линией, а необязательный конец - штриховой линией. Неразветвленный конец линии обозначает степень 1. "Воронья лапка" означает степень "ко многим". Степень конца связи может быть уточнена. Так, указание 2..4 означает, что степень этого конца связи от 2 до 4 включительно.
Обязательность связи определяет, любой ли экземпляр сущности участвует в некотором экземпляре связи.
Примеры типов связей приведены на рисунке 2.3 . Слева изображена связь, которую следует читать в двух направлениях так:
- пассажир может иметь один или несколько билетов; но может не иметь ни одного билета;
- билет предназначен для одного пассажира.
Справа пример рекурсивной связи, которую следует читать так:
- работник может иметь начальника, а может не иметь;
- работник может подчиняться другому работнику, но может не подчиняться никому.
Для правильного прочтения связей следует помнить, что обязательность, обозначенная типом линии (сплошная или прерывистая) связана только со "своим" именем роли. Тип линии другого конца связи значения не имеет.
Рис. 2.3.
Обратите внимание на то, что чрезмерная краткость описания ролей в примере вызывает трудности в установлении смысла связи.
Задание уточнений степени конца связи определим на примерах:
Атрибут -это свойство сущности или связи, получаемое путем наблюдения или измерения. Информацию об экземпляре сущности выражают набором пар "атрибут - значение", как например на рисунке 2.4 :
Рис. 2.4. Пара "атрибут" - значение
Пример множественного значения. В анкете предлагается подчеркнуть один или несколько предусмотренных ответов в качестве значения атрибута. Заполненная строка выглядит так: "Как часто вы занимаетесь базами данных (нужное подчеркнуть): часто, редко, довольно часто, довольно редко, по настроению, в дождливую погоду".
Элементы модели "сущность-связь"
Моделирование структуры базы данных при помощи алгоритма нормализации, описанного в предыдущих главах, имеет серьезные недостатки:
Первоначальное размещение всех атрибутов в одном отношении является очень неестественной операцией. Интуитивно разработчик сразу проектирует несколько отношений в соответствии с обнаруженными сущностями. Даже если совершить насилие над собой и создать одно или несколько отношений, включив в них все предполагаемые атрибуты, то совершенно неясен смысл полученного отношения.
Невозможно сразу определить полный список атрибутов. Пользователи имеют привычку называть разными именами одни и те же вещи или наоборот, называть одними именами разные вещи.
Для проведения процедуры нормализации необходимо выделить зависимости атрибутов, что тоже очень нелегко, т.к. необходимо явно выписать все зависимости , даже те, которые являются очевидными.
В реальном проектировании структуры базы данных применяются другой метод - так называемое, семантическое моделирование . Семантическое моделирование представляет собой моделирование структуры данных, опираясь на смысл этих данных. В качестве инструмента семантического моделирования используются различные варианты диаграмм сущность-связь (ER - Entity-Relationship ).
Первый вариант модели сущность-связь был предложен в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом . В дальнейшем многими авторами были разработаны свои варианты подобных моделей (нотация Мартина, нотация IDEF1X, нотация Баркера и др.). Кроме того, различные программные средства, реализующие одну и ту же нотацию, могут отличаться своими возможностями. По сути, все варианты диаграмм сущность-связь исходят из одной идеи - рисунок всегда нагляднее текстового описания. Все такие диаграммы используют графическое изображение сущностей предметной области, их свойств (атрибутов), и взаимосвязей между сущностями.
Мы опишем работу с ER-диаграммами близко к нотации Баркера, как довольно легкой в понимании основных идей. Данная глава является скорее иллюстрацией методов семантического моделирования, чем полноценным введением в эту область.
Основные понятия ER-диаграмм
Определение 1 . Сущность - это класс однотипных объектов, информация о которых должна быть учтена в модели.
Каждая сущность должна иметь наименование, выраженное существительным в единственном числе.
Примерами сущностей могут быть такие классы объектов как "Поставщик", "Сотрудник", "Накладная".
Каждая сущность в модели изображается в виде прямоугольника с наименованием:
Рис. 1
Определение 2 . Экземпляр сущности - это конкретный представитель данной сущности.
Например, представителем сущности "Сотрудник" может быть "Сотрудник Иванов".
Экземпляры сущностей должны быть различимы , т.е. сущности должны иметь некоторые свойства, уникальные для каждого экземпляра этой сущности.
Определение 3 . Атрибут сущности - это именованная характеристика, являющаяся некоторым свойством сущности.
Наименование атрибута должно быть выражено существительным в единственном числе (возможно, с характеризующими прилагательными).
Примерами атрибутов сущности "Сотрудник" могут быть такие атрибуты как "Табельный номер", "Фамилия", "Имя", "Отчество", "Должность", "Зарплата" и т.п.
Атрибуты изображаются в пределах прямоугольника, определяющего сущность:
Рис. 2
Определение 4 . Ключ сущности - это неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности. Неизбыточность заключается в том, что удаление любого атрибута из ключа нарушается его уникальность.
Сущность может иметь несколько различных ключей.
Ключевые атрибуты изображаются на диаграмме подчеркиванием (либо рядом с ключевым атрибутом рисуется знак ключа):
Рис. 3
Определение 5 . Связь - это некоторая ассоциация между двумя сущностями. Одна сущность может быть связана с другой сущностью или сама с собою.
Связи позволяют по одной сущности находить другие сущности, связанные с нею.
Например, связи между сущностями могут выражаться следующими фразами - "СОТРУДНИК может иметь несколько ДЕТЕЙ", "каждый СОТРУДНИК обязан числиться ровно в одном ОТДЕЛЕ".
Графически связь изображается линией, соединяющей две сущности:
Рис. 4
Каждая связь имеет два конца и одно или два наименования. Наименование обычно выражается в неопределенной глагольной форме: "иметь", "принадлежать" и т.п. Каждое из наименований относится к своему концу связи. Иногда наименования не пишутся ввиду их очевидности.
Каждая связь может иметь один из следующих типов связи :
Рис. 5
Связь типа один-к-одному означает, что один экземпляр первой сущности (левой) связан с одним экземпляром второй сущности (правой). Связь один-к-одному чаще всего свидетельствует о том, что на самом деле мы имеем всего одну сущность, неправильно разделенную на две.
Связь типа один-ко-многим означает, что один экземпляр первой сущности (левой) связан с несколькими экземплярами второй сущности (правой). Это наиболее часто используемый тип связи. Левая сущность (со стороны "один") называется родительской , правая (со стороны "много") - дочерней . Характерный пример такой связи приведен на Рис. 4.
Связь типа много-ко-многим означает, что каждый экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и каждый экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Тип связи много-ко-многим является временным типом связи, допустимым на ранних этапах разработки модели. В дальнейшем этот тип связи должен быть заменен двумя связями типа один-ко-многим путем создания промежуточной сущности.
Каждая связь может иметь одну из двух модальностей связи :
Рис. 6
Модальность "может может быть связан с одним или несколькими экземплярами другой сущности, а может быть и не связан ни с одним экземпляром.
Модальность "должен " означает, что экземпляр одной сущности обязан быть связан не менее чем с одним экземпляром другой сущности.
Связь может иметь разную модальность с разных концов (как на Рис. 4).
Описанный графический синтаксис позволяет однозначно читать диаграммы, пользуясь следующей схемой построения фраз:
<Каждый экземпляр СУЩНОСТИ 1> <МОДАЛЬНОСТЬ СВЯЗИ> <НАИМЕНОВАНИЕ СВЯЗИ> <ТИП СВЯЗИ> <экземпляр СУЩНОСТИ 2>.
Каждая связь может быть прочитана как слева направо, так и справа налево. Связь на Рис. 4 читается так:
Слева направо: "каждый сотрудник может иметь несколько детей".
Справа налево: "Каждый ребенок обязан принадлежать ровно одному сотруднику".
Пример разработки простой ER-модели
При разработке ER-моделей мы должны получить следующую информацию о предметной области:
Список сущностей предметной области.
Список атрибутов сущностей.
Описание взаимосвязей между сущностями.
ER-диаграммы удобны тем, что процесс выделения сущностей, атрибутов и связей является итерационным. Разработав первый приближенный вариант диаграмм, мы уточняем их, опрашивая экспертов предметной области. При этом документацией, в которой фиксируются результаты бесед, являются сами ER-диаграммы.
Предположим, что перед нами стоит задача разработать информационную систему по заказу некоторой оптовой торговой фирмы. В первую очередь мы должны изучить предметную область и процессы, происходящие в ней. Для этого мы опрашиваем сотрудников фирмы, читаем документацию, изучаем формы заказов, накладных и т.п.
Например, в ходе беседы с менеджером по продажам, выяснилось, что он (менеджер) считает, что проектируемая система должна выполнять следующие действия:
Хранить информацию о покупателях.
Печатать накладные на отпущенные товары.
Следить за наличием товаров на складе.
Выделим все существительные в этих предложениях - это будут потенциальные кандидаты на сущности и атрибуты, и проанализируем их (непонятные термины будем выделять знаком вопроса):
Покупатель
Накладная - явный кандидат на сущность.
Товар - явный кандидат на сущность
(?)Склад - а вообще, сколько складов имеет фирма? Если несколько, то это будет кандидатом на новую сущность.
(?)Наличие товара – это, скорее всего, атрибут, но атрибут какой сущности?
Сразу возникает очевидная связь между сущностями - "покупатели могут покупать много товаров" и "товары могут продаваться многим покупателям". Первый вариант диаграммы выглядит так:
Рис. 7
Задав дополнительные вопросы менеджеру, мы выяснили, что фирма имеет несколько складов. Причем, каждый товар может храниться на нескольких складах и быть проданным с любого склада.
Куда поместить сущности "Накладная" и "Склад" и с чем их связать? Спросим себя, как связаны эти сущности между собой и с сущностями "Покупатель" и "Товар"? Покупатели покупают товары, получая при этом накладные, в которые внесены данные о количестве и цене купленного товара. Каждый покупатель может получить несколько накладных. Каждая накладная обязана выписываться на одного покупателя. Каждая накладная обязана содержать несколько товаров (не бывает пустых накладных). Каждый товар, в свою очередь, может быть продан нескольким покупателям через несколько накладных. Кроме того, каждая накладная должна быть выписана с определенного склада, и с любого склада может быть выписано много накладных. Таким образом, после уточнения, диаграмма будет выглядеть следующим образом:
Рис. 8
Пора подумать об атрибутах сущностей. Беседуя с сотрудниками фирмы, мы выяснили следующее:
Каждый покупатель является юридическим лицом и имеет наименование, адрес, банковские реквизиты.
Каждый товар имеет наименование, цену, а также характеризуется единицами измерения.
Каждая накладная имеет уникальный номер, дату выписки, список товаров с количествами и ценами, а также общую сумму накладной. Накладная выписывается с определенного склада и на определенного покупателя.
Каждый склад имеет свое наименование.
Снова выпишем все существительные, которые будут потенциальными атрибутами, и проанализируем их:
Юридическое лицо - термин риторический, мы не работаем с физическими лицами. Не обращаем внимания.
Наименование покупателя
Адрес - явная характеристика покупателя.
Банковские реквизиты - явная характеристика покупателя.
Наименование товара - явная характеристика товара.
(?)Цена товара - похоже, что это характеристика товара. Отличается ли эта характеристика от цены в накладной?
Единица измерения - явная характеристика товара.
Номер накладной - явная уникальная характеристика накладной.
Дата накладной - явная характеристика накладной.
(?)Список товаров в накладной - список не может быть атрибутом. Вероятно, нужно выделить этот список в отдельную сущность.
(?)Количество товара в накладной - это явная характеристика, но характеристика чего? Это характеристика не просто "товара", а "товара в накладной".
(?)Цена товара в накладной - опять же это должна быть не просто характеристика товара, а характеристика товара в накладной. Но цена товара уже встречалась выше - это одно и то же?
Сумма накладной - явная характеристика накладной. Эта характеристика не является независимой. Сумма накладной равна сумме стоимостей всех товаров, входящих в накладную.
Наименование склада - явная характеристика склада.
В ходе дополнительной беседы с менеджером удалось прояснить различные понятия цен. Оказалось, что каждый товар имеет некоторую текущую цену. Эта цена, по которой товар продается в данный момент. Естественно, что эта цена может меняться со временем. Цена одного и того же товара в разных накладных, выписанных в разное время, может быть различной. Таким образом, имеется две цены - цена товара в накладной и текущая цена товара.
С возникающим понятием "Список товаров в накладной" все довольно ясно. Сущности "Накладная" и "Товар" связаны друг с другом отношением типа много-ко-многим. Такая связь, как мы отмечали ранее, должна быть расщеплена на две связи типа один-ко-многим. Для этого требуется дополнительная сущность. Этой сущностью и будет сущность "Список товаров в накладной". Связь ее с сущностями "Накладная" и "Товар" характеризуется следующими фразами - "каждая накладная обязана иметь несколько записей из списка товаров в накладной", "каждая запись из списка товаров в накладной обязана включаться ровно в одну накладную", "каждый товар может включаться в несколько записей из списка товаров в накладной", " каждая запись из списка товаров в накладной обязана быть связана ровно с одним товаром". Атрибуты "Количество товара в накладной" и "Цена товара в накладной" являются атрибутами сущности " Список товаров в накладной".
Точно также поступим со связью, соединяющей сущности "Склад" и "Товар". Введем дополнительную сущность "Товар на складе". Атрибутом этой сущности будет "Количество товара на складе". Таким образом, товар будет числиться на любом складе и количество его на каждом складе будет свое.
Теперь можно внести все это в диаграмму:
Рис. 9
Концептуальные и физические ER-модели
Разработанный выше пример ER-диаграммы является примером концептуальной диаграммы . Это означает, что диаграмма не учитывает особенности конкретной СУБД. По данной концептуальной диаграмме можно построить физическую диаграмму , которая уже будут учитываться такие особенности СУБД, как допустимые типы и наименования полей и таблиц, ограничения целостности и т.п. Физический вариант диаграммы, приведенной на Рис. 9 может выглядеть, например, следующим образом:
Рис. 10
На данной диаграмме каждая сущность представляет собой таблицу базы данных, каждый атрибут становится колонкой соответствующей таблицы. Обращаем внимание на то, что во многих таблицах, например, "CUST_DETAIL" и "PROD_IN_SKLAD", соответствующих сущностям "Запись списка накладной" и "Товар на складе", появились новые атрибуты, которых не было в концептуальной модели - это ключевые атрибуты родительских таблиц, мигрировавших в дочерние таблицы для того, чтобы обеспечить связь между таблицами посредством внешних ключей.
Легко заметить, что полученные таблицы сразу находятся в 3НФ.
Выводы
Реальным средством моделирования данных является не формальный метод нормализации отношений, а так называемое семантическое моделирование .
В качестве инструмента семантического моделирования используются различные варианты диаграмм сущность-связь (ER - Entity-Relationship ).
Диаграммы сущность-связь позволяют использовать наглядные графические обозначения для моделирования сущностей и их взаимосвязей.
Различают концептуальные и физические ER-диаграммы. Концептуальные диаграммы не учитывают особенностей конкретных СУБД. Физические диаграммы строятся по концептуальным и представляют собой прообраз конкретной базы данных. Сущности, определенные в концептуальной диаграмме становятся таблицами, атрибуты становятся колонками таблиц (при этом учитываются допустимые для данной СУБД типы данных и наименования столбцов), связи реализуются путем миграции ключевых атрибутов родительских сущностей и создания внешних ключей.
При правильном определении сущностей, полученные таблицы будут сразу находиться в 3НФ. Основное достоинство метода состоит в том, модель строится методом последовательных уточнений первоначальных диаграмм.
В данной главе, являющейся иллюстрацией к методам ER-моделирования, не рассмотрены более сложные аспекты построения диаграмм, такие как подтипы, роли, исключающие связи, непереносимые связи, идентифицирующие связи и т.п.
