История создания[править]

Нотации[править]

Нотация Питера Чена[править]

Простая ER-модель MMORPG с использованием нотации Питера Чена

Множества сущностей изображаются в виде прямоугольников, множества отношений изображаются в виде ромбов. Если сущность участвует в отношении, они связаны линией. Если отношение не является обязательным, то линия пунктирная. Атрибуты изображаются в виде овалов и связываются линией с одним отношением или с одной сущностью.

Crow"s Foot[править]

Пример отношения между сущностями согласно нотации Crow"s Foot

Данная нотация была предложена Гордоном Эверестом (англ. Gordon Everest ) под названием Inverted Arrow («перевёрнутая стрелка»), однако сейчас чаще называемая Crow"s Foot («воронья лапка») или Fork («вилка»).

Согласно данной нотации, сущность изображается в виде прямоугольника, содержащем её имя, выражаемое существительным. Имя сущности должно быть уникальным в рамках одной модели. При этом, имя сущности - это имя типа, а не конкретного экземпляра данного типа. Экземпляром сущности называется конкретный представитель данной сущности.

Связь изображается линией, которая связывает две сущности, участвующие в отношении. Степень конца связи указывается графически, множественность связи изображается в виде «вилки» на конце связи. Модальность связи так же изображается графически - необязательность связи помечается кружком на конце связи. Именование обычно выражается одним глаголом в изъявительном наклонении настоящего времени: «Имеет», «Принадлежит» и т. д.; или глаголом с поясняющими словами: «Включает в себя», и т.п. Наименование может быть одно для всей связи или два для каждого из концов связи. Во втором случае, название левого конца связи указывается над линией связи, а правого – под линией. Каждое из названий располагаются рядом с сущностью, к которой оно относится.

Атрибуты сущности записываются внутри прямоугольника, изображающего сущность и выражаются существительным в единственном числе (возможно, с уточняющими словами). Среди атрибутов выделяется ключ сущности - неизбыточный набор атрибутов, значения которых в совокупности являются уникальными для каждого экземпляра сущности.

6.2.2. Основные понятия модели Entity-Relationship (Сущность-Связи)

Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:

Каждый БИЛЕТ предназначен для одного и только одного ПАССАЖИРА;

Каждый ПАССАЖИР может иметь один или более БИЛЕТОВ.

Каждый ЧЕЛОВЕК является сыном одного и только одного ЧЕЛОВЕКА;

Каждый ЧЕЛОВЕК может являться отцом для одного или более ЛЮДЕЙ ("ЧЕЛОВЕКОВ").

Но если требуется одновременно использовать термины ER-модели и реляционной модели данных, то, безусловно, требуется применять для терминов relation и relationship разные русские эквиваленты. За этими терминами стоят весьма различные понятия. В реляционной модели отношение ( relation ) – это единственная родовая структура данных . С помощью этого же механизма представляются "связанные" сущности (вспомните, например, про внешние ключи). Как мы увидим немного позже, в ER-модели для представления схемы базы данных используются два равноправных понятия – сущность и связь . Связи в ER-модели играют роль, отличную от той, какую играют отношения в реляционной модели данных.

Кроме того, в русскоязычную терминологию вошла и чистая транслитерация термина relation именно в смысле отношение . Мы говорим, например, про реляционную модель данных , реляционную алгебру и т. д., понимая модель данных , основанную на отношениях, алгебру отношений и т. п. По этому поводу, по крайней мере, в контексте баз данных, разумно окончательно зарезервировать термины relation и отношение для обозначения понятий реляционной модели данных, а для термина relationship использовать другой допустимый русскоязычный эквивалент – связь .

На использовании разных вариантов ER-модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Модель была предложена Питером Ченом (Peter Chen) в 1976 г. Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. Простота и наглядность представления концептуальных схем баз данных в ER-модели привели к ее широкому распространению в CASE-системах , поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных . Среди множества разновидностей ER-моделей одна из наиболее популярных и развитых применялась в системе CASE компании Oracle . Мы обсудим некоторый упрощенный вариант этой модели. Если говорить более точно, сосредоточимся на ее структурной и целостной частях.

Основные понятия ER-модели

Основными понятиями ER-модели являются сущность , связь и атрибут . Сущность – это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться и быть доступной. 4Понятно, что это "определение" на самом деле является тавтологией , поскольку, во-первых, мы пытаемся определить термин сущность через не определенный термин объект, а во-вторых, попытки определения термина объект настолько же безнадежны. Обычно авторы пытаются оправдываться тем, что в подобном контексте они имеют в виду "житейское", а не сколько-нибудь формализованное понятие объекта. Конечно, от этого не становится легче, поскольку понятие сущности должно пониматься в достаточно точном смысле. Но эта тавтология не изобретена автором этого курса; она традиционна для области семантического моделирования. В этой области стремятся максимально избегать формальностей. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности . При этом имя сущности – это имя типа , а не некоторого конкретного экземпляра этого типа . 5Хотя было бы правильнее всегда использовать термины тип сущности и экземпляр типа сущности , для избежания многословности (и следуя традиции) в тех случаях, где это не приводит к двусмысленности, мы будем использовать термин сущность в значении типа сущности . Для большей выразительности и лучшего понимания имя сущности может сопровождаться примерами конкретных экземпляров этого типа.

Рис. 9.1.

На рис. 9.1 изображена сущность АЭРОПОРТ с примерными экземплярами "Шереметьево" и "Хитроу". Эта примитивная диаграмма тем не менее несет важную информацию. Во-первых, она показывает, что в базе данных будут содержаться однотипные структуры данных (экземпляры сущности ), описывающие аэропорты. Во-вторых, поскольку в жизни существует несколько точек зрения на аэропорты (например, точка зрения пилота, точка зрения пассажира, точка зрения администратора) и этим точкам зрения соответствуют разные структуры данных, то приведенные примеры аэропортов позволяют несколько сузить допустимый набор точек зрения. В нашем случае приведены примеры международных аэропортов, так что, скорее всего, имеется точка зрения пассажира или пилота международных авиарейсов.

При определении типа сущности необходимо гарантировать, что каждый экземпляр сущности может быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности . Это требование в некотором роде аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах.

Связь – это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя типами сущностей . Как и сущность , связь – это типовое понятие, все экземпляры обоих связываемых типов сущностей подчиняются устанавливаемым правилам связывания. Поэтому правильнее говорить о типе связи , устанавливаемой между типами сущности , и об экземплярах типа связи , устанавливаемых между экземплярами типа сущности . 6Тем не менее, как и в случае типа сущности , мы будем часто использовать термин связь в значении типа связи . В обсуждаемом здесь варианте ER-модели эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными типами сущностей или между типом сущности и им же самим (рекурсивная связь ). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с существующей парой связываемых сущностей ), на каждом из которых указываются имя конца связи , степень конца связи (сколько экземпляров данного типа сущности должно присутствовать в каждом экземпляре данного типа связи ), обязательность связи (т. е. любой ли экземпляр данного типа сущности должен участвовать в некотором экземпляре данного типа связи ). 7 В некоторых вариантах ER-модели конец связи называют ролью связи в данной сущности . Тогда можно говорить об имени роли , степени роли и обязательности роли связи в данной сущности .

Связь представляется в виде ненаправленной линии, соединяющей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При этом в месте "стыковки" связи с сущностью используются:

• трехточечный вход в прямоугольник сущности , если для этой сущности в связи могут (или должны) использоваться много (many ) экземпляров сущности ;
• одноточечный вход, если в связи может (или должен) участвовать только один экземпляр сущности .

Обязательный конец связи изображается сплошной линией, а необязательный – прерывистой линией.

Связь между сущностями БИЛЕТ и ПАССАЖИР , показанная на рис. 9.2 , связывает билеты и пассажиров. Конец связи с именем "для" позволяет связывать с одним пассажиром более одного билета, причем каждый билет должен быть связан с каким-либо пассажиром. Конец связи с именем "имеет" показывает, что каждый билет может принадлежать только одному пассажиру, причем пассажир не обязан иметь хотя бы один билет.

• каждый БИЛЕТ предназначен для одного и только одного ПАССАЖИРА ;
• каждый ПАССАЖИР может иметь один или более БИЛЕТОВ или не иметь вовсе.

На следующем примере (рис. 9.3) изображена рекурсивная связь , связывающая сущность МУЖЧИНА с ней же самой. Конец связи с именем " сын " определяет тот факт, что несколько людей могут быть сыновьями одного отца. Конец связи с именем " отец " означает, что не у каждого мужчины должны быть сыновья.

Лаконичная устная трактовка изображенной диаграммы состоит в следующем:

• каждый МУЖЧИНА является сыном одного и только одного МУЖЧИНЫ ;
• каждый МУЖЧИНА может являться отцом одного или более МУЖЧИН .

Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражения состояния сущности . Имена атрибутов заносятся в прямоугольник, изображающий

ER-модель базы данных

Модель сущность-связь (англ. entity-relationship model, ERM, ER-модель) позволяет описывать концептуальные схемы предметной области.

ER-модель используется при высокоуровневом проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями. ER-модель это формальная конструкция, не определяющая графических средств её представления. В качестве стандартного графического представления ER-модели, была разработана диаграмма сущность-связь ER-диаграмма (Entity Relationship Diagram - ER - диаграмма). При проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных.

Как известно, базовым понятием реляционных БД является таблица (отношение). Таблица используется для структуризации и хранения информации. В реляционных БД каждая ячейка таблицы содержит одно значение. Кроме того, внутри одной БД существуют взаимосвязи между таблицами, каждая из которых задает совместное пользование данными таблицы.

ER-диаграмма графически представляет структуру данных проектируемой БД. Сущности отображаются при помощи прямоугольников, таблиц, содержащих имя сущности - таблицы БД. Взаимосвязи сущностей отображаются в виде линий, соединяющих отдельные сущности.

Взаимосвязь показывает, что данные одной сущности ссылаются или связаны с данными другой.

Степень конца связи указывается графически, множественность связи изображается в виде "вилки" на конце связи. Модальность связи так же изображается графически - необязательность связи помечается кружком на конце связи. Именование связи выражается одним глаголом (рис.13).

Рис.13.

Атрибуты сущности записываются внутри прямоугольника, изображающего сущность, и выражаются существительным в единственном числе.

Среди атрибутов выделяется ключ сущности. При создании сущности необходимо выделить группу атрибутов, которые могут быть первичным ключом, затем произвести отбор атрибутов для включения в состав первичного ключа:

· Первичный ключ должен быть подобран таким образом, чтобы по значениям атрибутов, в него включенных, можно было точно идентифицировать экземпляр сущности.

· Никакой из атрибутов первичного ключа не должен иметь нулевое значение.

· Значения атрибутов первичного ключа не должны меняться. Если значение изменилось, значит, это уже другой экземпляр сущности.

При выборе первичного ключа, как правило, в сущность вводится дополнительный атрибут, который становиться ключом.

Так, для определения первичного ключа часто используют уникальные номера, которые могут автоматически генерироваться системой при добавлении экземпляра сущности в БД. Применение уникальных номеров облегчает процесс индексации и поиска в БД.

Первым шагом при создании логической модели БД является построение ER-диаграммы, состоящей из трех частей: сущностей, атрибутов и взаимосвязей.

Разработано множество инструментов визуального создания ER - диаграмм для различны платформ. В настоящем проекте использовалась разработка MySQL Workbench .

Этот инструмент упрощает проектирование баз данных и обслуживание, автоматизирует, отнимающие много времени и подверженные ошибкам задачи и улучшает связь среди команд разработчиков и архитекторами БД. Он позволяет архитекторам данных визуализировать требования, общаться с заинтересованными лицами по вопросам проектирования прежде, чем будут сделаны инвестиции в проект. Это обеспечивает управляемое моделью проектирование баз данных, которое является самой эффективной методологией для того, чтобы создать реальные и хорошо продуманные базы данных. ER - диаграмма базы данных системы дистанционного тестирования (control_tests ) изображена на рисунке (рис.14). Две вертикальные черточки с одной стороны и "трезубец" с другой обозначают соответственно "связь один ко многим".

Рис. 14. ER - диаграмма базы данных control_test системы дистанционного тестирования

Нормализация базы данных

В реляционной теории БД нет универсальных предписаний, законов для проектирования надежной, спроектированной раз и навсегда базы данных. Разработчики выбирают свои решения по проекту базы данных, полагаясь во многом на опыт, интуицию, различные инструменты и методы проектирования.

Тем не менее, некоторые каноны, правила все-таки существуют. К таким правилам относятся правила нормализации, т.е. приведения отношений к нормальной форме.

Как любая модель, модель «сущность — связь» имеет несколько базовых понятий, которые образуют исходные кирпичики, из которых строятся уже более сложные объекты по заранее определенным правилам.

Эта модель в наибольшей степени согласуется с концепцией объектно-ориентированного проектирования, которая в настоящий момент несомненно является базовой для разработки сложных программных систем, поэтому многие понятия вам могут показаться знакомыми, и если это действительно так, то тем проще вам будет освоить технологию проектирования баз данных , основанную на ER-модели .

В основе ER-модели лежат следующие базовые понятия:

• Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов. Сущность имеет имя, уникальное в пределах моделируемой системы. Так как сущность соответствует некоторому классу однотипных объектов, то предполагается, что в системе существует множество экземпляров данной сущности. Объект, которому соответствует понятие сущности, имеет свой набор атрибутов — характеристик, определяющих свойства данного представителя класса. При этом набор атрибутов должен быть таким, чтобы можно было различать конкретные экземпляры сущности. Например, у сущности Сотрудник может быть следующий набор атрибутов: Табельный номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения, Количество детей, Наличие родственников за границей. Набор атрибутов, однозначно идентифицирующий конкретный экземпляр сущности, называют ключевым. Для сущности Сотрудник ключевым будет атрибут Табельный номер, поскольку для всех сотрудников данного предприятия табельные номера будут различны. Экземпляром сущности Сотрудник будет описание конкретного сотрудника предприятия. Одно из общепринятых графических обозначений сущности — прямоугольник, в верхней части которого записано имя сущности, а ниже перечисляются атрибуты, причем ключевые атрибуты помечаются, например, подчеркиванием или специальным шрифтом (рис. 7.1):

Рис. 7.1. Пример определения сущности в модели ER

Между сущностями могут быть установлены связи — бинарные ассоциации, показывающие, каким образом сущности соотносятся или взаимодействуют между собой. Связь может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). Она показывает, как связаны экземпляры сущностей между собой. Если связь устанавливается между двумя сущностями, то она определяет взаимосвязь между экземплярами одной и другой сущности. Например, если у нас есть связь между сущностью «Студент» и сущностью «Преподаватель» и эта связь — руководство дипломными проектами, то каждый студент имеет только одного руководителя, но один и тот же преподаватель может руководить множеством.студентов-дипломников. Поэтому это будет связь «один-ко-многим» (1:М), один со стороны «Преподаватель» и многие со стороны «Студент» (см. рис. 7.2).

Рис. 7.2. Пример отношения «один-ко-многим» при связывании сущностей «Студент» и «Преподаватель»

В разных нотациях мощность связи изображается по-разному. В нашем примере мы используем нотацию CASE системы POWER DESIGNER, здесь множественность изображается путем разделения линии связи на 3. Связь имеет общее имя «Дипломное проектирование» и имеет имена ролей со стороны обеих сущностей. Со стороны студента эта роль называется «Пишет диплом под руководством», со стороны преподавателя эта связь называется «Руководит». Графическая интерпретация связи позволяет сразу прочитать смысл взаимосвязи между сущностями, она наглядна и легко интерпретируема. Связи делятся на три типа по множественности: один-к-одному (1:1), од и и-ко-многим (1:М), многие-ко-многим (М:М). Связь один-к-одному означает, что экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности.

Связь 1: М означает, что один экземпляр сущности, расположенный слева по связи, может быть связан с несколькими экземплярами сущности, расположенными справа по связи. Связь «один-к-одному» (1:1) означает, что один экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности, а связь «многие-ко-мно-гим» (М:М) означает, что один экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и наоборот, один экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Например, если мы рассмотрим связь типа «Изучает» между сущностями «Студент» и «Дисциплина», то это связь типа «многие-ко-многим» (М:М), потому что каждый студент может изучать несколько дисциплин, но и каждая дисциплина изучается множеством студентов.ч Такая связь изображена на рис. 7.3.

• Между двумя сущностями может быть задано сколько угодно связей с разными смысловыми нагрузками. Например, между двумя сущностями «Студент» и «Преподаватель» можно установить две смысловые связи, одна — рассмотренная уже ранее «Дипломное проектирование», а вторая может быть условно названа «Лекции», и она определяет, лекции каких преподавателей слушает данный студент и каким студентам данный преподаватель читает лекции. Ясно, что это связь типа многие-ко-многим. Пример этих связей приведен на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Пример моделирования связи «многие-ко-многим»

• Связь любого из этих типов может быть обязательной, если в данной связи должен участвовать каждый экземпляр сущности, необязательной — если не каждый экземпляр сущности должен участвовать в данной связи. При этом связь может быть обязательной с одной стороны и необязательной с другой стороны. Обязательность связи тоже по-разному обозначается в разных нотациях. Мы снова используем нотацию POWER DESIGNER. Здесь необязательность связи обозначается пустым кружочком на конце связи, а обязательность перпендикулярной линией, перечеркивающей связь. И эта нотация имеет простую интерпретацию. Кружочек означает, что ни один экземпляр не может участвовать в этой связи. А перпендикуляр интерпретируется как то, что по крайней мере один экземпляр сущности участвует в этой связи.

Рассмотрим для этого ранее приведенный пример связи «Дипломное проектирование». На нашем рисунке эта связь интерпретируется как необязательная с двух сторон. Но ведь на самом деле каждый студент, который пишет диплом, должен иметь своего руководителя дипломного проектирования, но, с другой стороны, не каждый преподаватель должен вести дипломное проектирование. Поэтому в данной смысловой постановке изображение этой связи изменится и будет выглядеть таким, как представлено на рис. 7.4.

Рис. 7.4. Пример обязательной и необязательной связи между сущностями

Кроме того, в ER-модели допускается принцип категоризации сущностей. Это значит, что, как и в объектно-ориентированных языках программирования, вводится понятие подтипа сущности, то«есть сущность может быть представлена в виде двух или более своих подтипов — сущностей, каждая из которых может иметь общие атрибуты и отношения и/или атрибуты и отношения, которые определяются однажды на верхнем уровне и наследуются на нижнем уровне. Все подтипы одной сущности рассматриваются как взаимоисключающие, и при разделении сущности па подтипы она должна быть представлена в виде полного набора взаимоисключающих подтипов. Если на уровне анализа не удается выявить полный Перечень подтипов, то вводится специальный подтип, называемый условно ПРОЧИЕ, который в дальнейшем может быть уточнен. В реальных системах бывает достаточно ввести подтипизацпю на двух-трех уровнях.

Сущность, на основе которой строятся подтипы, называется супертипом. Любой экземпляр супертипа должен относиться к конкретному подтипу. Для графического изображения принципа категоризации или типизации сущности вводится специальный графический элемент, называемый узел-дискриминатор, в нотации POWER DESIGNER он изображается в виде полукруга, выпуклой стороной обращенного к суперсущности. Эта сторона соединяется направленной стрелкой с суперсущностью, а к диаметру этого круга стрелками подсоединяются подтипы данной сущности (см. рис. 7.5).

Рис. 7.5. Диаграмма подтипов сущности ТЕСТ

Эту диаграмму можно расшифровать следующим образом. Каждый тест в некоторой системе тестирования является либо тестом проверки знаний языка SQL , либо некоторой аналитической задачей, которая выполняется с использованием заранее написанных Java-апплетов, либо тестом по некоторой области знаний, состоящим из набора вопросов и набора ответов, предлагаемых к каждому вопросу.

В результате построения модели предметной области в виде набора сущностей и связей получаем связный граф. В полученном графе необходимо избегать циклических связей — они выявляют некорректность модели.

В качестве примера спроектируем мифологическую модель системы, предназначенной для хранения информации о книгах ц областях знаний, представленных в библиотеке. Описание предметной области было приведено ранее. Разработку модели начнем с выделения основных сущностей.

Прежде всего, существует сущность «Книги», каждая книга имеет уникальный шифр, крторый является ее ключом, и ряд атрибутов, которые взяты из описания предметной области. Множество экземпляров сущности определяет множество книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Книги» соответствует не конкретной книге, стоящей на полке, а описанию некоторой книги, которое дается обычно в предметном каталоге библиотеке. Каждая книга может присутствовать в нескольких экземплярах, и это как раз те конкретные книги, которые стоят на полках библиотеки.

Для того чтобы отразить это, мы должны ввести сущность «Экземпляры», которая будет содержать описания всех экземпляров книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Экземпляры» соответствует конкретной книге на полке. Каждый экземпляр имеет уникальный инвентарный номер, однозначно определяющий конкретную книгу. Кроме того, каждый экземпляр книги может находиться либо в библиотеке, либо на руках у некоторого читателя, и в последнем случае для данного экземпляра указываются дополнительно дата взятия книги читателем и дата предполагаемого возврата книги.

Между сущностями «Книги» и «Экземпляры» существует связь «один-ко-многим» (1:М), обязательная с двух сторон. Чем определяется данный тип связи? Мы можем предположить, что каждая книга может присутствовать в библиотеке в нескольких экземплярах, поэтому связь «один-ко-многим». При этом если в библиотеке нет ни одного экземпляра дайной книги, то мы не будем хранить ее описание, поэтому если книга описана в сущности «Книги», то по крайней мере один экземпляр этой книги присутствует в библиотеке. Это означает, что со стороны книги связь обязательная. Что касается сущности «Экземпляры», то не может существовать в библиотеке ни одного экземпляра, который бы не относился к конкретной книге, поэтому и со стороны «Экземпляры» связь тоже обязательная.

Теперь нам необходимо определить, как в нашей системе будет представлен читатель. Естественно предложить ввести для этого сущность «Читатели», каждый экземпляр которой будет соответствовать конкретному читателю. В библиотеке каждому читателю присваивается уникальный номер читательского билета, который будет однозначно идентифицировать нашего читателя. Номер читательского билета будет ключевым атрибутом сущности «Читатели».

Кроме того, в сущности «Читатели» должны присутствовать дополнительные атрибуты, которые требуются для решения поставленных задач, этими атрибутами будут: «Фамилия Имя Отчество», «Адрес читателя», «Телефон домашний» и «Телефон рабочий». Почему мы ввели два отдельных атрибута под телефоны? Потому что надо в разное время звонить по этим телефонам, чтобы застать читателя, поэтому администрации библиотеки будет важно знать, к какому типу относится данный телефон. В описании нашей предметной области существует ограничение на возраст наших читателей, поэтому в сущности «Читатели» надо ввести обязательный атрибут «Дата рождения», который позволит нам контролировать возраст наших читателей.

Из описания предметной области мы знаем, что каждый читатель может держать на руках несколько экземпляров книг. Для отражения этой ситуации нам надо провести связь между сущностями «Читатели» и «Экземпляры». А почему не между сущностями «Читатели» и «Книги»? Потому что читатель берет из библиотеки конкретный экземпляр конкретной книги, а не просто книгу. А как же узнать, какая книга у данного читателя? А это можно будет узнать по дополнительной связи между сущностями «Экземпляры» и «Книги», и эта связь каждому экземпляру ставит в соответствие одну книгу, поэтому мы в любой момент можем однозначно определить, какие книги находятся на руках у читателя, хотя связываем с читателем только инвентарные номера взятых книг. Между сущностями «Читатели» и «Экземпляры» установлена связь «один-ко-многим», и при этом она не обязательная с двух сторон. Читатель в данный момент может не держать ни одной книги на руках, а с другой стороны, данный экземпляр книги может не находиться ни у одного читателя, а просто стоять на полке в библиотеке.

Теперь нам надо отразить последнюю сущность, которая связана с системным каталогом. Системный каталог содержит перечень всех областей знаний, сведения по которым содержатся в библиотечных книгах. Мы можем вспомнить системный каталог в библиотеке, с которого мы обычно начинаем поиск нужных нам книг, если мы не знаем их авторов и названий. Название области знаний может быть длинным и состоять из нескольких слов, поэтому для моделирования системного каталога мы введем сущность «Системный каталог» с двумя атрибутами: «Код области знаний» и «Название области знаний». Атрибут «Код области знаний» будет ключевым атрибутом сущности.

Из описания предметной области нам известно, что каждая книга может содержать сведения из нескольких областей знаний, а с другой стороны, из практики известно, что в библиотеке может присутствовать множество книг, относящихся к одной и той же области знаний, поэтому нам необходимо установить между сущностями «Системный каталог» и «Книги» связь «миогие-ко-многим», обязательную с двух сторон. Действительно, в системном каталоге не должно присутствовать такой области знаний, сведения по которой не представлены ни в одной книге нашей библиотеки, противное было бы бессмысленно. И обратно, каждая книга должна быть отнесена к одной или нескольким областям знаний для того, чтобы читатель мог ее быстрее найти.

Мифологическая модель предметной области «Библиотека» представлена на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Мифологическая модель «Библиотека»

Мифологическая модель «Библиотека» разработана нами под те задачи, которые были перечислены ранее. В этих задачах мы не ставили условие хранения истории чтения книги, например, с целью поиска того, кто раньше держал книгу и мог нанести ей вред или забыть в ней случайно большую сумму денег. Если бы мы ставили перед собой задачу хранения и этой информации, то наша инфо-логическая модель была бы другой. Я оставлю эту задачу для вашего самостоятельного творчества.

Физическая модель (Табличная) данных содержит определения всех реализуемых объектов в конкретной базе данных для конкретной СУБД.

Модели являются краеугольным камнем проектирования. Инженеры должны построить модель автомобиля, проработать все детали, прежде чем запустить его в производство. Таким же образом, системные инженеры сперва разрабатывают модели для изучения бизнес-логики и углубления понимания структуры базы данных.

В прошлой лекции мы познакомились с методологиями IDEF0 и DFD которые позволяют описать бизнес-процессы протекающие в информационной системе. В модели DFD мы рассмотрели элемент - хранилище данных, который показывает типы информации, которой оперирует система. Однако эта методология не предназначена для описания структуры хранимой информации. Для этого больше подходят различные Entity Relationship - диаграммы (сущностные диаграммы), целью которых является описание структуры хранимых данных и взаимосвязей между ними. Разработаны методики, которые позволяют преобразовать такие данные в набор команд, который создаст необходимые хранилища (таблицы) внутри базы данных информационной системы.

ER-моделирование

В информационных системах, данные разделяются на отдельные категории или сущности. Ведь мы помним, что база данных это набор структурированных данных. Данные различного типа хранятся раздельно. Задача ER-модели - показать какие типы информации хранятся в системе, какая их структура и как они взаимосвязаны между собой. ER-модель строят на основании проведенного бизнес-анализа (построенной DF-диаграммы). При этом, первоначально, каждое хранилище на DF-диаграмме становится сущностью на ER-диаграмме. В ходе дальнейшего анализа они могут дробится на составные части. Стоит отметить, что ER-модели более устойчивы к изменениям в структуре бизнеса, чем DF-диаграммы. Бизнес-процессы могут меняется, но информация которая нужна для их реализации, зачастую, остается неизменной.

Основные преимущества ER-моделей:

• Точный и понятный формат документирования структуры информации.
• Позволяет указать требования к данным и связям между ними.
• Позволяет наглядно показать структуру хранилища для облегчения проектирования базы данных.
• Существуют методы отображения ER-моделей в таблицы БД и обратно.
• Закладывают основу для интеграции с другими приложениями.

Основные типы объектов на ER-диаграмме:

• Сущность (Entity) - тип объектов, информация о которых будет хранится в БД. Например: отделы, сотрудники, товары, накладные.
• Атрибут (Attribute) - элементы из которых состоят сущности. Например, для сущности «товары» атрибутами могут быть «название», «описание», «количество», «цена» и другие, в зависимости от потребностей информационной системы. В зависимости от нотации ER-диаграммы рядом с атрибутом, кроме его имени указывают тип и обязательность заполнения. На слайде представлена ER-диаграмма в нотации «Information Engineering», согласно которой для атрибута указывается имя, тип, и является он внешним и/или первичным кличем.
• Связь (Relationship) показывают связи между сущностями. Например сотрудник работает в отделе, где «отдел» и «отдел» - сущности.

Сущность - набор объектов реального мира, каждый из которых имеет следующие характеристики:

• Уникален (может быть отделен от всех прочих каким-либо образом)
• Играет определенную роль в моделируемой системе
• Может быть описан одним или более элементом информации (Атрибутом)

Пример: люди, персонал, события, заказы, продажи, покупатели, поставщики

Атрибут описывает некоторые свойства сущности. Сущность может иметь много атрибутов, но выбираются только те, которые важны для системы. Атрибуты делятся на ключевые (Entity Keys) и описательные (Entity Descriptors). Ключевые атрибуты должны уникальным образом идентифицировать экземпляры сущности. Для каждого атрибута должен быть указан домен (тип, предметная область).

На слайде показаны, как записываются сущности и атрибуты в различных нотациях ER-моделей. Во всех нотациях сущность это объект прямоугольной формы, в верхней части которого указывается имя сущности. Под именем сущности перечисляются атрибуты.

Давайте подробнее разберёмся, что такое ключевые атрибуты. Это важно для понимания типов связей между сущностями.

Базовые термины

Реляционная модель при необходимости может быть описана математическим языком, то есть наиболее точным из изобретенных человеком. Ниже приводятся нестрогие определения некоторых понятий реляционной модели.

• " Тип данных " (type, domean - домен) - множество допустимых величин ("область определения") и операций. Для всех типов существуют операции сравнения и присвоения. Величинам не запрещено иметь структуру, например, объекта.
• " Отношение " (relation) - множество атрибутов: уникальных имен с уточнением типа данных; плюс множество "наборов величин" ("рядов"), соответствующих атрибутам. Величины в наборах могут быть представлены только единичными значениями соответствующих атрибутам типов, то есть быть скалярами ("1-я нормальная форма").
• " Ключ " (key) - группа атрибутов, значения которых во всех наборах в отношении различны, но ни одна подгруппа этих атрибутов таким свойством уже не обладает (свойство "минимальности" ключа). В частности, группа может состоять из единственного атрибута. Ключ в отношении обязан иметься всегда, а если их несколько, один из них обязан быть назначен "первичным" (primary).
• " Внешний ключ " (foreign key) - группа атрибутов, значения которых в каждом наборе величин отношения обязаны совпадать со значениями ключа возможно другого отношения. Внешние ключи в отношении не обязательны и провозглашаются по потребностям моделирования.
• " Операции " (operation) - множество общих действий над отношениями, дающих в результате опять-таки отношения ("замкнутость операций"). Используются для получения новых отношений в нуждах последующего моделирования или при извлечении из базы нужных данных. Перечень операций можно определять по-разному; в первых предложениях модели приводилось восемь операций (проекции, соединения, отбора и пр.), уже не минимальный набор, как компромисс между отсутствием избыточности и удобством употребления.
• " Реляционная база данных " (relational database) - набор отношений.

"Тип данных" иногда называют "доменом" (domain), но иногда под "доменом" разумеют только "область определения" величин. "Набор величин" (tuple) по-русски иначе называют "кортежем" или "n-кой".

Для удобства отношения часто изображают в виде таблиц, хотя такое представление неправомерно (в отношении не определен ни порядок атрибутов, ни порядок наборов величин, в отличие от таблицы). В SQL, на основе которого построена в том числе СУБД Oracle, понятие "отношения" как инструмента моделирования заменено как раз на "таблицу". Другим представлением данных отношения может быть гиперкуб, и к нему тоже иногда удобно прибегать в рассуждениях об имеющейся БД.

Если отказаться от определительного слова-кальки "реляционный", то термин "реляционная БД" можно перевести как "БД отношений" (точнее, "БД построенная посредством отношений"; отношений как инструмента, а не объекта моделирования: иначе исходный термин был бы relation database). Точно так же термин "реляционная модель" можно перевести как "модель отношений", то есть "система понятий для построения модели предметной области в виде набора отношений". По ряду причин, в том числе исторического и языкового характеров, этого не было в свое время сделано.

Все взаимоотношения данных описываются явно и только величинами в наборах (в других подходах к моделированию может быть иначе). Никаких "подразумеваемых" зависимостей (в том числе на уровне программной логики), кроме сформулированых переменными отношений, нет. Реляционный подход разграничивает описание данных и сопутствующую приложению программную логику (в противовес, например, объектному подходу).

Приведенный взгляд на реляционную БД (набор отношений и операции) характерен для реляционной алгебры . Это не единственная точка зрения. Каждый набор величин в переменной отношения можно понимать как истинное высказывание ("предикат"): имеется такой-то сотрудник с такими-то свойствами; такой-то отдел и так далее. Тем самым реляционная база данных в каждый момент времени представляет собой набор истинных высказываний о предметной области, сформулированный через отношения. По сути, набор высказываний в переменных отношений и образует модель предметной области, представленную базой данных. Такой взгляд на реляционную БД характерен для реляционного исчисления . Оба взгляда на реляционную модель хорошо изучены и доказана их выразительная равносильность.

Для терминов, перечисленных на предыдущем слайде есть неформальные эквиваленты, для того чтобы проще было понять и запомнить их смысл:

• Отношение → Таблица
• Кортеж → Строка, запись
• Кардинальность → Количество строк
• Атрибут → Столбец, поле
• Степень → Количество столбцов
• Первичный ключ → Идентификатор
• Домен → Область допустимых значений

Ключевые поля

Часть из атрибутов отношения является ключевыми или ключами. Выделяют несколько типов ключей:

• Простой ключ - состоит из одного атрибута, составной - из нескольких.
• Потенциальный ключ - атрибут или набор атрибутов, которые могут идентифицировать каждый из кортежей отношения. Например в отношении паспортный стол («Номер паспорта») и («ФИО» и «Дата рождения») - потенциальные ключи, которые позволяют уникальным образом идентифицировать каждого человека.
• В каждом отношении может быть только один первичный ключ - атрибут или набор атрибутов значения которого уникальным образом идентифицирую каждую запись. Если такими свойствами обладают несколько наборов атрибутов, то один из них выбирается первичным, а все остальные - альтернативными.
• Внешний ключ - хранит значение первичного ключа другого отношения. Внешние ключи используются для связи между отношениями.

Первичный ключ

• Каждое реляционное отношение имеет только 1 первичный ключ , все остальные - альтернативные.
• Значение всех атрибутов первичного ключа не может быть не определено. Например, отношение хранит информацию о жителях города. Первичный ключ - составной (ИМЯ, ФАМИЛИЯ, дата рождения). Информационную систему установили в Исландии, где не используют фамилий, значит атрибут «фамилия» для большинства кортежей будет незаполненным. Несмотря на это составной первичный ключ будет продолжат уникальным образом идентифицировать каждый из кортежей. Однако недопустимо, чтобы значения одновременно всех атрибутов первичного ключа были пустыми.
• Значение первичного ключа не влияет на расположение кортежей в табличном представлении отношения. Даже если значение первичного ключа - число (например 1,2,3 …) в общем случае это не гарантирует, что кортежи внутри БД хранятся в том же порядке и будут выводится в таком же порядке. В «общем случае» означает, что иногда из-за специфики конкретной СУБД строки могут хранится упорядочено по первичному ключу, но это скорее исключение. В случае вывода результатов запроса мы должны явно указывать порядок, в котором нужно выводить строки, если такой порядок важен. Результаты запроса «дай мне первых 5 человек» непредсказуем, если мы не укажем, по какому критерию они должны быть «первыми».
• Первичный ключ не влияет на доступ к атрибутам кортежа. Например в отношении «паспортный стол» вместе с ФИО и датой рождения хранится адрес регистрации человека. Мы можем попросить БД извлечь все адреса, не зная ФИО и дату рождения.

Внешний ключ

Внешний ключ используется для установления связей между отношениями. Например возьмем два отношения «Владельцы» (первичный ключ «номер паспорта») и «Недвижимость». Чтобы установить, кто владеет каждым из объектов недвижимости мы свяжем эти отношения по значению атрибута «номер паспорта». В отличии от первичного ключа значение внешнего ключа может быть неопределённо (строка 4 на слайде) - если мы не знаем владельца недвижимости мы его не указываем. В отличие от первичного ключа значение внешнего ключа может повторятся (стоки 1,3 на слайде) - у одного владельца может быть несколько объектов недвижимости. Однако то что атрибут «номер паспорта» в отношении «Недвижимость» является внешним ключом на первичный ключ отношения «Владелец» гарантирует что значением атрибута «номер пастора» могут быть только значения из первичного ключа. Мы не можем указать в качестве значения атрибута номер пастората человека, которого еще нет в отношении «Владелец» (строка 5).

Устанавливая внешний ключ можно явно задать поведение СУБД, если изменить значение первичного ключа или удалить кортеж. Однако при этом сохраняется правило «во внешнем ключе хранятся только значения, которые есть в первичном ключе или неопределённое значение (NULL)».

Внешний ключ между отношениями задается, обычно, при проектировании БД. Однако он может быть снят в любой момент времени или установлен заново, если добавление этого ограничения не противоречит свойствам внешнего ключа. Снятие/установку внешних ключей обычно делают при вставке очень больших объемов данных, для ускорения этого процесса - СУБД не может хранить неконсистентных (неправильных, ошибочных) данных, потому проверяет каждое ограничение при вставке каждой из строк.

ЕR-модели: связи

На ER-моделях внешние ключи отображаются в виде связей.

Каждая связь характеризуется 4 свойствами - силой , мощностью , степенью и участием сущности в связи.

Разберем эти характеристики.

Участие сущности в связи

Обозначается на связи поперечной линией или кружком.

Поперечная линия означает обязательное (mandatory ) участие сущности в связи, а кружок - необязательное (optional ).

В случае обязательного участия сущности в связи в описании такой связи используют глагол "должен ". При необязательном участии сущности в связи используют глагол "может ".

В отделе может работать несколько сотрудников. Сотрудник должен работать в каком-то из отделов.

Степень связи (relationship degree ) указывает на число ассоциированных сущностей . Бинарная связь (binary relationship ) описывает ассоциации двух сущностей. Тернарная связь (ternary relationship ) имеет место, когда связываются три сущности. Унарная связь (unary relationship ) описывает ассоциации внутри единственной сущности.

Наиболее распространены бинарные связи - они связываю две разные сущности («Отдел»- «Сотрудник», «Заказ»- «Товары», «Курс»- «Лекции», «Группа»- «Студенты»). Менее распространенными, но все-таки часто используемыми являются унарные связи. С их помощью обычно задают отношение вложенности на однотипных объектах (отношение «Детали» - можем указать составной частью какой детали является данная, отношение «Сотрудники» - можем указать, кто из сотрудников является начальником для данного).

Мощность связи показывает, какое число экземпляров одной сущности связано с экземплярами другой сущности.

Мощность может быть:

• один-к-одному (1:1) - в группе студентов один староста;
• один-ко-многим (1:N) - в одном отделе работает много сотрудников;
• многие-ко-многим (M:N) - один покупатель купил много товаров, товаров покупали много покупателей.

Сила связи : сильная связь (Identifying Relationship)

Дочерняя сущность не может существовать без родительской. (Не бывает ответа без вопроса; не бывает товара в корзине пользователя, если не существует самой корзины)

При этом первичный ключ мигрирует из родительской сущности в дочернюю, где становится частью первичного ключа.

На диаграмме сильная связь отображается неразрывной линией между сущностями.

Сила связи: Слабая связь (Nonidentifying Relationship)

Родительская и дочерняя сущности связаны, но дочерняя сущность может быть создана раньше. (Груз принадлежит заказу, но груз может быть на складе, до того как создан заказ).

Первичный ключ мигрирует из родительской сущности в дочернюю и не входит в состав первичного ключа (становится просто внешним ключом).

На диаграмме сильная связь отображается пунктирной линией между сущностями.

Рекурсивная-связь (унарная связь)

Чаще всего используется для построение иерархий.

Поставщик МОЖЕТ работать с НУЛЕМ или БОЛЕЕ заказчиков (id_Customer).

Заказчик ДОЛЖЕН работать с одним поставщиком (id_Sup).

Но поставщик и заказчик - это фирма ли организация - объекты одного типа и потому хранятся в одном отношении.

Связь многие-ко-многим.

Пример: поставщики могут поставлять много типов товаров. Разные поставщики могут поставлять одинаковые типы товаров.

Связь многие-ко-многим допустима с точки зрения ER-модели, но не может быть напрямую отражена в терминах реляционной алгебры.

Неоднозначность связи разрешается введением переходных сущностей, как показано на слайде.

ER-модели и реальность

При ближайшем рассмотрении связи типа "один к одному" почти всегда оказывается, что A и B представляют собой в действительности разные подмножества одного и того же предмета или разные точки зрения на него, просто имеющие отличные имена и по-разному описанные связи и атрибуты.

Представим, что А - поставщик, B - товар.

Mandatory-mandatory. Для примера, который приведен на слайде эта связь означает, что каждый поставщик (Supplier) должен поставлять только один уникальный набор товаров (Invoice). С точки зрения теории тут все хорошо. На практике это не допустимо: ни кто не будет искать нового поставщика, если проверенный вами поставщик может предоставить несколько номенклатур товара. А теперь об эмоциях, кот будет испытывать оператор при попытке ввода данных о новом поставщике. Он не сможет ввести данные ни в одну из таблиц. Так что весь багаж неприличной лексики будет направлен в ваш адрес.

Optional-mandatory. Пример связи приведен на слайде. Как видим у оператора теперь все хорошо: данные вводить он может. У бизнеса опять проблема: он должен искать нового поставщика, даже если проверенный вами поставщик может предоставить несколько номенклатур товара. А бизнесу нужны проблемы? Нет. Он должен функционировать. Как удовлетворить бизнес? Ответ простой. При проектировании БД нужно думать о нормализации. Если Supplier - сущность, то используйте связи типа optional-mandatory (mandatory-optional) или optional-optional. Хотя чаще всего связи один-к-одному - это ошибка.

Optional-optional. Как видим у оператора опять все хорошо, а у бизнеса опять проблема. Подведем итоги для связи один-к-одному. Если сущности участвуют в связи как: - mandatory-mandatory, то такая связь не имеет права на жизнь; - optional-mandatory (mandatory-optional) или optional-optional, то сопровождение бизнеса проблематично.

Связь один-ко-многим mandatory-mandatory - достаточно сильная конструкция, предполагающая, что вхождение сущности B не может быть создано без одновременного создания по меньшей мере одного связанного с ним вхождения сущности A. Чаще всего это неверная связь.

Связь один-ко-многим mandatory-optional - это наиболее часто встречающаяся форма связи. Она предполагает, что каждое и любое вхождение сущности A может существовать только в контексте одного (и только одного) вхождения сущности B. В свою очередь, вхождения B могут существовать как в связи с вхождениями A, так и без нее.

Связь один-ко-многим optional-optional - Как A, так и B могут существовать без связи между ними.

В терминах предыдущего слайда эти диаграммы можно проиллюстрировать на следующих примерах.

Связи один-ко-многим. Эти связи предполагают, что одна запись в одной таблице может быть логически связана с несколькими записями в другой таблице.

Mandatory-mandatory. Для примера, который приведен на слайде эта связь означает, что каждый поставщик (A) должен поставлять один или более наборов товаров (B). С точки зрения теории тут все хорошо. Однако на практике оператор не сможет ввести данные ни в одну из таблиц, поскольку записи необходимо одновременно вводить в обе таблицы.

Optional-mandatory. В этом случае у оператора теперь все хорошо: данные вводить он может, а у бизнеса могут возникнуть проблемы. Дело в том, что связь optional-mandatory предполагает, что поставщик (A) должен поставлять один или более наборов товаров (B), в то время как B может принадлежать поставщику. Другими словами, товары могут существовать без поставщика, в то время как у поставщика есть товары. Т.е. возможно неконтролируемое ведение бизнеса: кто поставил товар? С кого спрашивать? А бизнесу проблемы нужны? Нет. Он должен давать прибыль. В этом случае лучше использовать mandatory-optional: поставщик может поставлять один или более наборов товаров, в то время как товар должен принадлежать поставщику. Другими словами, у товара есть поставщик, а данные о поставщиках, которые когда-то поставляли товар будут сохранены. И овцы целы и волки сыты - оператор может вводить данные и бизнесмен в кусе дел.

Optional-optional. Как видим у оператора опять все хорошо, а у бизнеса проблема - безконтрольность: Товар может существовать без поставщика и поставщик без товара.
Подведем итоги для связи один-ко-многим. Если сущности участвуют в связи как: - mandatory-mandatory, то такая связь не имеет права на жизнь, поскольку вводить записи одновременно в обе таблицы невозможно; - optional-optional, то сопровождение бизнеса проблематично.

Связи многие-ко-многим допустимы на ER-диаграммах, однако при преобразование в табличное представление такая связь заменяется промежуточной сущностью.

Многие-ко-многим mandatory-mandatory - такая конструкция часто имеет место в начале этапа анализа и означает связь - либо понятую не до конца и требующую дополнительного разрешения, либо отражающую простое коллективное отношение - двунаправленный список.

Многие-ко-многим mandatory-optional - применяется редко. Такие связи всегда подлежат дальнейшей детализации.

Рекурсивные связи. Эти связи предполагают, что записи таблицы могут быть логически связаны между собой.

Optional-optional один-к-одному. Для примера, который приведен на слайде эта связь означает, что любой мужчина (женщина) может состоять в браке с одной женщиной (мужчиной). Эта связь удобна для отслеживания истории брачующихся: впервые, повторно, ... Другими словами, связь альтернативного типа.

Optional-optional один-ко-многим. Пример связи приведен на слайде. Это классическая иерархия (древовидная структура). Связь, приведенную на слайде можно интерпретировать, например, так: любой сотрудник может быть подчинен только одному менеджеру, в то время как менеджер может руководить одним или многими сотрудниками.

Optional-optional М:М Пример связи приведен на слайде 3. Это сетевая структура.

Контрольный список вопросов к сущностям

• Отражает ли имя сущности суть данного объекта?
• Нет ли пересечения с другими сущностями?
• Имеются ли хотя бы два атрибута?
• Всего атрибутов не более восьми?
• Есть ли синонимы/омонимы данной сущности?
• Сущность определена полностью?
• Есть ли уникальный идентификатор?
• Имеется ли хотя бы одна связь?
• Существует ли хотя бы одна функция по созданию, поиску, корректировке, удалению, архивированию и использованию значения сущности?
• Ведется ли история изменений?
• Имеет ли место соответствие принципам нормализации данных?
• Нет ли такой же сущности в другой прикладной системе, возможно, под другим именем?
• Не имеет ли сущность слишком общий смысл?
• Достаточен ли уровень обобщения, воплощенный в ней?

Контрольный список вопросов к атрибутам:

• Является ли наименование атрибута существительным единственного числа, отражающим суть обозначаемого атрибутом свойства?
• Не включает ли в себя наименование атрибута имя сущности (этого быть не должно)?
• Имеет ли атрибут только одно значение в каждый момент времени?
• Отсутствуют ли повторяющиеся значения (или группы)?
• Описаны ли формат, длина, допустимые значения, алгоритм получения и т.п.?
• Не может ли этот атрибут быть пропущенной сущностью, которая пригодилась бы для другой прикладной системы (уже существующей или предполагаемой)?
• Не может ли он быть пропущенной связью?
• Нет ли где-нибудь ссылки на атрибут как на "особенность проекта", которая при переходе на прикладной уровень должна исчезнуть?
• Есть ли необходимость в истории изменений?
• Зависит ли его значение только от данной сущности?
• Если значение атрибута является обязательным, всегда ли оно известно?
• Есть ли необходимость в создании домена для этого и ему подобных атрибутов?
• Зависит ли его значение только от какой-то части уникального идентификатора?
• Зависит ли его значение от значений некоторых атрибутов, не включенных в уникальный идентификатор?