ER-модель базы данных
Модель сущность-связь (англ. entity-relationship model, ERM, ER-модель) позволяет описывать концептуальные схемы предметной области.
ER-модель используется при высокоуровневом проектировании баз данных. С её помощью можно выделить ключевые сущности и обозначить связи, которые могут устанавливаться между этими сущностями. ER-модель это формальная конструкция, не определяющая графических средств её представления. В качестве стандартного графического представления ER-модели, была разработана диаграмма сущность-связь ER-диаграмма (Entity Relationship Diagram - ER - диаграмма). При проектирования баз данных происходит преобразование ER-модели в конкретную схему базы данных.
Как известно, базовым понятием реляционных БД является таблица (отношение). Таблица используется для структуризации и хранения информации. В реляционных БД каждая ячейка таблицы содержит одно значение. Кроме того, внутри одной БД существуют взаимосвязи между таблицами, каждая из которых задает совместное пользование данными таблицы.
ER-диаграмма графически представляет структуру данных проектируемой БД. Сущности отображаются при помощи прямоугольников, таблиц, содержащих имя сущности - таблицы БД. Взаимосвязи сущностей отображаются в виде линий, соединяющих отдельные сущности.
Взаимосвязь показывает, что данные одной сущности ссылаются или связаны с данными другой.
Степень конца связи указывается графически, множественность связи изображается в виде "вилки" на конце связи. Модальность связи так же изображается графически - необязательность связи помечается кружком на конце связи. Именование связи выражается одним глаголом (рис.13).
Рис.13.
Атрибуты сущности записываются внутри прямоугольника, изображающего сущность, и выражаются существительным в единственном числе.
Среди атрибутов выделяется ключ сущности. При создании сущности необходимо выделить группу атрибутов, которые могут быть первичным ключом, затем произвести отбор атрибутов для включения в состав первичного ключа:
· Первичный ключ должен быть подобран таким образом, чтобы по значениям атрибутов, в него включенных, можно было точно идентифицировать экземпляр сущности.
· Никакой из атрибутов первичного ключа не должен иметь нулевое значение.
· Значения атрибутов первичного ключа не должны меняться. Если значение изменилось, значит, это уже другой экземпляр сущности.
При выборе первичного ключа, как правило, в сущность вводится дополнительный атрибут, который становиться ключом.
Так, для определения первичного ключа часто используют уникальные номера, которые могут автоматически генерироваться системой при добавлении экземпляра сущности в БД. Применение уникальных номеров облегчает процесс индексации и поиска в БД.
Первым шагом при создании логической модели БД является построение ER-диаграммы, состоящей из трех частей: сущностей, атрибутов и взаимосвязей.
Разработано множество инструментов визуального создания ER - диаграмм для различны платформ. В настоящем проекте использовалась разработка MySQL Workbench .
Этот инструмент упрощает проектирование баз данных и обслуживание, автоматизирует, отнимающие много времени и подверженные ошибкам задачи и улучшает связь среди команд разработчиков и архитекторами БД. Он позволяет архитекторам данных визуализировать требования, общаться с заинтересованными лицами по вопросам проектирования прежде, чем будут сделаны инвестиции в проект. Это обеспечивает управляемое моделью проектирование баз данных, которое является самой эффективной методологией для того, чтобы создать реальные и хорошо продуманные базы данных. ER - диаграмма базы данных системы дистанционного тестирования (control_tests ) изображена на рисунке (рис.14). Две вертикальные черточки с одной стороны и "трезубец" с другой обозначают соответственно "связь один ко многим".
Рис. 14. ER - диаграмма базы данных control_test системы дистанционного тестирования
Нормализация базы данных
В реляционной теории БД нет универсальных предписаний, законов для проектирования надежной, спроектированной раз и навсегда базы данных. Разработчики выбирают свои решения по проекту базы данных, полагаясь во многом на опыт, интуицию, различные инструменты и методы проектирования.
Тем не менее, некоторые каноны, правила все-таки существуют. К таким правилам относятся правила нормализации, т.е. приведения отношений к нормальной форме.
ER-диаграммы (рис. 2) используются для разработки данных и представляют собой стандартный способ определения данных и отношений между ними. Таким образом, осуществляется детализация хранилищ данных. ER-диаграмма содержит информацию о сущностях системы и способах их взаимодействия, включает идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей). Во многих случаях информационная модель очень сложна и содержит множество объектов.
Рис. 2. Пример ER-диаграммы
Сущность изображается в виде прямоугольника, вверху которого располагается имя сущности (например, TITLES). В прямоугольнике могут быть перечислены атрибуты сущности; атрибуты ER-диаграмм, набранные полужирным шрифтом1, являются ключевыми (так Title Identity - ключевой атрибут сущности TITLES, остальные атрибуты ключевыми не являются).
Отношение изображается линией между двумя сущностями (синие линии на рисунке).
Одиночная линия справа (рис. 3) означает «один», «птичья лапка» слева - «многие», а отношение читается вдоль линии, например «один ко многим». Вертикальная черта означает «обязательно», кружок - «не обязательно», например для каждого издания в TITLE обязательно должен быть указан издатель в PUBLISHERS, а один издатель в PUBLISHERS может выпускать несколько наименований изданий в TITLES. Следует отметить, что связи всегда комментируются (надпись на линии, изображающей связь).
Рис. 3. Элемент ER-диаграммы
Приведем также пример (рис. 4) изображения рефлексивного отношения «сотрудник», где один сотрудник может руководить несколькими подчиненными и так далее вниз по иерархии должностей.
Следует обратить внимание на то, что такое отношение всегда является необязательным, в противном случае это будет бесконечная иерархия.
Рис. 4. ER-диаграмма рефлексивного отношения
Атрибуты сущностей могут быть ключевыми - они выделяются полужирным шрифтом; обязательными - перед ними ставится знак «*», то есть их значение всегда известно, необязательными (optional) - перед ними ставится О, то есть значения этого атрибута в какие-то моменты могут отсутствовать или быть неопределенными.
Если сущность имеет набор взаимоисключающих отношений с другими сущностями, то говорят, что такие отношения находятся в дуге. Например, банковский счет может быть оформлен или для юридического лица, или для физического лица. Фрагмент ER-диаграммы для такого типа отношений приведен на рис. 5.
Рис. 5. Дуга
В этом случае атрибут ВЛАДЕЛЕЦ сущности СЧЕТ имеет особое значение для данной сущности - сущность делится на типы по категориям: «для физического лица» и «для юридического лица». Полученные в результате сущности называют подтипами, а исходная сущность становится супертипом. Чтобы понять, нужен супертип или нет, надо установить, сколько одинаковых свойств имеют различные подтипы. Следует отметить, что злоупотребление подтипами и супертипами является довольно распространенной ошибкой. Изображают их так, как показано на рис. 6.
Рис. 6. Подтипы (справа) и супертип (слева)
Цель работы
Ознакомление с методами и алгоритмом создания модели «Сущность-связь».
Основные понятия модели «Сущность-связь». ER-модели.
Инфологическая модель применяется на втором этапе проектирования БД, после словесного описания предметной области. Она должна включать такое формализованное описание предметной области, которое легко будет «читаться» как специалистами по базам данных, так и всеми пользователями. Это описание должно быть настолько емким, чтобы можно было оценить глубину и корректность проработки проекта БД, и конечно, оно не должно быть привязано к конкретной СУБД. Выбор СУБД - это отдельная задача, для корректного ее решения необходимо иметь проект, который не привязан ни к какой конкретной СУБД.
Инфологическое проектирование, прежде всего, связано с попыткой представления семантики предметной области в модели БД, которая слабо отражается в сетевых, иерархических моделях данных.
Было предложено несколько моделей данных, названных семантическими моделями. У всех этих моделей были свои положительные и отрицательные стороны, но фактическим стандартом при инфологическом моделировании баз данных стала только модель «сущность-связь», или Entity Relationships. Общепринятым стало сокращенное название ER-модель, а большинство современных CASE-средств содержат инструментальные средства для описания данных в формализме этой модели. Кроме того, разработаны методы автоматического преобразования проекта БД из ER-модели в реляционную БД, при этом одновременно выполняется преобразование в модель конкретной СУБД. Все CASE-системы имеют развитые средства документирования процесса разработки, автоматические генераторы отчетов позволяют подготовить отчет о текущем состоянии проекта с подробным описанием объектов БД и их отношений, что существенно облегчает ведение проекта.
Как любая модель, модель «сущность-связь» имеет несколько базовых понятий, из которых строятся более сложные объекты по заранее определенным правилам. Эта модель в наибольшей степени согласуется с концепцией объектно-ориентированного проектирования, которая является базовой для разработки сложных программных систем.
Рассмотрим базовые понятия, лежащие в основе ER-модели.
1. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов. Сущность имеет имя, уникальное в пределах моделируемой системы. Так как сущность соответствует некоторому классу однотипных объектов, то предполагается, что в системе существует множество экземпляров данной сущности. Объект, которому соответствует понятие сущности, имеет свой набор атрибутов - характеристик, определяющих свойства данного представителя класса. При этом набор атрибутов должен быть таким, чтобы можно было различать конкретные экземпляры сущности. Например, у сущности Сотрудник может быть следующий набор атрибутов: Табельный номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата рождения, Количество детей, Наличие родственников за границей. Набор атрибутов, однозначно идентифицирующий конкретный экземпляр сущности, называют ключевым. Для сущности Сотрудник ключевым будет атрибут Табельный номер, поскольку для всех сотрудников данного предприятия табельные номера различны. Экземпляром сущности Сотрудник будет описание конкретного сотрудника предприятия. Одно из общепринятых графических обозначений сущности - прямоугольник, в верхней части которого записано имя сущности, а ниже перечисляются атрибуты, причем ключевые атрибуты помечаются,например, подчеркиванием или специальным шрифтом, как показано ниже:
2. Между сущностями могут быть установлены связи - бинарные ассоциации, показывающие, каким образом сущности соотносятся или взаимодействуют между собой. Связь может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). Она показывает, как связаны экземпляры сущностей между собой. Еслисвязь устанавливается между двумя сущностями, то она определяет взаимосвязь между экземплярами одной и другой сущности. Например, если есть связь между сущностью «Студент» и сущностью «Преподаватель» и эта связь - руководстводипломными проектами, то каждый студент имеет только одного руководителя, но один и тот же преподаватель может руководить множеством студентов-дипломников. Поэтому это будет связь «один-ко-многим» (1:М), один со стороны «Преподаватель» и многие со стороны «Студент» (рис. 10.1.).
3. В разных нотациях мощность связи изображается по-разному. В рассмотренном примере множественность изображается путем разделения линии связи на 3. Связь имеет общее имя «Дипломное проектирование» и имеет имена ролей со стороны обеих сущностей. Со стороны студента эта роль называется «Делает проект под руководством», со стороны преподавателя эта связь называется «Руководит». Графическая интерпретация связи позволяет сразу прочитать смысл взаимосвязи между сущностями, она наглядна и легко интерпретируема. Связи делятся на три типа по множественности: один-к-одному (1:1), один-ко-многим (1:М), многие-ко-многим (М:М). Связь один-к-одному означает, что экземпляр одной сущности связан только с одним экземпляром другой сущности. Связь 1: М означает, что один экземпляр сущности, расположенный слева по связи, может быть связан с несколькими экземплярами сущности, расположенными справа по связи. Связь «многие-ко-многим» (М:М) означает, что один экземпляр первой сущности может быть связан с несколькими экземплярами второй сущности, и наоборот, один экземпляр второй сущности может быть связан с несколькими экземплярами первой сущности. Например, связь типа «Изучает» между сущностями «Студент» и «Дисциплина» есть связь типа «многие-ко-многим» (М:М), т. к. каждый студент может изучать несколько дисциплин, а каждая дисциплина изучается множеством студентов. Такая связь изображена на рис. 10.2.
4. Между двумя сущностями может быть задано сколько угодно связей с разными смысловыми нагрузками. Например, между двумя сущностями «Студент» и «Преподаватель» можно установить две смысловые связи, одна - рассмотренная уже ранее «Дипломное проектирование», а вторая может быть условно названа «Лекции», и она определяет, лекции каких преподавателей слушает данный студент и каким студентам данный преподаватель читает лекции. Ясно, что это связь типа многие-ко-многим .
5. Связь любого из этих типов может быть обязательной, если в данной связи должен участвовать каждый экземпляр сущности, и необязательной - если не каждый экземпляр сущности должен участвовать в данной связи. При этом связь может быть обязательной с одной стороны и необязательной с другой стороны. Обязательность связи тоже по-разному обозначается в разных нотациях. Необязательность связи может обозначаться пустым кружочком на конце связи, а обязательность перпендикулярной линией, перечеркивающей связь. И эта нотация имеет простую интерпретацию. Кружочек означает, что ни один экземпляр не может участвовать в этой связи. А перпендикуляр интерпретируется как то, что по крайней мере один экземпляр сущности участвует в этой связи.
В ранее приведенном примере связи «Дипломное проектирование» эта связь интерпретируется как необязательная с двух сторон. На самом деле каждый студент, который делает диплом, должен иметь своего руководителя дипломного проектирования, но, с другой стороны, не каждый преподаватель ведет дипломное проектирование. Поэтому в данной смысловой постановке изображение этой связи изменится, и будет выглядеть таким, как представлено на рис. 10.3.
В результате построения модели предметной области в виде набора сущностей и связей получаем связный граф. В полученном графе необходимо избегать циклических связей - они выявляют некорректность модели.
Пример создания ER-модели
Спроектируем инфологическую модель системы, предназначенной для хранения информации о книгах и областях знаний, представленных в библиотеке. Разработку модели начнем с выделения основных сущностей.
Прежде всего, существует сущность «Книги»; каждая книга имеет уникальный шифр, который является ее ключом, и ряд атрибутов, которые взяты из описания предметной области. Множество экземпляров сущности определяет множество книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Книги» соответствует не конкретной книге, стоящей на полке, а описанию некоторой книги, которое дается обычно в предметном каталоге библиотеке. Каждая книга может присутствовать в нескольких экземплярах, и это как раз те конкретные книги, которые стоят на полках библиотеки. Чтобы отразить это, следует ввести сущность «Экземпляры», которая должна содержать описания всех экземпляров книг, которые хранятся в библиотеке. Каждый экземпляр сущности «Экземпляры» соответствует конкретной книге на полке. Каждый экземпляр имеет уникальный инвентарный номер, однозначно определяющий конкретную книгу. Кроме того, каждый экземпляр книги может находиться либо в библиотеке, либо на руках у некоторого читателя, и в последнем случае для данного экземпляра указываются дополнительно дата взятия книги читателем и дата предполагаемого возврата книги.
Между сущностями «Книги» и «Экземпляры» существует связь (1:М), обязательная с двух сторон. Чем определяется данный тип связи? Каждая книга может присутствовать в библиотеке в нескольких экземплярах, поэтому - связь 1:М. При этом если в библиотеке нет ни одного экземпляра данной книги, то мы не будем хранить ее описание, поэтому если книга описана в сущности«Книги», то по крайней мере один экземпляр этой книги присутствует в библиотеке.Это означает, что со стороны книги связь обязательная. Что касается сущности «Экземпляры», то не может существовать в библиотеке ни одного экземпляра, который бы не относился к конкретной книге, поэтому и со стороны «Экземпляры» связь тоже обязательная.
Теперьнеобходимо определить, как в системе будет представлен читатель. Естественно предложитьввести для этого сущность «Читатели», каждый экземпляр которой будет соответствовать конкретному читателю. В библиотеке каждому читателю присваивается уникальный номер читательского билета, который однозначно идентифицирует читателя. Номер читательского билета будет ключевым атрибутом сущности «Читатели». Кроме того, в сущности «Читатели» должны присутствовать дополнительные атрибуты, которые требуются для решения поставленных задач; этими атрибутами будут: «Фамилия Имя Отчество», «Адрес читателя», «Телефон домашний» и «Телефон рабочий». Кроме того, в сущности «Читатели» следует ввести атрибут «Дата рождения», который позволитконтролировать возраст читателей.
Каждый читательможет держать на руках несколько экземпляров книг. Для отражения этой ситуации следует провести связь между сущностями «Читатели» и «Экземпляры», т. к. читатель берет из библиотеки конкретный экземпляр конкретной книги, а не просто книгу. А узнать, какая книга у данного читателя можно по дополнительной связи между сущностями «Экземпляры» и«Книги», и эта связь каждому экземпляру ставит в соответствие одну книгу, поэтому всегда можно однозначно определить, какие книги находятся на руках у читателя, хотя связываем с читателем только инвентарные номера взятых книг. Между сущностями «Читатели» и «Экземпляры» установлена связь 1:М, и при этом она не обязательная с двух сторон. Читатель в данный момент может не держать ни одной книги на руках, а с другой стороны, данный экземпляр книги может не находиться ни у одного читателя, а просто стоять на полке в библиотеке.
Теперь следует отразить последнюю сущность, связанную с системным каталогом, который содержит перечень всех областей знаний, сведения по которым содержатся в библиотечных книгах. Название области знаний может быть длинным и состоять из нескольких слов, поэтому для моделирования системного каталога введем сущность «Системный каталог» с двумя атрибутами: «Код области знаний» и «Название области знаний». Атрибут «Код области знаний» будет ключевым атрибутом сущности.
Из описания предметной областиизвестно, что каждая книга может содержать сведения из нескольких областей знаний, а с другой стороны, в библиотеке может присутствовать множество книг, относящихся к одной и той же области знаний, поэтому необходимо установить между сущностями «Системный каталог» и «Книги» связь М:М, обязательную с двух сторон. Действительно, в системном каталоге не должно присутствовать такой области знаний, сведения по которой не представлены ни в одной книге библиотеки. И обратно, каждая книга должна быть отнесена к одной или нескольким областям знаний для того, чтобы читатель мог ее быстрее найти.
ER-модель предметной области «Библиотека» представлена на рис. 10.4.
Инфологическая модель «Библиотека» разработана под задачи, перечисленные ранее. В них нет условия хранения истории чтения книги, например, с целью поиска того, кто раньше держал книгу и мог нанести ей вред. Если бы была поставлена задача хранения и этой информации, то инфологическая модель была бы другой.
Нормализация ER-диаграмм
Инфологическая модель используется на ранних стадиях разработки проекта. Если понимать язык условных обозначений, которые соответствуют категориям ER-модели, то ее можно легко «читать», следовательно, она доступна для анализа программистам-разработчикам, которые будут разрабатывать отдельные приложения. Она имеет однозначную интерпретацию, в отличие от некоторых предложений естественного языка, и поэтому здесь не может быть никакого недопонимания со стороны разработчиков.
Специалисты всегда предпочитают выражать свои мысли на некотором формальном языке, который обеспечивает однозначную их трактовку. Таким языком для программистов является язык алгоритмов. Любой алгоритм имеет однозначную интерпретацию. Он реализуется на разных языках программирования, но сам алгоритм остается неизменным. Для описания алгоритмов используются разные формализмы.
Условным общепринятымязыком описания базы данных стал язык ER-модели. Для ER-модели существует алгоритм однозначного преобразования ее в реляционную модель данных, что позволило в дальнейшем разработать множество инструментальных систем, поддерживающих процесс разработки информационных систем, базирующихся на технологии баз данных. И во всехэтихсистемах существуют средства описания инфологической модели разрабатываемой БД с возможностью автоматической генерации той даталогической модели, на которой будет реализовываться проект в дальнейшем.
Правила преобразования ER-модели в реляционную БД
Рассмотрим правила преобразования ER-модели в реляционную БД.
1. Каждой сущности ставится в соответствие отношение реляционной модели данных. При этом имена сущности и отношения могут быть различными, т. к. на имена сущностей могут не накладываться дополнительные синтаксические ограничения, кроме уникальности имени в рамках модели. Имена отношений могут быть ограничены требованиями конкретной СУБД, чаще всего эти имена являются идентификаторами в некотором базовом языке, они ограничены по длине и не должны содержать пробелов и некоторых специальных символов. Например, сущность может быть названа « Книжный каталог», а соответствующее ей отношение желательно назвать, например, BOOKS (без пробелов и латинскими буквами).
2. Каждый атрибут сущности становится атрибутом соответствующего отношения. Переименование атрибутов должно происходить в соответствии с теми же правилами, что и переименование отношений в п. 1. Для каждого атрибута задается конкретный допустимый в СУБД тип данных и обязательность или необязательность данного атрибута.
3. Первичный ключ сущности становится PRIMARY KEY соответствующего отношения. Атрибуты, входящие в первичный ключ отношения, автоматически получают свойство обязательности.
4. В каждое отношение, соответствующее подчиненной сущности, добавляется набор атрибутов основной сущности, являющейся первичным ключом основной сущности. В отношении, соответствующем подчиненной сущности, этот набор атрибутов становится внешним ключом.
5. Для моделирования необязательного типа связи нафизическом уровне у атрибутов, соответствующих внешнему ключу, устанавливается свойство допустимости неопределенных значений. При обязательном типе связи атрибуты получают свойство отсутствия неопределенных значений.
Возможно, создать только одно отношение для всех подтипов одного супертипа. В него включают все атрибуты всех подтипов.Однако тогда для ряда экземпляров ряд атрибутов не будет иметь смысла. И даже если они будут иметь неопределенные значения, потребуются дополнительные правила различения одних подтипов от других. Достоинством такого представления является то, что создается всего одно отношение.
При втором способе для каждого подтипа и для супертипа создаются свои отдельные отношения. Недостатком такого способа представления является то, что создается много отношений, однако достоинств у такого способа больше, так как вы работаете только со значимыми атрибутами подтипа. Кроме того, для возможности переходов к подтипам от супертипа необходимо в супертип включить идентификатор связи.
7. Дополнительно при описании отношения между типом и подтипами необходимо указать тип дискриминатора. Дискриминатор может быть взаимоисключающим или нет. Если установлен данный тип дискриминатора, то это значит, что один экземпляр сущности супертипа связан только с одним экземпляром сущности подтипа и для каждого экземпляра сущности супертипа существует потомок. Кроме того, необходимо указать для второго способа, наследуется ли только идентификатор супертипа в подтипы, или наследуются все атрибуты супертипа.
8. Если в ER-схеме имеется связь (связи) М:М, которые реляционная модель не поддерживает, вводится специальное связующее отношение, которое связано с каждым исходным отношением связью 1:М. Атрибутами этого отношения являются первичные ключи связываемых отношений.
Алгоритм приведения семантической модели к 3НФ
Алгоритм приведения семантической модели к 3-й нормальной форме может быть следующим:
1. Проанализировать схему на присутствие сущностей, которые скрыто моделируют несколько разных взаимосвязанных классов объектов реального мира (именно это соответствует ненормализованным отношениям). Если такое выявлено, разделить каждую из этих сущностей на несколько новых сущностей и установить между ними соответствующие связи; полученная схема будет находиться в первой нормальной форме.
2. Проанализировать все сущности, имеющие составные первичные ключи, на наличие неполных функциональных зависимостей непервичных атрибутов от атрибутов возможного ключа. Если такие зависимости обнаружены, разделить данные сущности на 2, определить для каждой сущности первичные ключи и установить между ними соответствующие связи. Полученная схема будет находиться во второй нормальной форме.
3. Проанализировать неключевые атрибуты всех сущностей на наличие транзитивных функциональных зависимостей. При обнаружении таковых расщепить каждую сущность на несколько таким образом, чтобы ликвидировать транзитивные зависимости. Схема находится в третьей нормальной форме.
Используя рассмотренные положения, нормализуем ER-схему. Результат нормализации приведен на рис. 5. При нормализации схемы в нее введено отношение «Связи Книги-каталог», содержащее атрибуты «ISBN» и «Код области знаний», служащие для реализации связи М:М «Книги – систематический каталог», а в отношение «Экземпляры» для его связи с отношениями «Книги» и «Читатели» введены атрибуты «№ читательского билета» и «ISBN». Стрелки указывают направление связей.
Можно показать, что схема рис. 10.5 удовлетворяет требованиям 3-й нормальной формы.
Порядок выполнения работы
1. Проведитесемантическийанализ предметной области для приведенного ниже примера.
Пример. Предметная область ИС: Отдел кадров.
Минимальный список характеристик:
Фамилия, имя, отчество, домашний адрес, телефон, дата рождения, должность, дата зачисления, стаж работы, образование;
фамилия, имя, отчество, и даты рождения членов семьи каждого сотрудника;
наименование подразделения, количество штатных единиц, оклад, фонд заработной платы за месяц и за год.
2. Используя приведенную выше методику, представьте предметную область в виде ER-модели.
3. Используя рассмотренную выше методику нормализации ER-модели, приведите разработанную ER-модель к 3НФ.
4. Результаты работы по всем этапам отобразите в отчете.
Как было отмечено ранее, одна из основных целей семантического моделирования состоит в том, чтобы результаты анализа предметной области были отражены в простом, наглядном, но в то же время формализованном и достаточно информативном виде.
В этом смысле моделирование предметной области, базирующееся на использовании графических диаграмм, является удачным решением. 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, дают возможность сформулировать конечный набор правил проектирования логической структуры базы данных.
Диаграмма– графическое представление множества элементов, чаще всего изображаемое в виде связного графа с вершинами-объектами и ребрами-отношениями. На ER-диаграмме вершинами являются сущности и (например, в нотации Чена) свойства сущностей. Ребра ER-диаграммы представляют собой связи между сущностями и между сущностью и ее свойствами.
Существует несколько различных нотаций (языков) изображения ER-диаграмм. Исторически первой является нотация Чена; в семействе стандартов IDEF модель «сущность-связь» реализуется нотацией IDEF1Х; используются нотации Мартина и Баркера, а также графические элементы UML.
Рис. 5.5. ER-диаграмма в нотации UML
Нотация UML. На рис. 5.5 приведен пример ER-диаграммы ПрО в нотации UML.
Унифицированный язык моделирования UML (Unified Modeling Language) представляет собой язык для определения, представления, проектирования и документирования программных систем, организационно-экономических систем, технических систем и других систем различной природы. Структуру UML составляет стандартный набор диаграмм и нотаций.
Главными в разработке UML были следующие цели:
Предоставить готовый к использованию выразительный язык визуального моделирования, позволяющий разрабатывать осмысленные модели и обмениваться ими;
Предусмотреть механизмы расширяемости базовых концепций языка;
Обеспечить независимость от конкретных языков программирования и процессов разработки.
Интегрировать лучший практический опыт.
В настоящее время UML находится в процессе стандартизации, проводимом организацией по стандартизации в области объектно-ориентированных методов и технологий (OMG - Object Management Group).
Рассмотрим правила изображения сущностей, свойств и связей в этой нотации.
Каждый тип сущности в ER-диаграммах нотации UML представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности и перечень свойств сущности. В качестве имени сущности обычно используется существительное в единственном числе (например, ОТДЕЛ, ПРОЕКТ, СОТРУДНИК). Имя сущности указывается в верхней части прямоугольника с прописной буквы, имена свойств перечисляются в нижней части прямоугольника и начинаются со строчной буквы.
Слабые сущности характеризуются тем, что их нельзя однозначно идентифицировать только с помощью собственных атрибутов (в силу их зависимости от «родительских» сущностей и невозможности самостоятельного существования). На ER-диаграммах слабые сущности не имеют первичных ключей (например, сущность ПОДЧИНЕННЫЙ)
Свойства служат для уточнения, идентификации, характеристики или выражения состояния сущности или связи. Отражение на ER-диаграммах типологии свойств представлено в табл. 5.2.
Таблица 5.2. Изображение типов свойств в UML
| Тип свойства | Описание | Пример |
| Свойство первичного ключа | после имени свойства в фигурных скобках помещается идентификация первичного ключа {PK} |  |
| Многозначное | после имени свойства в квадратных скобках задаются возможные границы изменения количества значений |  |
| Производное | имя свойства начинается с наклонной черты «/» |  |
| Условное (необязательное) | после имени свойства в квадратных скобках задаются возможные границы изменения количества значений |  |
| Составное | под именем составного свойства перечисляются с отступом вправо имена простых свойств |  |
Бинарные связи обозначаются линиями с указанием имени связи и мощности связи со стороны каждой сущности. Мощность связи определяет количество объектов, соединяемых с каждым объектом на другом конце связи:
1..* - один или более;
0..* - ноль или более;
1 – ровно один;
0..1 – может быть один.
Может быть задан также диапазон (например,1..10) или точное количество, отличное от 1
Для обозначения n -арной связи используется ромб, внутри которого указывается имя связи. Кратность n -арной связи для каждой сущности показывает, каким может быть количество ее объектов в случае, если со стороны остальных сущностей-участниц в связи участвует ровно по одному объекту. Например, трехсторонняя связь на рис. 5.6 определяет, что поставлять партии любых деталей для любого проекта может любой поставщик.
Рис. 5.6. Пример трехсторонней связи
Присутствие в задании мощности связи значения «0» объявляет связь как неполную (необязательную). Например, связь РАБОТАЕТ между сущностями ОТДЕЛ и СОТРУДНИК на рис. 5.5 должна читаться следующим образом: «Каждый сотрудник обязательно работает только в одном отделе; в отделе работает произвольное число сотрудников или не работает ни одного».
Связь может быть модифицирована указанием роли. Например, для рекурсивной связи СОСТАВ на рис. 5.5 указаны роли: «Деталь состоит из …» и «Деталь в составе …».
Связь «многие ко многим» может иметь собственные свойства, характеризующие взаимодействие сущностей (например, связи УЧАСТИЕ и РЕАЛИЗАЦИЯ ПРОЕКТА на рис. 5.5). В этом случае для изображения связи используется графический элемент, соответствующий слабой сущности. Прямоугольник сущности присоединяется к линии связи (или к ромбу в случае n -арной связи) пунктирной линией.
Нотация Чена. Каждый тип сущности в нотации Чена представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности (существительное в единственном числе).
Связь (и бинарная, и n -арная) на ER-диаграмме отображается в виде ромба с именем связи внутри. В качестве имени обычно используются отглагольные существительные.
Свойства отображаются в виде эллипсов, содержащих имя свойства. Эллипс соединяется с соответствующей сущностью или связью линией (рис. 5.7).
Рис. 5.7. Фрагмент ER-диаграммы в нотации Чена
Участники связи соединены со связью линиями. Двойная линия обозначает полное (обязательное) участие сущности в связи с данной стороны. Например, обязательная связь РУКОВОДСТВО со стороны сущности ПРОЕКТ (рис. 5.8) означает, что у каждого проекта должен быть руководитель. Однако не каждый сотрудник должен руководить проектом.
Тип связи указывается индексами «1» или «М» над соответствующей линией. Например, связь РУКОВОДСТВО (рис. 5.8) имеет тип «один ко многим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь УЧАСТИЕ (рис. 5.7) имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участвовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать многие сотрудники.
При построении моделей информационных систем важнейшей методикой является ER-моделирование или построение диаграмм сущность-связь. Сущность представляет собой класс одинаковых по смыслу элементов, используемых в информационной системе. Сущность всегда должна иметь имя.
Сущности представлены на модели информационной системы при помощи экземпляров. Экземпляр - конкретный объект представляющий заданную сущность. Приведем пример: экземпляром сущности «Ученик» будет являться «Ученик Сидоров».
В рамках построения информационной системы объекты имеют различные атрибуты. Обычно их бывает один или несколько. Атрибут - свойство, присущее данной сущности. Приведем пример для нашей сущности «Ученик»: «Фамилия», «Имя», «Отчество», «Класс».
Набор различных атрибутов, имеющих значения, определенные особенными для всех экземпляров объекта, называют ключом сущности. В нашей ситуации если удалить атрибут - нарушится его уникальность, именно этим достигается неизбыточность. Объекты взаимодействуют друг с другом посредством связей. Связи объектов - метод взаимодействия двух элементов информационной системы. Объекты обычно связаны как с другими объектами ИС. Связи объектов обеспечивают возможность нахождения требуемых элементов при помощи установления их отношений с изначальными. Выглядит связь обычно в виде стрелки или линии, соединяющей различные сущности или соединяющая саму себя.
Различают три типа связей:
- 1) 1-к-1. В данном виде связи экземпляр первого объекта связан с одним экземпляром второго объекта. Как правило, от таких связей следует отказаться;
- 2) 1-к-n. При такой связи один экземпляр первого объекта связан с некоторыми экземплярами второго объекта. В информационных системах это наиболее часто встречаемый вид связи. При такой структуре первый объект называется родительской сущностью, а второй - дочерней.
- 3) n-к-n. При такой связи несколько экземпляров первого объекта связано с несколькими экземплярами второго объекта. На практике это означает, что система находится в промежуточном этапе разработки и при дальнейшем анализе данный вид связи будет заменен на 1-к-n с созданием промежуточных сущностей и переназначением связей.
Принципиально отличие создает модальность при использование связей. В случае если объект «Может» быть связан с другим, то это представляет ему возможность иметь взять с различными экземплярами другого объекта, но при этом он не обязан иметь связь. В другой ситуации, если объект «Должен» иметь связь с экземпляром другого объекта, то он обязан иметь не меньше одной связи. При проведении моделирования информационной системы при помощи ER-нотации необходимо провести анализ предметной области с целью построения следующих графических данных:
- 1) Списка объектов;
- 2) Списка связанных атрибутов объектов;
- 3) Построения корректных взаимосвязей между различными объектами.
При построении диаграмм в нотации ER, процесс моделирования носит итерационный характер. После использования функции обратной разработки или выделения приблизительной модели ее процесс преобразования и улучшения может занимать продолжительное время, а сама модель может дополняться и уточняться в соответствии с полученными новыми данными. Существует два принципиально различающихся вида ER диаграмм:
- 1) Концептуальные;
- 2) Физические.
На примере, описанном на рис. 11 мы можем видеть модель концептуальную модель торгового предприятия описанную в нотации ER. Такая модель описывает связи между различными сущностями данной информационной системы, однако не учитывает особенностей базы данных, а следовательно не может быть использована для дальнейшего компьютерного проектирования. Концептуальные модели используются для дальнейшей постройки физических диаграмм, которая уже включает в себя наименования таблиц, поля, типы различных переменных. Изображенная на рисунке концептуальная модель отображает все объекты данной информационной системы и устанавливает их связи.
После преобразования мы видим, что данная физическая диаграмма теперь передает информацию о ключах, помимо того, что определят связь между ее объектами. Каждая таблица хранит в себе представление о типе передаваемых и хранимых данных. Данная нотация ER диаграмм наиболее близка к стандартному отображению баз данных. В данном представлении таблицы содержат в себе список связанных с объектом атрибутов. Такое представление позволяет быстро переходить от разработки модели к программному коду SQL и обратно при помощи функций обратного разработчика. В данной ситуации мы имеет дело с семантическим моделированием посредством использования диаграмм сущность-связь. Подобные диаграммы дают нам широкое представление о разрабатываемой информационной системе, а визуализация позволяет упростить процесс группировки элементов и приведение базы данных к требуемому каноническому виду. Преимущество физических диаграмм над концептуальными моделями очевидно, поэтому многие современные инструментальные средства моделирования позволяют переходить от одной формы представления к другой моментально. Концептуальные модели требуются тогда, когда глубинный анализ базы данных не требуется, а для модернизации системы достаточно понять и изменить логику связи ее элементов .
