Максимов Н.В., Голицына О.Л., Васина Е.Н. Управление данными

Подождите немного. Документ загружается.

131

5.4.2.

Модель «Сущность-Связь»

Одной из наиболее популярных средств формализованного пред-

ставления предметной области систем, ориентированных на обработку

фактографической информации, является модель “сущность-связь” [21],

которая положена в основу значительного количества коммерческих

CASE-продуктов, поддерживающих полный цикл разработки систем баз

данных или отдельные его стадии. При этом многие из них не только

поддерживают стадию концептуального проектирования предметной

области разрабатываемой системы, но и позволяют осуществить на ос-

нове построенной их средствами модели стадию логического проекти-

рования путем автоматической генерации концептуальной схемы базы

данных для выбранной СУБД, например, схемы базы данных для како-

го-либо SQL-сервера или объектной СУБД.

Моделирование предметной области в этом случае базируется на

использовании графических диаграмм, включающих сравнительно не-

большое число компонентов и, самое важное – технологию построения

таких диаграмм

Семантическую основу ER-модели составляют следующие пред-

положения:

- та часть реального мира (совокупность взаимосвязанных объек-

тов), сведения о которых должны быть помещены в базу данных, может

быть представлена как совокупность сущностей;

- каждая сущность обладает характеристическими свойствами

(атрибутами), отличающими ее от других сущностей и позволяющими

ее идентифицировать;

- сущности можно классифицировать по типам сущностей: каж-

дый экземпляр сущности (представляющий некоторый объект) может

быть отнесен классу - типу сущностей, каждый экземпляр которого об-

ладает общими для них свойствами и отличающим их от сущностей дру-

гих классов;

- систематизация представления, основанная на классах, в общем

случае предполагает иерархическую зависимость типов: сущность типа

А является подтипом сущности B, если каждый экземпляр типа А явля-

ется экземпляром сущности типа B;

- взаимосвязи объектов могут быть представлены как связи –

сущности

, которые служат для фиксирования (представления) взаимо-

зависимости двух или нескольких сущностей.

Существует много версий ER-диаграмм, которые по-разному представляют связи, сущности и ат-

рибуты, и которые имеют различные ограничения и условия применимости. Приведенный здесь при-

мер не является полным и не претендует на точное соответствие какой либо версии построения ER-

диаграмм или CASE-продукту.

Такое определение связи, как сущности особого рода, отражает существо реляционного подхода,

для которого характерно единообразное представление сущностей всех типов, включая связи, посред-

ством переменных-отношений.

132

Здесь следует еще раз подчеркнуть информационную природу по-

нятия сущность и его соотношение с материальными или воображае-

мыми объектами предметной области. Любой объект предметной облас-

ти обладает свойствами, часть из которых выделяется как характеристи-

ческие - значимые с точки зрения прикладной задачи. При этом, напри-

мер, в процессе анализа и систематизации предметной области, обычно

выделяются классы – совокупности объектов, обладающих одинаковым

набором свойств, задаваемых в виде наборов атрибутов (значения ат-

рибутов для объектов одного класса естественно могут различаться).

Соответственно, на уровне представления предметной области (т.е. - ее

инфологической модели) объекту, рассматриваемому как понятие (объ-

ект в сознании человека), соответствует понятие сущность; объекту, как

части материального мира (и существующему независимо от сознания

человека), соответствует понятие экземпляр сущности; классу объектов

соответствует понятие тип сущности.

В дальнейшем, поскольку в инфологической модели рассматрива-

ются не отдельные экземпляры объектов, а классы, мы не будем разли-

чать соответствующие понятия этих двух уровней, т.е. будем предпола-

гать тождественность понятий объект и сущность, свойство объекта и

свойство сущности.

ER-модель, как описание предметной области, должна определить

объекты и взаимосвязи между ними, т.е. установить связи следующих

двух типов:

1. связи между объектами и наборами характеристических

свойств и таким образом определить сами объекты;

2. связи между объектами, задающие характер и функциональную

природу их взаимозависимости.

Как было отмечено ранее, ER-моделирование предметной области

базируется на использовании графических диаграмм, как простого (при-

вычного), наглядного и, в то же время, информативного и многоаспект-

ного способа отображения компонентов проекта. Поэтому изложение

основных положений ER-модели будет иллюстрироваться материалом

примера ER-диаграммы, приведенной на рис. 5.5.

133

Рис. 5.5. Пример ER-диаграммы

Сущность. Сущность, с помощью которой моделируется класс

однотипных объектов, определяется в [21] как «предмет, который может

быть четко идентифицирован». Так же, как каждый объект уникально

характеризуется набором значений свойств, сущность должна опреде-

ляться таким набором атрибутов, который позволял бы различать от-

дельные экземпляры сущности. Каждый экземпляр сущности должен

быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это тре-

бование аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в ре-

ляционных таблицах). Например, для однозначной идентификации каж-

дого экземпляра сущности «Сотрудник» вводится атрибут «Таб.номер»,

который вследствие своей природы будет всегда иметь уникальное зна-

чение в рамках предприятия. Т.е., уникальным идентификатором сущно-

сти может являться атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей

или комбинация связей и атрибутов, однозначно отличающая любой эк-

земпляр сущности от других экземпляров сущности того же типа.

Сущность имеет имя, уникальное в пределах модели. При этом

имя сущности - это имя типа, а не некоторого конкретного экземпляра.

Сущности подразделяются на сильные и слабые. Сущность являет-

ся слабой, если ее существование зависит от другой сущности – силь-

ной, по отношению к ней. Например, сущность «Подчиненный» являет-

В составе

Состоит из

Таб. номер

Ф.И.О.

Год. Рожд.

Специальность

Ин. язык

Адрес

Город

Улица

Дом

Сотрудник

Отдел

Подчинен-

ный

Деталь

Проект

Со-

Рук-во

Участие

Реализация

проекта

Состав

Подчи-

нение

Статус поставщи-

Имя поставщика

Объем поставки

ММ

Кол-во

134

ся слабой по отношению к сущности «Сотрудник»: если будет удалена

запись, соответствующая некоторому сотруднику, имеющему подчи-

ненных, то сведения о подчинении также должны быть удалены.

Свойства. Природа свойства, как характер связи свойства с сущ-

ностью (объектом), может быть различной. Рассмотрим основные виды

свойств.

Свойство может быть множественным или единичным – т.е. атри-

бут, задающий свойство, может одновременно иметь несколько значе-

ний или, соответственно, только одно. Например, сотрудник может

иметь несколько специальностей, но единственное значение «Таб. но-

мер».

Свойство может быть простым (не подлежащих дальнейшему де-

лению с точки зрения прикладных задач) или составным – если его зна-

чение составляется из значений простых свойств. Например, свойство

«Год рождения» является простым, а свойство «Адрес» - составным, т.к.

включает значения простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

В некоторых случаях полезно различать базовые и производные

свойства. Например, «Поставщик» может иметь свойство «Общее коли-

чество поставляемых деталей», которое вычисляется суммированием

количества деталей, поставляемых им по проекту.

Если наличие некоторого свойства для всех экземпляров сущности

не является обязательным, то такое свойство называется условным. На-

пример, не все сотрудники обладают свойством «ученая степень».

Значения свойств могут быть постоянными - статическими, или

динамическими, т.е. меняться со временем. Например, свойство «Таб.

номер» является статическим, а «Адрес» - динамическим. Свойство мо-

жет быть неопределенным, если оно является динамическим, но его те-

кущее значение еще не задано.

Свойство может рассматриваться как ключевое, если его значение

уникально и, возможно, в определенном контексте, однозначно иденти-

фицирует сущность. Например, подчиненный некоторого определенного

сотрудника.

Связи. Кроме связей между объектом и его свойствами, инфоло-

гическая модель отражает связи между объектами разных классов. В

[21] связь определяется как «ассоциация, объединяющая несколько сущ-

ностей». Эта ассоциация всегда может существовать между разными

сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь).

Как и сущность, связь является типовым понятием, т.е. все экзем-

пляры связываемых сущностей подчиняются правилам связывания ти-

пов. Принципиальность различия типов связей между типами и экземп-

лярами иллюстрируется ER-диаграммами для типов и экземпляров,

представленными на рис. 5.6.

135

Рис. 5.6. Примеры ER-диаграмм для типов и экземпляров сущностей

Сущности, объединяемые связью, называются участниками. Сте-

пень связи определяется количеством участников связи

Если каждый экземпляр сущности участвует, по крайней мере, в

одном экземпляре связи, то такое участие этой сущности называется

полным (или обязательным); в противном случае – неполным (или не-

обязательным).

Количественный характер участия экземпляров сущностей (один

или многие) задается типом связи (или мощностью связи). Возможны

следующие типы: «один к одному» (1:1), «один ко многим» (1:М), «мно-

гие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:М)

Следует отметить, что инструмент связей - это средство представ-

ления сложных объектов, каждый из которых может рассматриваться

как множество некоторым образом взаимосвязанных простых объектов.

Деление на простые и сложные объекты, также как и характер взаимо-

связи, является условным и определяется особенностям анализа пред-

метной области, т.е. в конце концов – характером использования данных

о предметах в решаемых прикладных задачах. При этом с точки зрения,

например, конструктора, ДЕТАЛЬ является сложным объектом, а с точ-

ки зрения поставщика – простым.

Среди многих разновидностей взаимосвязей наиболее частыми яв-

ляются такие отношения иерархического типа, как «часть-целое», «род-

вид».

Отношение «часть-целое» используются для представления со-

ставных объектов. Например, МАШИНЫ состоят из УЗЛОВ, УЗЛЫ со-

стоят из ДЕТАЛЕЙ. Здесь возможны как отношения «один ко многим»,

так и «многие ко многим».

В большинстве CASE-систем принята упрощенная форма: эта ассоциация всегда должна быть

бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же

самой (рекурсивная связь).

Согласно положениям реляционной модели «правильной» связью является только связь типа «мно-

гие ко многим», поскольку для ее реализации создается отдельная переменная-отношение. Связи

«один к одному», «один ко многим» всегда могут быть представлены с помощью механизма внешнего

ключа одной из переменных-отношения.

Сотрудник Проект

С1

С2

С3

Сn

П1

П2

Пm

Сот

ру

дники П

оекты

136

Отношение «род-вид» - для представления обобщенных объектов.

Например, СОТРУДНИКИ подразделяются по профессии на

КОНСТРУКТОРОВ, ПРОГРАММИСТОВ, РАБОЧИХ;

ПРОГРАММИСТЫ – на ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММИСТОВ и

СИСТЕМНЫХ ПРОГРАММИСТОВ. Иерархические отношения, и, в ча-

стности – «родо-видовые», обычно используются как основа классифи-

кации объектов по наборам характеристических признаков. Причем «ви-

довые» объекты наследуют свойства «родовых».

Другой широко используемой разновидностью взаимосвязи явля-

ется агрегирование – объединение простых объектов в сложный по

принципу их принадлежности агрегату или их совместного участия в

некотором процессе. Агрегирование, рассматриваемое здесь как более

общий случай иерархических отношений, объединяет объекты разной

природы с единственным общим свойством «совместное участие». Аг-

регированные объекты именуются обычно отглагольными существи-

тельными, например, «Состав»: ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ состоит из

СОТРУДНИКОВ; «Поставка»: ПОСТАВЩИК поставляет ДЕТАЛИ.

Супертипы и подтипы. Сущность может быть расщеплена на

два или более взаимно исключающих подтипов, каждый из которых

включает общие атрибуты и/или связи. Эти общие атрибуты и/или связи

явно определяются один раз на более высоком уровне. В подтипах могут

определяться собственные атрибуты и/или связи. В принципе выделение

подтипов может продолжаться на более низких уровнях, но в большин-

стве случаев оказывается достаточно двух-трех уровней.

Сущность, на основе которой определяются подтипы, называется

супертипом. Подтипы должны образовывать полное множество, т.е. лю-

бой экземпляр супертипа должен относиться к некоторому подтипу.

Иногда для полноты множества надо определять дополнительный под-

тип, например ПРОЧИЕ.

Подтип наследует свойства и связи супертипа. Например, тип

сущности ПРОГРАММИСТ является подтипом сущности

СОТРУДНИК. Программисты обладают всеми свойствами сотрудников

и участвуют во всех связях, однако обратные утверждения неверны.

Тип сущности, его подтипы, подтипы этих подтипов и т.д. обра-

зуют иерархию типов сущности, пример которой приведен на рис. 5.7.

137

Рис. 5.7. Пример иерархии типов сущности

5.4.3. ER- диаграмма

Как отмечалось ранее, одна из основных целей семантического

моделирования состоит в том, чтобы результаты анализа предметной

области были отражены в достаточно простом, наглядном но, в то же

время, формализованном и достаточно информативном виде.

В этом смысле ER-диаграмма является очень удачным решением.

В ней сочетаются функциональный и информационный подходы, что

позволяет представлять как совокупность выполняемых функций, так и

отношения между элементами системы, задаваемые структурами дан-

ных. При этом графическая форма позволяет отобразить в компактном

виде (за счет наглядных условных обозначений) типологию и свойства

сущностей и связей, а формализмы, положенные в основу ER-диаграмм,

позволяют использовать на следующем шаге проектирования логиче-

ской структуры базы данных строгий аппарат нормализации.

Сущности. Каждый тип сущности в ER-диаграммах представля-

ется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. В качестве

имени обычно используются существительные (или обороты существи-

тельного) в единственном числе. Для отражения сущностей слабых ти-

пов используются прямоугольники, стороны которых рисуются двой-

ными линиями. Например, в рассматриваемой далее ER-диаграмме, при-

веденной на рис 5.4, ПОДЧИНЕННЫЙ – сущность слабого типа.

Свойства. Свойства служат для уточнения, идентификации, ха-

рактеристики или выражения состояния сущности или связи. Свойства

Сотрудник

Программист Рабочий

Прикладной

программист

Системный

программист

Таб.номер

Ф.И.О.

Сист. Прогр.

Язык програм-

ми

ования

138

отображаются в виде эллипсов, содержащих имя свойства

. Эллипс со-

единяется с соответствующей сущностью или связью линией.

Имена ключевых свойств подчеркиваются. Например, свойство

«Таб.номер» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется двойной линией, если свойство много-

значное. Например, свойство «специальность» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется штриховой линией, если свойство произ-

водное. Например, свойство «кол-во» сущности ПОСТАВЩИК.

Эллипс соединяется пунктирной линией, если свойство условное.

Например, свойство «Ин. язык» сущности СОТРУДНИК.

Если свойство составное, то составляющие его свойства отобра-

жаются другими эллипсами, соединенными с эллипсом составного. На-

пример, свойство «Адрес» сущности СОТРУДНИК состоит из простых

свойств «Город», «Улица», «Дом».

Связи. Связь - это графически изображаемая ассоциация, уста-

навливаемая между сущностями. Каждый тип связи на ER-диаграмме

отображается в виде ромба с именем связи внутри

. В качестве имени

обычно используются отглагольные существительные.

Стороны ромба рисуют двойными линиями, если это связь сущно-

сти слабого типа с сущностью от которой она зависит. Например, связь

«Подчинение», связывающая сущность слабого типа ПОДЧИНЕННЫЙ

с сущностью СОТРУДНИК, от которой она зависит.

Участники связи соединены со связью линиями. Двойная линия

обозначает полное участие сущности в связи с данной стороны. Напри-

мер, связь «Подчинение», со стороны сущности ПОДЧИНЕННЫЙ.

Связь может быть модифицирована указанием роли. Например,

для рекурсивной связи «Состав», указаны роли: «Деталь состоит из …»

и «Деталь входит в состав …».

Тип связи указывается индексами «1» или «М» над соответствую-

щей линией. Например, связь «Руководство» имеет тип «один ко мно-

гим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь

«Участие» имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участ-

вовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать многие со-

трудники.

В большинстве CASE-систем имена свойств заносятся в прямоугольник, изображающий сущность,

под именем сущности и изображаются малыми буквами, возможно, с примерами.

В большинстве CASE-систем связь всегда должна быть бинарной или рекурсивной. В этом случае в

ER-диаграмме связь представляется в виде линии, связывающей две сущности или ведущей от сущ-

ности к ней же самой. В любой связи выделяются два конца (в соответствии с существующей парой

связываемых сущностей), на каждом из которых указывается имя конца связи, степень конца связи

(сколько экземпляров данной сущности связывается), обязательность связи (т.е. любой ли экземпляр

данной сущности должен участвовать в данной связи). При этом в месте "стыковки" связи с сущно-

стью используются трехточечный вход в прямоугольник сущности, если для этой сущности в связи

могут использоваться много экземпляров сущности, и одноточечный вход, если в связи может участ-

вовать только один экземпляр сущности. Обязательный конец связи изображается сплошной линией,

а необязательный - прерывистой линией.

139

5.4.4.

Нормальные формы ER-диаграмм

Как и в реляционных схемах баз данных, в ER-диаграммах вводит-

ся понятие нормальных форм, причем их смысл очень близко соответст-

вует смыслу реляционных нормальных форм. Приведем краткие и не-

формальные определения трех первых нормальных форм.

В первой нормальной форме ER-диаграммы устраняются повто-

ряющиеся атрибуты или группы атрибутов, т.е. производится выявление

неявных сущностей, "замаскированных" под атрибуты.

Во второй нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие

только от части уникального идентификатора. Эта часть уникального

идентификатора определяет отдельную сущность.

В третьей нормальной форме устраняются атрибуты, зависящие

от атрибутов, не входящих в уникальный идентификатор. Эти атрибуты

являются основой отдельной сущности.

На рис. 5.8 представлена ER-диаграмма рис. 5.5 в третьей нор-

мальной форме.

5.5. Даталогические модели

Задачей следующей стадии проектирования системы базы данных

является выбор подходящей СУБД и отображение в ее среду (структур

данных) спецификаций инфологической модели предметной области.

Другими словами, модель предметной области разрабатываемой систе-

мы должна быть представлена в терминах модели данных концептуаль-

ного уровня выбранной конкретной СУБД. Эту стадию называют логи-

ческим (или даталогическим) проектированием базы данных, а ее ре-

зультатом является концептуальная схема базы данных, включающая

определение всех информационных элементов (единиц) и связей, в том

числе задание типов, характеристик и имен.

Хотя даталогическое проектирование оперирует не физическими

записями, а логическими понятиями, связанными со структурой базы

данных, тем не менее, особенности представления данных, правила и

языки агрегирования и манипулирования данными имеют определяю-

щее влияние. Не все виды связей, например, «многие ко многим», могут

быть непосредственно отображены в логической модели.

Кроме того, может быть много вариантов отображения инфологи-

ческой модели предметной области в даталогическую модель базы.

Здесь следует учитывать влияние двух следующих значимых факторов,

связанных с практикой разработки базы данных.

Во-первых, связи предметной области могут отображаться двумя

путями, как декларативным - в логической схеме, так и процедурным –

отработкой связей через программные модули, обрабатывающие (связы-

вающие) соответствующие хранимые данные.

140

Во-вторых, существенным фактором может оказаться характер об-

работки информации. Например, частые обращения к совместно обраба-

тываемым данным очевидно предполагают их совместное хранение, а

данные (особенно большой размерности), к которым обращаются редко,

целесообразно хранить отдельно от часто используемых.

Рассмотрим по шагам общий подход к построению реляционной

базы данных на основе инфологической модели, представленной ER-

диаграммой.

Рис. 5.8. Пример ER-диаграммы в третьей нормальной форме

5.5.1. Получение реляционной схемы из ER-диаграммы

1. Каждая простая сущность превращается в таблицу (отношение).

Имя сущности становится именем таблицы.

2. Каждый атрибут становится возможным столбцом с тем же

именем. Столбцы, соответствующие необязательным атрибутам, могут

содержать неопределенные значения; столбцы, соответствующие обяза-

тельным атрибутам, - не могут. Если атрибут является множественным,

то для него строится отдельное отношение.

В составе

Состоит из

Специаль-

ность

Сотруд-

ник

Отдел

Подчинен-

ный

Деталь

Проект

Состав

Рук-во

Уча-

ти

Реализа-

ция про-

екта

Состав

Под-

чине-

ие

Объем

М М

Имеет

Ин. язык

Вла-

деет

Поставщик

По-

ставка