что называют связью между сущностями
Что называют связью между сущностями
При проектировании информационных систем с входящими в их состав базами данных удобно пользоваться классификацией моделей изображённой на рис. 1. Все модели данных делятся на три вида, используемые на трёх этапах проектирования. На первом этапе исследуется предметная область, выявляются в ней объекты и процессы, которые нужно будет отобразить в информационной системе при решении задач, для которых разрабатывается информационная система. Модель, используемая на этом этапе, служит для наглядного представления семантических связей в предметной области. Строгая формализация структуры данных на этом этапе не обязательна. Такие модели называются инфологическими. В настоящее время наиболее распространённой инфологической моделью является модель сущность-связь.
| Рис. 1. Модели данных |
После того как закончено исследование предметной области и детально поставлена задача проектирования можно переходить ко второму этапу, на котором проектируется база данных. На этом этапе используются формальные модели данных, в которые нужно преобразовать инфологическую модель. Такие модели, непосредственно используемые в базах данных, называются даталогическими. На рис.1 показаны три вида датологических моделей: иерархические, сетевые и реляционные.
Иерархическая модель имеет древовидную структуру. Каждая ветвь в такой структуре имеет одну родительскую ветвь и много дочерних. Примерами иерархических систем служат завод, система каталогов с файлами в ЭВМ. Завод состоит из цехов, цеха из участков, участки из станков с рабочими.
В иерархической системе элементы одного уровня не связаны непосредственно между собой. В ней нельзя непосредственно указать, что участок механического цеха снабжает деталями участок сборочного цеха. Нужна горизонтальная связь между элементами одного уровня иерархии. Поэтому для завода лучше подходит сетевая модель, в которой можно указать непосредственную связь любого элемента с любым.
Наибольшее распространение получили реляционные модели баз данных, о которых подробно будет рассказано в следующей лекции.
Базу данных независимо от её даталогической модели можно по-разному разместить на разных внешних носителях. Например, можно использовать жёский диск или твёрдотельную внешнюю память. Для описания физического размещения базы даных служит физическая модель.
МОДЕЛЬ СУЩНОСТЬ-СВЯЗЬ
Инфологическое моделирование
Информационая система (ИС) создаётся для решения задач некоторой организации (завода, банка, вуза, библиотеки и т.д.). Для создания и эксплуатации ИС требуется её описание. Полное, исчерпывающее, описание ИС должно включать в себя не только саму ИС, но и окружающую среду, то есть, должно быть описанием предметной области.
Существенной, если не главной частью ИС являются хранящиеся в ней данные. При проектировании ИС данные нужно представить в виде простой модели, отображающей смысл данных, их взаимосвязь и не привязываться при этом к конкретному типу базы данных. Такие модели получили название инфологических.
Инфологическую модель можно построить, опираясь только на интуитивное представление о данных.
На рис. 2 приведён простой (вырожденный) пример инфологической модели.
| Рис. 2. Инфологическая модель преподавателя |
Если нужно более подробно описать дисциплины и иметь возможность, зная дисциплину, найти ведущего её преподавателя, то модель придётся уcложнить, выделив дисциплину отдельно и связав её с преподавателем (рис. 3)
| Рис. 3. Инфологическая модель преподаватель-дисциплина |
Один преподаватель может вести много дисциплин и одну дисциплину могут вести много преподавателей. Такая связь называется многие ко многим и обозначается как M:N, а на рисунках часто как ∞ ←→ ∞.
| Рис. 4. Инфологическая модель для построения расписания занятий |
На рис. 5 изображена инфологическая модель библиотеки
| Рис. 5. Инфологическая модель библиотеки |
В 1976 году Чен предложил термин сущность, а состоящая из связанных между собой сущностей модель получила название модель сущность-связь (entity-relation).
Определение
Сущность состоит из множества экземпляров, обладающих одинаковым набором свойств.
Совокупность свойств, необходимая для отличия одного экземпляра от других, называется идентификатором сущности.
Рассмотрим подробно, какими бывают сами сущности, их свойства и связи. В литературе часто вместо термина свойство сущности используют атрибут сущности. Но термин атрибут отношения (колонка, столбец таблицы) применяют в реляционной модели. При одновременном применении обеих моделей может возникнуть путаница.
Виды сущностей
| Рис. 6. Тип и подтип |
Связи между сущностями
| Рис. 7. Связь между детьми и родителями |
Полной связью между двумя сущностями называется такая связь, при которой каждому экземпляру одной сущности соответствует хотя бы один экземпляр другой сущности. Например, каждому студенту соответствует група (одна) и каждой группе соответствуют студенты.
При частичной связи некоторые экземпляры одной сущности не связаны ни с одним экземпляром другой сущности. Например, не все студенты живут в общежитии.
Связь типа 1:1 между сущностями встречается нечасто. Теоретически всегда такие сущности можно объединить в одну. Связь 1:1 создают для лучшего понимания модели. Напимер, директора и завод лучше рассматривать как разные сущности. Связь 1:1 коварна кажущейся очевидностью, Например, у государства один глава: император, президент, царь и т.д., но в древнем Риме правили два консула.
Связь типа M:N, M>1, N>1(или ∞ ←→ ∞) требует при переходе к реляционной модели строить дополнительное отношение (таблицу связей). Примеры связей типа M:N приведены на рисунках 3, 4, 5.
Рекурсивные связи между равноправными экземплярами сущности. На рис. 9 экземпляры сущности студенты, живущие в общежитии, объединены по признаку (свойству) номер комнаты, в которой они живут.
| Рис. 9. Рекурсивные связи между студентами, живущими в одной комнате |
Рекурсивные связи между неравноправными экземплярами сущности. Так связаны между собой сотрудники и начальник отдела как экземпляры сущности Сотрудники института.
В одной сущности тип и подтип. Несколько экземпляров сущности, связанные одинаковым значением одного свойства, можно выделить в подтип, т.е. в новую сущность, являющуюся подтипом исходной. На рис. 6 в подтип выделены сотрудники, имеющие должность программист.
Примеры рекурсивных связей показывают, что между сущностями, связями и свойствами существуют очень сложные зависимости.
Свойства сущностей:
Простое свойство: фамилия.
Многозначные: награды, специальности.
Ключевое: номер зачётной книжки.
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МОДЕЛИ СУЩНОСТЬ-СВЯЗЬ
В РЕЛЯЦИОННУЮ МОДЕЛЬ
Связь один ко многим
Для задания связи один ко многим в отношеннии со стороны многие создаётся дополнительный атрибут внешний ключ (рис. 10). Внешний ключ принимает значения только из множества значений первичного ключа отношения со стороны один.
| Рис. 10.Преобразование модели сущность-связь со свзью 1:N в реляционную модель |
Связь многие ко многим
Для задания связи многие ко многим необходимо создать дополнительную таблицу связей (рис. 11), атрибутами которой служат внешние ключи, соответствующие первичным ключам связываемых таблиц.
| Рис. 11.Преобразование модели сущность-связь со свзью M:N в реляционную модель |
На рис. 12 показаны заполненные таблицы Prep, Disc и PrepDisс. Для того, чтобы указать, что преподаватель Андреев ведёт дисциплину Фортран, в таблице PrepDisc создана строка со значеиями KodP=1 и kodD=3.
| Рис. 12. Пример заполнения таблицы связей в реляционной модели. |
Связь степени К
Для связи степени К в реляционной модели строится таблица связи с К внешними ключами. На рис. 13 построены модель сущность-связь и реляционная модель для связи степени К=5.
Модель сущность-связь
2.2 Диаграммы сущность-связь
2.2.1 Сущности, связи, атрибуты
Сущность —это понятие, концепт, воображаемый объект, для которого у человека может быть создан четко отделяемый образ. Сущность задает некоторый набор объектов описываемого мира, в том числе процессов или атрибутов других объектов. Важно понимать, что сущность похожа на тип, но не на экземпляр. В дальнейшем мы будем говорить о типах сущностей, хотя употребление термина «тип» применительно к сущностям не совсем корректно. На ER-диаграммах сущность представляется прямоугольником, в котором обязательно указывается имя сущности. Дополнительно можно указывать примеры экземпляров сущности (рисунок 2.1). Примеры предназначены для человека, и позволяют с самого начала как-то ограничить множество экземпляров входящих в тип сущности.
Связь —это типовое понятие, устанавливающее правила связывания сущностей. Каждый экземпляр типа связи устанавливается между экземплярами типов сущностей. Может существовать рекурсивная связь между типом сущности и им самим (как бы его дубликатом).
Пока рассматриваем только бинарные связи, устанавливаемые между двумя типами сущностей. В нотации Чена их обозначают сплошной линией. О связях с большей арностью поговорим позднее.
Концы бинарной связи в ER-модели характеризуются:
Обозначения и примеры связей в первоначальной нотации, предложенной П. Ченом, приведены на рисунке 2.2
Обязательность связи определяет, любой ли экземпляр сущности участвует в некотором экземпляре связи.
Примеры типов связей приведены на рисунке 2.3. Слева изображена связь, которую следует читать в двух направлениях так:
Справа пример рекурсивной связи, которую следует читать так:
Для правильного прочтения связей следует помнить, что обязательность, обозначенная типом линии (сплошная или прерывистая) связана только со «своим» именем роли. Тип линии другого конца связи значения не имеет.
Обратите внимание на то, что чрезмерная краткость описания ролей в примере вызывает трудности в установлении смысла связи.
Задание уточнений степени конца связи определим на примерах:
Атрибут —это свойство сущности или связи, получаемое путем наблюдения или измерения. Информацию об экземпляре сущности выражают набором пар «атрибут — значение», как например на рисунке 2.4:
Пример множественного значения. В анкете предлагается подчеркнуть один или несколько предусмотренных ответов в качестве значения атрибута. Заполненная строка выглядит так: «Как часто вы занимаетесь базами данных (нужное подчеркнуть): часто, редко, довольно часто, довольно редко, по настроению, в дождливую погоду».
Значения атрибутов обычно принадлежат одному типу, но возможны бестиповые атрибуты.
Связи также имеют атрибуты. Выделим две их разновидности:
Пример: Сущности «Работник» и «Проект» со связью «Проект — Работник», содержащей атрибуты связи «Номер_работника», «Номер_проекта» и атрибут свойства связи «Ресурс_времени». Последний атрибут эмерджентный. Его смысл: планируются затраты времени работника на работу в рамках указанного проекта.
На рисунке 2.5 приведено графическое обозначение атрибутов и пример несложной ER-диаграммы. Названия ключевых атрибутов подчеркнуты. Обратите внимание, даже простая диаграмма воспринимается плохо. Причина по-видимому в том, что в ней не создается образ, отражающий агрегирован-ность атрибутов в сущность. Сравните это изображение с хорошо выстроенной эквивалентной диаграммой ERwin на рисунке 2.14.
Что называют связью 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
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:
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.
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:
Сущность может иметь несколько различных ключей.
Ключевые атрибуты изображаются на диаграмме подчеркиванием:
Связи позволяют по одной сущности находить другие сущности, связанные с нею.
Графически связь изображается линией, соединяющей две сущности:
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:
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 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:
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:
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
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.
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:
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:
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:
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.
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.
Что называют связью между сущностями
7.1. Назначение модели
7.2. Элементы модели
7.3. Диаграмма «сущность-связь»
7.4. Целостность данных
7.5. Обзор нотаций, используемых при построении диаграмм «сущность-связь»
7.1. Назначение модели
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, поскольку не определяет операций над данными и ограничивается описанием только их логической структуры.
7.2. Элементы модели
type employe = record
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).
[Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Проектирование информационно-управляющих систем. – М.: Радио и связь, 2007.]
Связь также может иметь атрибуты. Например, для связи ОТДЕЛ-РАБОТНИК можно задать атрибут СТАЖ_РАБОТЫ_В_ОТДЕЛЕ.
сущности наборы сущностей
Хотя, сторого говоря, понятия «связь» и «набор связей» различны (первая является элементом второго), их, тем не менее, очень часто смешивают. Поэтому, мы, не претендуя на академическую строгость, в дальнейшем также будем часто пользоваться терминами «связь» имея в виду «набор связей» и «сущность» имея в виду «набор сущностей».
[Димов Э.М., Диязитдинова А.Р., Качков Д.А. Проектирование информационных систем: Учебное пособие. – Самара: ПГАТИ, 2003. – 78 с.]
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».
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:
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.
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 даных. Соответственно, должны быть удалены и все сведения о плановых платежах по этому кредиту. Таким образом, сущность ПЛАТЕЖ зависит от сущности КРЕДИТ.
7.3. 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 7.5. 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.