Модель данных «сущность-связь»

Модель данных «сущность-связь» ввел в 1976 г. П. П. Чен. Она имеет много общего с иерархической и сетевой моделями данных и в силу своей ориентации на процесс проектирования может рассматриваться как обобщение и развитие ранее рассмотренных моделей. Описываемая модель допускает непосредственное представле­ние связей типа М: N.

Основные понятия . Модель «сущность -связь» базируется на представлении о том, что реальный мир состоит из различных сущностей, связанных определенными отношениями. Категории «сущность» и «связь» объявляются основополагающими, и разделение их производится на этапе создания конкретных представлений некоторой предметной области.

Каждая сущность принадлежит к некоторому классу или ему соответствует некоторый тип. Между сущностями имеются связи, за которыми пользователь закрепляет какой-то класс (тип). Таким образом, класс сущностей и класс связей определяют множества конкретных объектов и связей между ними. Заметим, что некоторая сущность может принадлежать более чем к одному классу (например, поставщик может одновременно быть и потребителем). В каждый момент времени состояние связи S между классами сущностей E 1 , Е 2 ..., Е n определяется отношением между множествами DOM E 1 , DOM E 2 , ..., DOM Е n , где DOM Е i , i = - множество объектов типа Е i .

Множество связей в модели «сущность - связь» можно представить в виде математического отношения п классов объектов:

где е i - сущность, принадлежащая множеству сущностей Е i , кортеж <e 1 e 2 ... е п > - связь из множества связей R. Необязательно, чтобы все E i , на которых определено R, были различными. Совокупность сущностей и классов связей образует верхний уровень модели.

Сущности и связи описываются характерными для них атрибутами. Среди атрибутов какой-нибудь сущности или связи выделяется подсписок, значения атрибутов которой однозначно идентифицируют сущность или связь в пределах типа. Сущности, связи и атрибуты образуют нижний уровень модели.

Графически модель «cущность - связь» представляется в виде схемы, в которой каждому классу объектов соответствует прямоугольник, а классу связей - шестиугольник (рис. 2.7). Под прямоугольником и шестиугольником указываются имена атрибутов сущностей и связей.

Рис. 2.7. Графическое представление модели «сущность-связь»:

а) класс сущностей; б) класс связей;

При изображении класса сущностей будем придерживаться следующих обозначений: ключевые атрибуты подчеркиваются, два различных класса сущностей не могут иметь одного имени.

На связи накладываются следующие ограничения:

типы связей между классами задаются парами (1:1, 1: N, N: 1, М: N). Когда значения М и N уточнены, берется максимальное значение;

одна связь может относиться ко многим сущностям и одна сущность может иметь много связей. В случае связей типа 1:1, 1: N, N: 1 не всегда нужно указывать имя связи.

Рассмотрим пример представления концептуальной схемы БД с помощью модели «сущность-связь» (рис. 2.8). Пусть имеются следующие приложения: управление поставками, складом, производством и договорами. Эти приложения могут использовать такие классы сущностей: ПОСТАВЩИК (поставщики), БАЗ-ДЕТ (базовые детали), ИЗД-УЗЕЛ (изделия и узлы), ДОГОВОР (договоры), СЛУЖАЩИЙ (служащие), ОТДЕЛ (отделы).

Рис. 2.8. Пример схемы модели «сущность-связь»

Для удовлетворения требований указанных выше приложений используются следующие связи между сущностями:

ВЫБРАТЬ - позволяет выбрать поставщика базового продукта в зависимости от условий продажи и поставки (эти условия задаются на схеме);

СБОРКА-БД - указывает базовые детали (материалы), которые непосредственно используются для производства изделия или узла, а также их число;

СБОРКА-УЗЕЛ - указывает узлы, непосредственно входящие в другие узлы или изделия, а также их число;

ПОСТ-БАЗ - связывает в договоре поставщиков с базовыми деталями;

НАЗНАЧИТЬ - характеризует в договоре изделия и узлы;

ОТВЕЧАЕТ - указывает ответственного за договор;

УЧАСТВУЕТ - связывает договор и людей, которые участвуют в его реализации;

РАБОТАЕТ - связывает отдел и людей, которые в нем работают;

РУКОВОДИТ - указывает руководителя данного отдела.

Схема модели «сущность-связь» может быть описана в виде, представленном на рис. 2.8.

Классы сущностей:

E1/ПОСТАВЩИК [НОМ-ПОСТ, ФАМ-ПОСТ, АДРЕС];

Е2/БАЗ-ДЕТ [НОМ-БДЗ-ДЕТ, НАИМ-БАЗ-ДЕТ, КОЛИЧ-НА-СКЛАДЕ, МИНИМ-КОЛИЧ];

Е3/ДОГОВОР [НОМ-ДОГ, ДАТА];

Классы связей:

L 1/ПОСТ-БАЗ L2 /ВЫБРАТЬ L3 /СБОРКА-БД

[ПОСТАВЩИК, БАЗ-ДЕТ, ДОГОВОР];

[ПОСТАВЩИК, БАЗ-ДЕТ: ЦЕНА, СРОК-ПОСТ];

[БАЗ-ДЕТ, ИЗД-УЗЕЛ: КОЛИЧ-БД];

Имена атрибутов связей отделяются двоеточием от имен классов сущностей.

Модель «сущность-связь» включает различные характеристики предметной области.

1. Связь может относиться к нескольким классам сущностей, например, связь ПОСТ-БАЗ соединяет классы сущностей ПОСТАВЩИК, БАЗ-ДЕТ, ДОГОВОР.

2. Связь может многократно относиться к одному классу сущностей, например связь СБОРКА-УЗЕЛ.

3. Многие связи могут относиться к одному классу сущностей, например связи РАБОТАЕТ и РУКОВОДИТ между сущностями СЛУЖАЩИЙ и ОТДЕЛ.

4. Модель отображает различные связи типа 1:1, 1: N , М: N.

5. Наличие двух классов сущностей для деталей БАЗ-ДЕТ и ИЗД-УЗЕЛ позволяет управлять: поставками деталей и находить поставщиков, опираясь на класс БАЗ-ДЕТ; процессом производства изделий, используя класс ИЗД-УЗЕЛ.

6. Два класса сущностей БАЗ-ДЕТ и ИЗД-УЗЕЛ имеют общие и специфические для них атрибуты. Наличие общих атрибутов приводит к некоторой избыточности данных. Специфические атрибуты требуются областью применения объектов.

В схеме (рис. 2.8) можно было бы рассматривать только функцию продажи изделий. В этом случае внешняя схема включала бы только сущности: базовые детали, узлы, изделия, которые нужно выделить вместе со связями между ними из концептуальной схемы. Во внешней схеме следует различать изделия и узлы, так как некоторая информация, требуемая для продажи, имеет отношение только к изделиям.

Для решения задач управления складом и производством изделий необходимо описать номенклатуру изделий и узлов, указывая: состав изделий из узлов и базовых деталей, состав узлов из подузлов и базовых деталей.

Для указания более конкретных связей между сущностями различают прямую и обратную связи. Каждой такой связи соответствует имя и пара чисел.

Рис. 2.9. Схема прямой и обратной связей

Например, в связи между сущностями СЛУЖАЩИЙ и ОТДЕЛ (рис. 2.9) прямая связь РАБОТАЕТ указывает на то, что служащий работает только в одном отделе; обратная связь СОДЕРЖИТ указывает на то, что отдел содержит не менее одного служащего (обычно много служащих). Другими словами, связь L между двумя классами сущностей А и В указывает на то, что сущность А связана, как минимум, с M и, как максимум, с N сущностями В. Иногда N может быть не определено.

Модель «сущность-связь» появилась в связи с потребностями проектирования БД. Она удовлетворяет двум важным критериям: во-первых, мощность ее средств позволяет представлять структуры и ограничения, свойственные реальному миру, и, во-вторых, разрыв между возможностями модели и промышленными СУБД не является слишком большим. Эти модели помогают проектировщикам контактировать с пользователями в процессе анализа и конструирования БД.

Реляционная модель

Основные понятия

В реляционной модели данных информация хранится в одной или нескольких связанных таблицах. Отдельная таблица обычно представляет совокупность (группу) либо реальных объектов, либо некоторых абстрактных концепций, либо событий одного типа. Каждая запись в таблице идентифицирует один объект группы. Таблица состоит из строк и столбцов, называемых записями и полями соответственно. Таблицы обладают следующими свойствами:

1. Каждый элемент таблицы представляет собой один элемент данных, т.е. группа значений в одном столбце одной строки недопустима;

2. Все столбцы в таблице однородные. Это означает, что элементы столбца имеют одинаковую природу. Столбцам присвоены имена;

3. В таблице нет двух одинаковых строк;

4. Порядок размещения строк и столбцов в таблице может быть произвольным. В операциях с такой таблицей ее строки и столбцы могут просматриваться в любом порядке безотносительно к их информационному содержанию и смыслу.

Таблицы, обладающие такими свойствами, являются точным прообразом математического двумерного множества – отношения (relation). Но эти два понятия не эквивалентны. Отношение – это абстрактный математический объект, а таблица – это конкретное изображение этого абстрактного объекта. Различие проявляется в их свойствах. В отношении строки и столбцы могут быть неупорядочены, а в таблице строки упорядочены сверху вниз, а столбцы слева направо. Строки в таблице могут повторяться строки, а в отношении нет.

В реляционной модели каждая строка таблицы уникальна. Это обеспечивается применением ключей, которые содержат одно или несколько полей таблицы. Ключи хранятся в упорядоченном виде, обеспечивающем прямой доступ к записям таблицы во время поиска. Связь между таблицами осуществляется посредством значений одного или нескольких совпадающих полей (преимущественно ключевых).

Приведем ряд терминов, применяющихся в реляционной модели:

· Отношением (relation) называется двумерное множество – таблица, удовлетворяющая вышеперечисленным требованиям;

· Атрибут – это свойство, характеризующие объект. В структуре таблицы каждый атрибут имеет имя и ему соответствует заголовок некоторого столбца таблицы. Количество атрибутов называется степенью отношения ;

· Кортежом (tuple) называется строка таблицы. В общем случае кортежи представляют собой набор пар <атрибут>, <значение>. Каждое значение должно быть атомарным, т.е. не может быть многозначным или составным. Следовательно, многозначные и составные атрибуты в реляционной модели не поддерживаются. Количество кортежей называется кардинальным числом ;

· Домен представляет собой множество всех возможных значений определенного атрибута отношения.

· Первичным ключом называется атрибут отношения, однозначно идентифицирующий каждый из его кортежей. Ключ может быть составным (сложным), т. е. состоять из нескольких атрибутов.

· Потенциальный ключ – это подмножество атрибутов отношения, обладающего следующими свойствами:

Свойством уникальности. Нет одинаковых кортежей с теми же значениями потенциальных ключей;

Свойством неизбыточности. Никакое из подмножеств потенциального ключа не обладает свойством уникальности.

Каждое отношение обязательно имеет комбинацию атрибутов, которая может служить ключом. Его существование гарантируется тем, что отношение – это математическое множество, которое не может содержать одинаковых кортежей, т.е. по крайней мере вся совокупность атрибутов обладает свойством однозначной идентификации кортежей отношения. Возможны случаи, когда отношение имеет несколько комбинаций атрибутов, каждая из которых однозначно определяет все кортежи отношения. Все эти комбинации атрибутов являются потенциальными или возможными ключами отношения. Один потенциальный ключ выбирается в качестве первичного, остальные будут называться вторичными (альтернативными). Могут быть даже такие ситуации, когда любой из потенциальных ключей может быть выбран в качестве первичного. Примером может служить таблица Менделеева, содержащая поля Имя , Символ и Атомное число . Потенциальные ключи имеют очень большое значение в реляционной теории. Они служат для адресации кортежей. Указав значение потенциального ключа мы гарантированно получим не более одного кортежа. Для отношений, связанных с другими «базовыми» отношениями, существуют еще внешние ключи, использующиеся для установления связи.

· Внешний ключ – это такой атрибут подчиненного отношения, который используется для установления связи с базовым отношением. Он содержит значения, всегда совпадающие с некоторыми значениями потенциального ключа базового отношения.

Исходя их вышеприведенных понятий, математически отношение можно описать следующим образом. Пусть даны n множеств Dl, D2, D3,..., Dn . Тогда отношение R есть множество упорядоченных кортежей<d1 , d2 , d3 ,..., dn >, где dk ÎDk , dk – атрибут, a Dk – домен отношения R.

В середине 70-х годов инженером IBM Коддом (Codd) была предложена модель данных, основанная на математических операциях исчисления отношений и реляционной алгебре. Основной структурной единицей этой модели являлось отношение (relation). Поэтому такая модель данных получила название реляционной. Коддом был также разработан язык манипулирования данных, представленных в виде отношений. Он предложил два эквивалентных между собой по своим выразительным возможностям варианта языка манипулирования данными:

5. Реляционная алгебра . Это процедурный язык, так как отношение, являющееся результатом запроса к реляционной БД, вычисляется при выполнении последовательности реляционных операторов, применяемых к отношениям. Операторы состоят из операндов, в роли которых выступают отношения, и реляционных операций. Результатом реляционной операции является отношение. Операции реляционной алгебры можно разделить на две группы. Первую группу составляют операции над множествами, к которым относятся операции объединения, пересечения, разности, деления и декартова произведения. Вторую группу составляют специальные операции над отношениями: проекция, выборка и соединение.

6. Реляционное исчисление . Это непроцедурный язык описательного или декларативного характера, содержащий лишь информацию о желаемом результате. Процесс получения этого результата скрыт от пользователя. К языкам такого типа относятся SQL и QBE. Первый основан на реляционном исчислении кортежей, второй – на реляционном исчислении доменов.

С помощью этих языков можно извлекать подмножество столбцов и строк таблицы, создавая таблицы меньшей размерности, а также объединять связанные данные из нескольких таблиц, создавая при этом таблицы большей размерности. Следовательно, различные пользователи могут выделять в реляционной БД различные наборы данных и связей между ними. Этот способ представления данных наиболее естественен и обозрим для конечного пользователя. Реляционная модель данных очень гибка, поскольку любое представление данных с некоторой избыточностью можно свести к двумерным таблицам.

Отношения

Теоретическим фундаментом реляционного подхода к БД является математическая теория отношений. Основные понятия и операции над отношениями используются в реляционных БД.

Основные понятия и способы представления отношений . Всякая система (математическая, информационная) непосредственно связана со множеством каких-то объектов , или элементов . Так, в математике используются множества чисел: натуральных, положительных, вещественных и др. В алгебре рассматриваются элементы, которые можно складывать, вычитать, умножать и т.д., а в геометрии - множества точек: прямые, линии, плоскости и т.д. Информационная система объекта, например, учебного заведения, содержит информацию о преподавателях, студентах, кафедрах, факультетах, лабораториях, расписании занятий и т. п.

Помимо элементов система включает в себя связи, отношения между ними. Так, числа а и b могут быть равны (а = b ) , не равны (а ≠ b ), а больше или равно b (а ≥ b ); фигуры А и В могут быть конгруэнтны (А = В ), А может содержать В (A B ); две прямые А и В могут быть параллельны (А || В ), перпендикулярны (). Студент а относится (принадлежит) к множеству А (студенты кафедры).

Все перечисленные отношения касаются двух объектов и поэтому называются бинарными отношениями или просто отношениями . Отношения между тремя объектами называются тернарными , а между n объектами - n-арными . Так, тернарным является отношение между объектами ЗАКАЗЧИК, ПОСТАВЩИК, ТОВАР.

Бинарным отношением R между множествами А и В (обозначается R (A , В )) называется любое множество упорядоченных пар (а , b ), где а А , b В . Если (а ,b ) R , то говорят, что а находится в отношении R к b , и записывают aRb , Поскольку множество упорядоченных пар (а , b ), где а A , b В , является декартовым произведением A ×В , то бинарным отношением будет любое подмножество этого произведения.

Пример 2.1. Возьмем множество поставщиков и множество предлагаемых товаров. Любое подмножество связей ПОСТАВЩИК - ТОВАР является бинарным отношением.

Пример 2.2. Пусть даны множества A = {1, 2, 3} и В = {2, 3, 4, 5, 6}. Декартово произведение A ×В - это множество пар:

(1, 2), (1, 3), …, (1, 6),

(2, 2), (2, 3), …, (2, 6),

(3, 2), (3, 3), …, (3, 6).

Построим бинарное отношение R , у которого первый элемент является делителем второго. Получим следующее бинарное отношение: R ={(1, 2), (1, 3), (1, 4), (1, 5), (1, 6), (2, 2), (2, 4), (2, 6), (3, 3), (3,6)}.

Пример 2.3. Пусть Ольга (О), Павел (П), Иван (И) - имена детей в семье. Отношением а - брат b будет:

R = {(П, О), (И, О), (П, И), (И, П)}.

В отношении R (A , В ) множество А , т.е. совокупность всех первых координат, называют областью определения отношения R , а множество B , т. е. множество всех вторых координат, - областью его значений . Так, для примера 3.3 область определения - множество {П, И}, а область значений- множество {О, П, И}.

Дополнением к бинарному отношению R будем называть отношение , которое определяет подмножество

= (A ×B )\R ,

т.е. a b тогда и только тогда, когда {a , b ) R . Так, для примера 2.2

= {(2, 3), (2, 5), (3, 2), (3, 4), (3, 5)}.

Бинарные отношения можно задавать различными способами: матрицами, графами, таблицами (сечениями). Отношение R (A , В ), где А = {а 1, а 2 , ..., a m }; B = {b 1, b 2 , ..., b n }, можно представить матрицей смежностей, строки которой соответствуют элементам A , а столбцы - элементам В ; на пересечении а i -й строки и b j -го столбца записана 1, если a i Rb j , и 0, если a i Rb j . Матрицы смежности для отношений R и для примера 2.2 имеют вид

R

Бинарное отношение R (A , В ) можно представить в виде ориентированного графа. Элементы множества А и В - вершины графа, причем ребром соединяются те и только те элементы а А , b В , для которых (a , b ) R. Так, в виде графа на рис. 2.10 представлено отношение для примера:

Рис. 2.10. Представление отношения R в виде графа

Пусть даны три множества А , В , С и два отношения R (A , В ) и S (B , С ). Композицией , или умножением , отношений R и S называют бинарное отношение RS (или R *S ) между элементами множеств А и С такое, что aRSc тогда и только тогда, когда существует хотя бы один элемент b В , при котором истинны aRb и bSc .

Пример 2.4. Рассмотрим множества

А = {а 1, а 2 , а 3 }, В = {b 1 , b 2 , b 3 }, С = {с 1 , c 2 , c 3 , c 4 }

и отношения

R (A , B ) = {(a 1 , b 2), (a 2 , b 1), (a 2 , b 3), (a 3 , b 4)},

S (B , C ) = {(b 1 , c 2), (b 2 , c 1)}.

Умножение отношений RS можно представить в виде графа (рис. 2.11.).

Умножение бинарных отношений ассоциативно, т. е. (RS )T = R (ST ). Пусть даны отношения R (A , В ), S (B , С ) и Т (С , D ). Тогда a (RS )Td = aR (ST )d , т.е. элемент а A тогда и только тогда находится в каждом из отношений (RS )T и R (ST ) к элементу d D , когда существуют такие элементы b В и c С , что aRb , bSc , cTd . Умножение отношений, однако, не является в общем случае коммутативным (перестановочным), т.е. RS ≠SR . Эта операция имеет место только в частных случаях (в этом случае говорят, что R и S перестановочны).

Пример2.5. Пусть даны множества

A = {a, b}, B = {a, b, c}, C = {b, c}

и отношения R (A , В ) = {(а , b ), (b , с )}, S (B , C ) = {(b , с ), (а , b )}. Тогда aRSc = aSRc для любых а А и c С .

Умножение k отношений R на множестве H , т.е. k -я степень R , обозначаемая R k , рекурсивно определяется следующим образом:

1) aR l b истинно, когда истинно aRb ;

2) aR i b для i >0 истинно, когда существует такое с А ,
что aRc и cR i - l b истинны.

Пусть имеем aR 3 b . Тогда существует такое с 1, что aRc 1 и c 1 R 2 b . Для c 1 R 2 b найдется такое с 2 , что c 1 Rc 2 и c 2 Rb , т. е. для аR 3 b есть такое с 1, с 2 А , что аRс 1 , c 1 Rc 2 и с 2 Rb .

Пусть в одном или нескольких множествах даны от­ношения R i (i пробегает множество индексов I ) и S . Тогда

, (2.1)

Согласно a [(UR i )S ]с существует такой элемент b , что a (Ri )b и bSc . А это, в свою очередь, равносильно существованию такого индекса i 0 , что a R b и bSc , т.е.

Рис. 2.11.Представление операции умножения отношений RS в виде графа

a(R S) c и поэтому a (R i S )c . Заметим, что в равенствах (3.1) объединение нельзя заменить пересечением. Из (3.1) следует, что если даны отношения R , R " и S , причем R R ", то

RS R "S , SR SR ". (2.2)

Действительно, так как R R ’ то R R " = R ", что приводит к равенству (R R ’) S = RS R ’S = R ’S , которое равносильно включению RS R "S .а, если для функционального отношения R симметричное ему отношение тоже функционально.

Всякому отношению R (A , В ) можно поставить в соответствие функцию f (x ), если его сечение по каждому х А либо пусто, либо есть элемент множества В . Если f (x ) всюду определена, т. е. область определения функции совпадает с А , то говорят, что отношение R (A , В ) есть отображение множества А в В . Функциональное отношение R (A , В ) вызывается отображением А в В , если для каждого а A существует один и только один элемент

Рис. 2.12. Представление функционального отношения R(A, В) в виде графа

b B , удовлетворяющий отношению aRb . Элемент b называется образом элемента а и обозначается aR , а элемент а - прообразом элемента b при отображении R . Совокупность всех прообразов элемента b в А при отображении R называется полным прообразом этого элемента в А .

Отображение можно задавать таблицей, состоящей из двух строк. В верхней строке записываются элементы а А , а под ними - соответствующие названным элементам прообразы из множества В . Например, таблица

определяет отображение множества {1, 2, 3, 4} в множество {2, 5, 1, 4}. При этом 1R = 2, 2R = 5, 3R =1, 4R = 4.

Пусть Р - отображение А в В , Q - отображение В в С . Умножение отображения PQ будет отображением А в С , и для любого x ?А справедливо x (PQ ) = (xP )Q . Действительно, пусть x (PQ )=c . Тогда для некоторого у В имеем хРу и yQc , откуда хР = у и поэтому с = (xP )Q . Обратно, из (xP )Q следует x (PQ ).

Умножение отображений, заданных таблицами, покажем на примере:

Отображение R называют сюръективным (сюръекцией ) или отображением множества А на множество В , когда каждый элемент b ?В имеет хотя бы один прообраз из А .

Пример 2.6. Пусть А и В - множества вещественных чисел. Отображением (сюръективным) А на В может быть функция, определенная формулой х → Зх + 5, т. е. х переходит в y = 3x + 5.

Функция х →у =х 2 определяет отображение множества A в Б , которое не является сюръективным, так как отрицательные числа из В не являются образами элементов из А .

Отображение R множества А в множество В называется взаимно однозначным, если обратное отношение R - l есть отображение В в А . Для взаимно однозначного отображения, заданного с помощью сечений, необходимо и достаточно, чтобы каждый элемент из В встречался в нижней строке таблицы один и только один раз. Так, три таблицы, приведенные ранее в качестве примера умножения отображений, соответствуют взаимно однозначным отображениям.

Взаимно однозначное отображение, для которого R всюду определено, называют инъективным (инъекцией ).

Пример 2.7. Пусть А - множество действительных чисел, В - множество положительных действительных чисел. Отображение х →у = е х является взаимно однозначным, так как каждому у соответствует х = ln y . Таким образом, имеем инъективное отображение, обратным для которого будет отображение у →х =ln y .

Взаимно однозначное отображение R между элементами одного множества, для которого R и R - l всюду определены, называется отображением на себя или биективным отображением . Биективное отображение является одновременно сюръективным и ииъективным.

При отображении некоторого множества самого в себя говорят, что отображение aRb переводит точку а в точку b . При aRa точку а называют неподвижной точкой отображения R . Если все точки множества A при отображении неподвижны, то отображение называют тождественным и обозначают Е А . Очевидно, что Е -1 =Е и для любого отображения R RE =ER = R . При задании отображения в себя с помощью сечений в нижней строке таблицы будут такие же элементы, как и в верхней (возможно, в другом порядке), и каждый из них встречается один и только один раз:

Матрица смежностей, соответствующая отображению в себя, является квадратной:

R

Представление отображения в себя в виде графа состоит из циклов (конечных или бесконечных).

В реальном проектировании структуры базы данных применяется 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:

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 " означает, что экземпляр одной сущности 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:

1. Список сущностей предметной области.
2. Список атрибутов сущностей.
3. 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 - явный кандидат на сущность.
• 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 - явная характеристика 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.

Логическая модель (Сущностная) данных является независимым логическим представлением данных.

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?

Назначение модели.

Хеширование.

Этот метод используется тогда, когда все множество ключей заранее известно и на время обработки может быть размещено в оперативной памяти. В этом случае строится специальная функция, однозначно отображающая множество ключей на множество указателей, называемая хеш-функцией (от английского слова "to hash" - резать, измельчать). Имея такую функцию можно вычислить адрес записи в файле по заданному ключу поиска. В общем случае, ключевые данные, используемые для определения адреса записи, организуются в виде таблицы, называемой хеш-таблицей.

Если множество ключей заранее неизвестно или очень велико, то от идеи однозначного вычисления адреса записи по ее ключу отказываются, а хеш-функцию рассматривают просто как функцию, рассеивающую множество ключей во множество адресов.

2.1.Представление данных с помощью модели "сущность-связь".

Прежде, чем приступать к созданию системы автоматизированной обработки информации, разработчик должен сформировать понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать данная система. Для того, чтобы привести эти понятия к той или иной модели данных, необходимо заменить их информационными представлениями. Одним из наиболее удобных инструментов унифицированного представления данных, независимого от реализующего его программного обеспечения, является модель "сущность-связь" (entity - relationship model, ER - model).

Модель "сущность-связь" основывается на некой важной семантической информации о реальном мире и предназначена для логического представления данных. Она определяет значения данных в контексте их взаимосвязи с другими данными. Важным для нас является тот факт, что из модели "сущность-связь" могут быть порождены все существующие модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектная), поэтому она является наиболее общей.

Отметим, что модель "сущность-связь" не является моделью данных в том смысле, как это было определено в параграфе 1.1.2, поскольку не определяет операций над данными и ограничивается описанием только их логической структуры.

Модель "сущность-связь" была предложена в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом.

Любой фрагмент предметной области может быть представлен как множество сущностей , между которыми существует некоторое множество связей . Дадим определения:

Сущность (entity) - это объект, который может быть идентифицирован неким способом, отличающим его от других объектов. Примеры: конкретный человек, предприятие, событие и т.д.

Набор сущностей (entity set) - множество сущностей одного типа (обладающих одинаковыми свойствами). Примеры: все люди, предприятия, праздники и т.д. Наборы сущностей не обязательно должны быть непересекающимися. Например, сущность, принадлежащая к набору МУЖЧИНЫ, также принадлежит набору ЛЮДИ.

Сущность, фактически, представляется множеством атрибутов , которые описывают свойства всех членов данного набора сущностей.

В дальнейшем для определения сущности и ее атрибутов будем использовать обозначение вида

СОТРУДНИК (ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР, ИМЯ, ВОЗРАСТ).

Например отделы, на которые подразделяется предприятие, и в которых работают сотрудники, можно описать как ОТДЕЛ (НОМЕР_ОТДЕЛА, НАИМЕНОВАНИЕ).

Множество значений (область определения) атрибута называется доменом . Например, для атрибута ВОЗРАСТ домен (назовем его ЧИСЛО_ЛЕТ) задается интервалом целых чисел больших нуля, поскольку людей с отрицательным возрастом не бывает.

В упомянутой статье П. Чена атрибут определяется как функция, отображающая набор сущностей в набор значений или в декартово произведение наборов значений . Так атрибут ВОЗРАСТ производит отображение в набор значений (домен) ЧИСЛО_ЛЕТ. Атрибут ИМЯ производит отображение в декартово произведение наборов значений ИМЯ, ФАМИЛИЯ и ОТЧЕСТВО.

Отсюда определяется ключ сущности - группа атрибутов, такая, что отображение набора сущностей в соответствующую группу наборов значений является взаимно однозначным отображением. Другими словами: ключ сущности - это один или более атрибутов, уникально определяющих данную сущность. В нашем примере ключом сущности СОТРУДНИК является атрибут ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР (конечно, только в том случае, если все табельные номера на предприятии уникальны).

Связь (relationship) - это ассоциация, установленная между несколькими сущностями. Примеры:

• поскольку каждый сотрудник работает в каком-либо отделе, между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ существует связь "работает в" или ОТДЕЛ-РАБОТНИК;
• так как один из работников отдела является его руководителем, то между сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ имеется связь "руководит" или ОТДЕЛ-РУКОВОДИТЕЛЬ;
• могут существовать и связи между сущностями одного типа, например связь РОДИТЕЛЬ - ПОТОМОК между двумя сущностями ЧЕЛОВЕК;

К сожалению, не существует общих правил определения, что считать сущностью, а что связью. В рассмотренном выше примере мы положили, что "руководит" - это связь. Однако, можно рассматривать сущность "руководитель", которая имеет связи "руководит" с сущностью "отдел" и "является" с сущностью "сотрудник".

Связь также может иметь атрибуты. Например, для связи ОТДЕЛ-РАБОТНИК можно задать атрибут СТАЖ_РАБОТЫ_В_ОТДЕЛЕ.

Роль сущности в связи - функция, которую выполняет сущность в данной связи. Например, в связи РОДИТЕЛЬ-ПОТОМОК сущности ЧЕЛОВЕК могут иметь роли "родитель" и "потомок". Указание ролей в модели "сущность-связь" не является обязательным и служит для уточнения семантики связи.

Набор связей (relationship set) - это отношение между n (причем n не меньше 2) сущностями, каждая из которых относится к некоторому набору сущностей.

В случае n=2 , т.е. когда связь объединяет две сущности, она называется бинарной. Доказано, что n -арный набор связей (n>2 ) всегда можно заменить множеством бинарных, однако первые лучше отображают семантику предметной области.

То число сущностей, которое может быть ассоциировано через набор связей с другой сущностью, называют степенью связи . Рассмотрение степеней особенно полезно для бинарных связей. Могут существовать следующие степени бинарных связей:

• один к одному (обозначается 1: 1 ). Это означает, что в такой связи сущности с одной ролью всегда соответствует не более одной сущности с другой ролью. В рассмотренном нами примере это связь "руководит", поскольку в каждом отделе может быть только один начальник, а сотрудник может руководить только в одном отделе. Данный факт представлен на следующем рисунке, где прямоугольники обозначают сущности, а ромб - связь. Так как степень связи для каждой сущности равна 1, то они соединяются одной линией.

Другой важной характеристикой связи помимо ее степени является класс принадлежности входящих в нее сущностей или кардинальность связи. Так как в каждом отделе обязательно должен быть руководитель, то каждой сущности "ОТДЕЛ" непременно должна соответствовать сущность "СОТРУДНИК". Однако, не каждый сотрудник является руководителем отдела, следовательно в данной связи не каждая сущность "СОТРУДНИК" имеет ассоциированную с ней сущность "ОТДЕЛ".

Таким образом, говорят, что сущность "СОТРУДНИК" имеет обязательный класс принадлежности (этот факт обозначается также указанием интервала числа возможных вхождений сущности в связь, в данном случае это 1,1), а сущность "ОТДЕЛ" имеет необязательный класс принадлежности (0,1). Теперь данную связь мы можем описать как 0,1:1,1 . В дальнейшем кардинальность бинарных связей степени 1 будем обозначать следующим образом:

• один ко многим (1: n ). В данном случае сущности с одной ролью может соответствовать любое число сущностей с другой ролью. Такова связь ОТДЕЛ-СОТРУДНИК. В каждом отделе может работать произвольное число сотрудников, но сотрудник может работать только в одном отделе. Графически степень связи n отображается "древообразной" линией, так это сделано на следующем рисунке.

Данный рисунок дополнительно иллюстрирует тот факт, что между двумя сущностями может быть определено несколько наборов связей.

Здесь также необходимо учитывать класс принадлежности сущностей. Каждый сотрудник должен работать в каком-либо отделе, но не каждый отдел (например, вновь сформированный) должен включать хотя бы одного сотрудника. Поэтому сущность "ОТДЕЛ" имеет обязательный, а сущность "СОТРУДНИК" необязательный классы принадлежности. Кардинальность бинарных связей степени n будем обозначать так:

• много к одному (n: 1 ). Эта связь аналогична отображению 1: n . Предположим, что рассматриваемое нами предприятие строит свою деятельность на основании контрактов, заключаемых с заказчиками. Этот факт отображается в модели "сущность-связь" с помощью связи КОНТРАКТ-ЗАКАЗЧИК, объединяющей сущности КОНТРАКТ(НОМЕР, СРОК_ИСПОЛНЕНИЯ, СУММА) и ЗАКАЗЧИК(НАИМЕНОВАНИЕ, АДРЕС). Так как с одним заказчиком может быть заключено более одного контракта, то связь КОНТРАКТ-ЗАКАЗЧИК между этими сущностями будет иметь степень n: 1 .

В данном случае, по совершенно очевидным соображениям (каждый контракт заключен с конкретным заказчиком, а каждый заказчик имеет хотя бы один контракт, иначе он не был бы таковым), каждая сущность имеет обязательный класс принадлежности.

• многие ко многим (n: n ). В этом случае каждая из ассоциированных сущностей может быть представлена любым количеством экземпляров. Пусть на рассматриваемом нами предприятии для выполнения каждого контракта создается рабочая группа, в которую входят сотрудники разных отделов. Поскольку каждый сотрудник может входить в несколько (в том числе и ни в одну) рабочих групп, а каждая группа должна включать не менее одного сотрудника, то связь между сущностями СОТРУДНИК и РАБОЧАЯ_ГРУППА имеет степень n: n .

Если существование сущности x зависит от существования сущности y , то x называется зависимой сущностью (иногда сущность x называют "слабой", а "сущность" y - сильной). В качестве примера рассмотрим связь между ранее описанными сущностями РАБОЧАЯ_ГРУППА и КОНТРАКТ. Рабочая группа создается только после того, как будет подписан контракт с заказчиком, и прекращает свое существование по выполнению контракта. Таким образом, сущность РАБОЧАЯ_ГРУППА является зависимой от сущности КОНТРАКТ. Зависимую сущность будем обозначать двойным прямоугольником, а ее связь с сильной сущностью линией со стрелкой:

Заметим, что кардинальность связи для сильной сущности всегда будет (1,1). Класс принадлежности и степень связи для зависимой сущности могут быть любыми. Предположим, например, что рассматриваемое нами предприятие пользуется несколькими банковскими кредитами, которые представляются набором сущностей КРЕДИТ(НОМЕР_ДОГОВОРА,СУММА, СРОК_ПОГАШЕНИЯ, БАНК). По каждому кредиту должны осуществляться выплаты процентов и платежи в счет его погашения. Этот факт представляется набором сущностей ПЛАТЕЖ(ДАТА, СУММА) и набором связей "осуществляется по". В том случае, когда получение запланированного кредита отменяется, информация о нем должна быть удалена из базы данных. Соответственно, должны быть удалены и все сведения о плановых платежах по этому кредиту. Таким образом, сущность ПЛАТЕЖ зависит от сущности КРЕДИТ.

2.2.Диаграмма "сущность-связь".

Очень важным свойством модели "сущность-связь" является то, что она может быть представлена в виде графической схемы. Это значительно облегчает анализ предметной области. Существует несколько вариантов обозначения элементов диаграммы "сущность-связь", каждый из которых имеет свои положительные черты. Краткий обзор некоторых из этих нотаций будет сделан в параграфе 2.4. Здесь мы будем использовать некий гибрид нотаций Чена (обозначение сущностей, связей и атрибутов) и Мартина (обозначение степеней и кардинальностей связей). В таблице 2.1 приводится список используемых здесь обозначений.

Таблица 2.1

Атрибуты с сущностями и сущности со связями соединяются прямыми линиями. При этом для указания кардинальностей связей используются обозначения, введенные в предыдущем параграфе.

В процессе построения диаграммы можно выделить несколько очевидных этапов:

1. Идентификация представляющих интерес сущностей и связей.
2. Идентификация семантической информации в наборах связей (например, является ли некоторый набор связей отображением 1:n ).
3. Определение кардинальностей связей.
4. Определение атрибутов и наборов их значений (доменов).
5. Организация данных в виде отношений "сущность-связь".

В качестве примера построим диаграмму, отображающую связь данных для подсистемы учета персонала предприятия.

Выделим интересующие нас сущности и связи:

1. Прежде всего, предприятие состоит из отделов, в которых работают сотрудники. Оклад каждого сотрудника зависит от занимаемой должности: инженер, ведущий инженер, бухгалтер, уборщик и т.д. Далее предположим, что на нашем предприятии допускается совместительство должностей, т.е. каждый сотрудник может иметь более чем одну должность (и работать более чем в одном отделе), причем может занимать неполную ставку. В то же время, одну и ту же должность могут занимать одновременно несколько сотрудников. В результате этих рассуждений мы должны ввести наборы сущностей

• ОТДЕЛ(ИМЯ_ОТДЕЛА),
• СОТРУДНИК(ТАБЕЛЬНЫЙ_НОМЕР, ИМЯ),
• ДОЛЖНОСТЬ(ИМЯ_ДОЛЖНОСТИ, ОКЛАД),

и набор связей РАБОТАЕТ_В с атрибутом ставка между ними. Атрибут ставка может принимать значения из интервала ]0,1] (больше нуля, но меньше или равен единице), он определяет какую часть должностного оклада получает данный сотрудник.

Как уже отмечалось выше, каждый n -арный набор связей можно заменить несколькими бинарными наборами. Сейчас как раз представляется удобный случай, чтобы оценить преимущества каждого из этих способов представления связей.

• Тренарная связь, показанная здесь, безусловно, несет более полную информацию о предметной области. Действительно, она однозначно отображает тот факт, что оклад сотрудника зависит от его должности, отдела, где он работает, и ставки. Однако, в этом случае возникают некоторые проблемы с определением степени связи. Хотя, как было сказано, каждый работник может занимать несколько должностей, а в штате каждого отдела существуют вакансии с различными должностями, тем не менее, класс принадлежности сущности ДОЛЖНОСТЬ на приведенном рисунке установлен в (1,1). Это объясняется тем, что ДОЛЖНОСТЬ ассоциируется фактически не с сущностями СОТРУДНИК и ОТДЕЛ, а со связью между ними. Обозначать этот факт предлагается так, как это показано на следующей диаграмме:

Здесь сущности СОТРУДНИК, ОТДЕЛ и связь РАБОТАЕТ_В агрегируются в некую новую абстрактную сущность, которая ассоциируется с сущностью ДОЛЖНОСТЬ с помощью связи степени n:1.

• Попытаемся отобразить ассоциации сотрудников, отделов и должностей с помощью бинарных связей.

В этом случае для адекватного описания семантики предметной области необходимо ввести еще одну сущность ШТАТНАЯ_ЕДИНИЦА, которая фактически заменяет собой связь РАБОТАЕТ_В в абстрактной сущности и поэтому имеет атрибут ставка .

Переход от n -арной связи через агрегацию сущностей к набору бинарных связей можно рассматривать как последовательные этапы одного процесса, который приводит к однозначному порождению реляционной модели данных. При построении диаграммы "сущность- связь" можно использовать любой из этих трех способов представления данных.

1. Перечисли ряд объектов, описанных в предыдущем параграфе, которые будут полезны при моделировании данных рассматриваемого предприятия. Им соответствуют следующие сущности:

• ЗАКАЗЧИК(ИМЯ_ЗАКАЗЧИКА,АДРЕС)
• КОНТРАКТ(НОМЕР,СРОК_НАЧАЛА,СРОК_ОКОНЧАНИЯ,СУММА)
• РАБОЧАЯ ГРУППА(ПРОЦЕНТ_ВОЗНАГРАЖДЕНИЯ)

Атрибут "процент вознаграждения" отражает ту долю стоимости контракта, которая предназначена для оплаты труда членов соответствующей рабочей группы. Смысл остальных атрибутов понятен без дополнительных пояснений. Связи между перечисленными сущностями также описаны в предыдущем параграфе.
Как правило, один из членов рабочей группы является руководителем по отношению к другим сотрудникам, входящим в ее состав. Для отражения этого факта мы должны ввести связь "руководит" с кардинальностью 1,1:0,n между сущностями СОТРУДНИК и РАБОЧАЯ_ГРУППА (сотрудник может руководить в произвольном числе рабочих групп, но каждая рабочая группа имеет одного и только одного руководителя).

1. Рассмотрим теперь более внимательно информационный объект "заказчик". На практике очень часто возникает необходимость различать национальную принадлежность юридических лиц, с которыми предприятие вступает в договорные отношения. Это связано с тем, что для зарубежных фирм необходимо хранить, например, сведения о валюте, в которой осуществляются расчеты, языке, на котором подписан контракт и т.д. В свою очередь, для отечественных компаний необходимо иметь сведения о их форме собственности (частная или государственная), поскольку от этого может зависеть порядок налогообложения средств, полученных за выполнение работ по контракту.
   Таким образом, мы приходим к выводу, что необходимо ввести в рассмотрение еще два непересекающихся множества ЗАРУБЕЖНОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ(ВАЛЮТА, ЯЗЫК) и ОТЕЧЕСТВЕННОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ(ФОРМА_СОБСТВЕННОСТИ), объединение которых составляет полное множество ЗАКАЗЧИК. Ассоциацию между этими объектами называют отношением наследования или иерархической связью , так как сущности ЗАРУБЕЖНОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ и ОТЕЧЕСТВЕННОЕ_ПРЕДПРИЯТИЕ наследуют атрибуты сущности ЗАКАЗЧИК(ИМЯ_ЗАКАЗЧИКА, АДРЕС). Для того, чтобы определить к какому подмножеству относится конкретная сущность из набора ЗАКАЗЧИК (и, соответственно, какой набор атрибутов она имеет) необходимо ввести атрибут "национальная принадлежность", называемый дискриминантом . Этот тип связи предлагается отображать на диаграмме следующим образом:

Обобщая все проведенные выше рассуждения, получим диаграму "сущность-связь", показанную на слудющем рисунке.

В заключение этого раздела читателю предлагается несколько вопросов для самостоятельной проработки:

1. Как изменится диаграмма "сущность - связь" в том случае, если процент вознаграждения по всем контрактам будет одинаков?
2. Что изменится в диаграмме, если будет запрещено совместительство должностей, т.е. каждый сотрудник будет иметь право занимать только одну должность со ставкой 1?

Модель "Сущность - связь"

ФИО

Байрамов Александр Мавлеевич

Место работы

МБОУ Средняя школа №6 г. Вязьма Смоленской области

Должность

Предмет

информатика и ИКТ

Эта страничка описывает и иллюстрирует использование модели «Сущность-связь» (entity-relationship model), введенной Питером Ченом (Peter Chen) в 1976 г. В этой статье Чен заложил основу модели, которая с тех пор расширялась и модифицировалась самим Ченом и многими другими. Кроме того, модель «Сущность-связь» вошла в состав множества CASE-инструментов, которые также внесли свой вклад в ее эволюцию. На сегодняшний день не существует единого общепринятого стандарта для модели «Сущность-связь», зато есть набор общих конструкций, которые лежат в основе большинства вариантов этой модели. Описанию этих общих конструкций и демонстрации их применения и посвящена данная глава. Символы, применяемые для графического представления модели «Сущность-связь», весьма различны. Мы обсудим не только традиционные символы, но и символы языка UML (Unified Model Language, унифицированный язык моделирования) - средства проектирования, завоевывающего все большую популярность среди программистов ООП и включающего в себя модель «Сущность-связь».

Ключевыми элементами модели «Сущность-связь» являются:

сущности

атрибуты

идентификаторы

связи

Сущности

Сущность (entity) - это некоторый объект, идентифицируемый в рабочей среде пользователя, нечто такое, за чем пользователь хотел бы наблюдать. Примерами сущностей могут служить СОТРУДНИК Мэри Доу, КЛИЕНТ 12345, ЗАКАЗ 1000, ПРОДАВЕЦ Джон Смит или ПРОДУКТ А4200. Сущности одного и того же типа группируются в классы сущностей (entity classes). Так, класс сущностей СОТРУДНИК является совокупностью всех сущностей СОТРУДНИК. В тексте книги классы сущностей обозначаются заглавными буквами.

Важно уяснить разницу между классом сущностей и экземпляром сущности. Класс сущностей - это совокупность сущностей, и описывается он структурой или форматом сущностей, составляющих этот класс. Экземпляр сущности (entity instance) представляет конкретную сущность, такую как КЛИЕНТ 12345; он описывается значениями атрибутов данной сущности. Обычно класс сущностей содержит множество экземпляров сущности. Например, класс КЛИЕНТ содержит множество экземпляров - по одному на каждого клиента, для которого имеется запись в базе данных. Пример класса сущностей и двух экземпляров сущности показан на рис. 1.

Рис. 1. КЛИЕНТ: пример сущности

Атрибуты

У сущностей есть атрибуты (attributes), или, как их иногда называют, свойства (properties), которые описывают характеристики сущности. Примерами атрибутов могут служить ИмяСотрудника, ДатаНайма и КодКвалификации. В тексте этого сайта атрибуты обозначаются как прописными, так и строчными буквами. В модели «сущность-связь» предполагается, что все экземпляры данного класса сущностей имеют одинаковые атрибуты.

Исходное определение модели «сущность-связь» включает в себя композитные атрибуты (composite attributes) и многозначные атрибуты (multi-valued attributes).

В качестве примера композитного атрибута можно привести атрибут Адрес, состоящий из группы атрибутов {Улица, Город, Штат, Индекс}. Примером многозначного атрибута может служить атрибут ИмяДоверенногоЛица сущности КЛИЕНТ, который может содержать имена нескольких доверенных лиц данного клиента.

Атрибут может быть одновременно и композитным, и многозначным - например композитный атрибут Телефон, состоящий из группы атрибутов {Код-Региона, МестныйНомер}, может быть многозначным, что позволит иметь в базе данных несколько телефонных номеров одного и того же лица. В большинстве реализаций модели «сущность-связь» однозначные композитные атрибуты игнорируются, и требуется, чтобы многозначные атрибуты (будь они составные или нет) преобразовывались в сущности, как будет показано ниже.

Идентификаторы

Экземпляры сущностей имеют идентификаторы (identifiers) - атрибуты, с помощью которых эти экземпляры именуются, или идентифицируются. Например, экземпляры сущностей класса СОТРУДНИК могут идентифицироваться по атрибутам НомерСоциальнойСтраховки, ТабельныйНомерСотрудника или ИмяСотрудника. Такие атрибуты, как Зарплата или ДатаНайма, вряд ли могут служить идентификаторами экземпляров сущностей класса СОТРУДНИК, поскольку обычно эти атрибуты не используются для однозначного указания на конкретного сотрудника. Подобно этому, сущности класса КЛИЕНТ могут идентифицироваться по атрибутам НомерКлиента или ИмяКлиента, а сущности класса ЗАКАЗ могут идентифицироваться по атрибуту НомерЗаказа.

Идентификатор экземпляра сущности состоит из одного или более атрибутов сущности. Идентификатор может быть уникальным (unique) либо неуникалъным (nonunique).

Если идентификатор является уникальным, его значение будет указывать на один и только один экземпляр сущности.

Если идентификатор является неуникальным, его значение будет указывать на некоторое множество экземпляров. ТабельныйНомерСотрудника является, скорее всего, уникальным идентификатором, а ИмяСотрудника - неуникальным (например, может быть несколько сотрудников по имени Джон Смит).

Идентификаторы, состоящие из нескольких атрибутов, называются композитными идентификаторами (composite identifiers). Примерами могут служить совокупности вида (КодРегиона, МестныйНомер}, (НазваниеПроекта, НазваниеЗадачи} и (Имя, Фамилия, ДобавочныйНомерТелефона}.

Связи

Взаимоотношения сущностей выражаются связями (relationships). Модель «сущность-связь» включает в себя классы связей и экземпляры связей. Классы связей (relationship classes) - это взаимоотношения между классами сущностей, а экземпляры связи (relationship instances) - взаимоотношения между экземплярами сущностей. У связей могут быть атрибуты.

Класс связей может затрагивать несколько классов сущностей. Число классов сущностей, участвующих в связи, называется степенью связи (relationship degree). Изображенная на рис. 2, а связь ПРОДАВЕЦ-ЗАКАЗ имеет степень 2, поскольку в ней участвуют два класса сущностей: ПРОДАВЕЦ и ЗАКАЗ. Связь РОДИТЕЛЬ на рис. 2; б имеет степень 3, так как в ней участвуют три класса сущностей: МАТЬ, ОТЕЦ и РЕБЕНОК. Связи степени 2 весьма распространены, их часто называют еще бинарными связями (binary relationships).

Рис.2. Различные степени связей: а - связь степени 2; б - связь степени 3

Три типа бинарных связей

На рис. 3 показаны три типа бинарных связей. В связи 1:1 («один к одному») одиночный экземпляр сущности одного типа связан с одиночным экземпляром сущности другого типа. На рис. 3, а связь СЛУЖЕБНЫЙ_АВТОМОБИЛЬ связывает одиночную сущность класса СОТРУДНИК с одиночной сущностью класса АВТОМОБИЛЬ. В соответствии с этой диаграммой, ни за одним сотрудником не закреплено более одного автомобиля, и ни один автомобиль не закреплен более чем за одним сотрудником.

Рис. 3. Три типа бинарных связей: а - бинарная связь 1:1; б - бинарная связь 1:N; в - бинарная связь N:М; г- представление связи с помощью разветвлений

На рис. 3, б изображен второй тип связи, 1:N («один к N» или «один ко многим»). В этой связи, которая называется ОБЩЕЖИТИЕ-ЖИЛЕЦ, единичный экземпляр сущности класса ОБЩЕЖИТИЕ связан со многими экземплярами сущности класса СТУДЕНТ. В соответствии с этим рисунком, в общежитии проживает много студентов, но каждый студент живет только в одном общежитии.

Позиция, в которой стоят 1 и N, имеет значение. Единица стоит на той стороне связи, где располагается ОБЩЕЖИТИЕ, а N стоит на той стороне связи, где располагается СТУДЕНТ. Если бы 1 и N располагались наоборот, и связь записывалась бы как N:l, получилось бы, что в общежитии живет один студент, причем каждый студент живет в нескольких общежитиях. Это, разумеется, не так.

На рис. 3, в показан третий тип бинарной связи, N:M (читается «N к М» или «многие ко многим»). Эта связь называется СТУДЕНТ-КЛУБ, и она связывает экземпляры сущностей класса СТУДЕНТ с экземплярами сущностей класса КЛУБ. Один студент может быть членом нескольких клубов, а в одном клубе может состоять много студентов.

Числа внутри ромба, символизирующего связь, обозначают максимальное количество сущностей на каждой стороне связи. Эти ограничения называются максимальными кардинальными числами, а совокупность из двух таких ограничений для обеих сторон связи называется максимальной кардинальностью (maximum cardinality) связи. Например, о связи, изображенной на рис. 3, б, говорят, что она обладает максимальной кардинальностью 1:N. Кардинальные числа могут иметь и другие значения, а не только 1 и N. Например, связь между сущностями БАСКЕТБОЛЬНАЯ_КОМАНДА и ИГРОК может иметь кардинальность 1:5, что говорит нам о том, что в баскетбольной команде может быть не более пяти игроков.

Связи трех типов, представленных на рис. 3, называются иногда связями типа «ИМЕЕТ», или связями обладания (HAS-A relationships). Такой термин используется потому, что одна сущность имеет (has) связь с другой сущностью. Например: сотрудник имеет автомобиль, студент имеет общежитие, клуб имеет студентов.

Схемы, изображенные на рис. 3, называются диаграммами «Сущность-связь», или ER-диаграммами (entity-relationship diagrams, ER-diagrams). Такие диаграммы стандартизированы, но не слишком жестко. В соответствии с этим стандартом, классы сущностей обозначаются прямоугольниками, связи обозначаются ромбами, а максимальное кардинальное число каждой связи указывается внутри ромба. Имя сущности указывается внутри прямоугольника, а имя связи указывается рядом с ромбом Хотя в некоторых ER-диаграммах имя связи указывается внутри ромба, получающаяся при этом диаграмма может выглядеть ужасно, поскольку ромбы приходится делать большого размера и вне масштаба, чтобы в них поместилось имя связи. Чтобы избежать этого, имена связей иногда пишут над ромбом. Когда имя помещается внутрь или поверх ромба, кардинальность связи изображается с помощью разветвлений на линиях, соединяющих сущность (или сущности) с множественной стороной связи. На рис. 3, г показаны связи ОБЩЕЖИТИЕ-ЖИЛЕЦ и СТУДЕНТ-КЛУБ с такими разветвлениями.

Как мы уже говорили, максимальная кардинальность показывает максимальное число сущностей, которые могут участвовать в связи. Каково же минимальное число таких сущностей, приведенные диаграммы не сообщают. Например, рис. 3, б показывает, что студент может проживать максимум в одном общежитии, однако из него не ясно, обязан ли студент проживать в каком-либо общежитии.

Для указания минимальной кардинальности (minimum cardinality) существует несколько способов. Один из них, продемонстрированный на рис. 4.

Рис. 4. Связь с указанной минимальной кардинальностью

Этот способ заключается в следующем: чтобы показать, что сущность обязана участвовать в связи, на линию связи помещают перпендикулярную черту, а чтобы показать, что сущность может (но не обязана) участвовать в связи, на линию связи помещают овал. Соответственно, рис. 4 показывает, что сущность ОБЩЕЖИТИЕ должна быть связана как минимум с одной сущностью СТУДЕНТ, однако сущность СТУДЕНТ не обязана иметь связь с сущностью ОБЩЕЖИТИЕ. Полный набор накладываемых на связь ограничений состоит в том, что ОБЩЕЖИТИЕ имеет минимальное кардинальное число, равное единице, и максимальное кардинальное число, равное «многим» сущностям СТУДЕНТ. СТУДЕНТ имеет минимальное кардинальное число, равное нулю, и максимальное кардинальное число, равное одному экземпляру сущности ОБЩЕЖИТИЕ.

Может существовать связь между сущностями одного и того же класса. Например, для сущностей класса СТУДЕНТ может быть определена связь СОСЕД_ПО_КОМНАТЕ. Такая связь показана на рис. 5, а, а на рис. 5, б изображены экземпляры сущностей, охваченных этой связью. Связи между сущностями одного и того же класса называются иногда рекурсивными связями (recursive relationships).

Рис.5 Рекурсивная связь