ГЛАВА 5

ДИАГРАММЫ “СУЩНОСТЬ-СВЯЗЬ”

Диаграммы "сущность-связь" (ERD) предназначены для разработки моделей данных и обеспечивают стандартный способ определения данных и отношений между ними. Фактически с помощью ERD осуществляется детализация хранилищ данных проектируемой системы, а также документируются сущности системы и способы их взаимодействия, включая идентификацию объектов, важных для предметной области (сущностей), свойств этих объектов (атрибутов) и их отношений с другими объектами (связей).

Данная нотация была введена Ченом (Chen) и получила дальнейшее развитие в работах Баркера (Barker). Нотация Чена предоставляет богатый набор средств моделирования данных, включая собственно ERD, а также диаграммы атрибутов и диаграммы декомпозиции. Эти диаграммные техники используются прежде всего для проектирования реляционных баз данных (хотя также могут с успехом применяться и для моделирования как иерархических, так и сетевых баз данных).

5.1. Сущности, отношения и связи в нотации Чена

СУЩНОСТЬ представляет собой множество экземпляров реальных или абстрактных объектов (людей, событий, состояний, идей, предметов и т.п.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Любой объект системы может быть представлен только одной сущностью, которая должна быть уникально идентифицирована. При этом имя сущности должно отражать тип или класс объекта, а не его конкретный экземпляр (например, АЭРОПОРТ, а не ВНУКОВО).

ОТНОШЕНИЕ в самом общем виде представляет собой связь между двумя и более сущностями. Именование отношения осуществляется с помощью грамматического оборота глагола (ИМЕЕТ, ОПРЕДЕЛЯЕТ, МОЖЕТ ВЛАДЕТЬ и т.п.).

Другими словами, сущности представляют собой базовые типы информации, хранимой в базе данных, а отношения показывают, как эти типы данных взаимоувязаны друг с другом. Введение подобных отношений преследует две основополагающие цели:

• обеспечение хранения информации в единственном месте (даже если она используется в различных комбинациях);
• использование этой информации различными приложениями.

Символы ERD, соответствующие сущностям и отношениям, приведены на рис. 5.1.

Рис.5.1. Символы ERD в нотации Чена

Независимая сущность представляет независимые данные, которые всегда присутствуют в системе. При этом отношения с другими сущностями могут как существовать, так и отсутствовать. В свою очередь зависимая сущность представляет данные, зависящие от других сущностей в системе. Поэтому она должна всегда иметь отношения с другими сущностями. Ассоциированная сущность представляет данные, которые ассоциируются с отношениями между двумя и более сущностями (см. 5.5).

Неограниченное (обязательное) отношение представляет собой безусловное отношение, т.е. отношение, которое всегда существует до тех пор, пока существуют относящиеся к делу сущности. Ограниченное (необязательное) отношение представляет собой условное отношение между сущностями. Существенно-ограниченное отношение используется, когда соответствующие сущности взаимно-зависимы в системе.

Для идентификации требований, в соответствии с которыми сущности вовлекаются в отношения, используются СВЯЗИ. Каждая связь соединяет сущность и отношение и может быть направлена только от отношения к сущности.

ЗНАЧЕНИЕ связи характеризует ее тип и, как правило, выбирается из следующего множества:

{"O или 1", "0 или более", "1", "1 или более", "p:q" ( диапазон )}.

Пара значений связей, принадлежащих одному и тому же отношению, определяет тип этого отношения. Практика показала, что для большинства приложений достаточно использовать следующие типы отношений:

1. 1*1 (один-к-одному). Отношения данного типа используются, как правило, на верхних уровнях иерархии модели данных, а на нижних уровнях встречаются сравнительно редко.
2. 1*n (один-к-многим). Отношения данного типа являются наиболее часто используемыми.
3. n*m (многие-к-многим). Отношения данного типа обычно используются на ранних этапах проектирования с целью прояснения ситуации. В дальнейшем каждое из таких отношений должно быть преобразовано в комбинацию отношений типов 1 и 2 (возможно, с добавлением вспомогательных сущностей и с введением новых отношений).

На рис.5.2 приведена диаграмма "сущность-связь", демонстрирующая отношения между объектами банковской системы (см. п.2.5). Согласно этой диаграмме каждый БАНК ИМЕЕТ один или более БАНКОВСКИХ СЧЕТОВ. Кроме того, каждый КЛИЕНТ МОЖЕТ ВЛАДЕТЬ (одновременно) одной или более КРЕДИТНОЙ КАРТОЙ и одним или более БАНКОВСКИМ СЧЕТОМ, каждый из которых ОПРЕДЕЛЯЕТ в точности одну КРЕДИТНУЮ КАРТУ (отметим, что у клиента может и не быть ни счета, ни кредитной карты). Каждая КРЕДИТНАЯ КАРТА ИМЕЕТ ровно один зависимый от нее ПАРОЛЬ КАРТЫ, а каждый КЛИЕНТ ЗНАЕТ (но может и забыть) ПАРОЛЬ КАРТЫ.

Рис 5.2. ER-диаграмма в нотации Чена.

Рис. 5.3. Диаграмма атрибутов.

5.2. Диаграммы атрибутов

Каждая сущность обладает одним или несколькими атрибутами, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. При этом любой атрибут может быть определен как ключевой.

Детализация сущности осуществляется с использованием диаграмм атрибутов, которые раскрывают ассоциированные с сущностью атрибуты. Диаграмма атрибутов состоит из детализируемой сущности, соответствующих атрибутов и доменов, описывающих области значений атрибутов. На диаграмме каждый атрибут представляется в виде связи между сущностью и соответствующим доменом, являющимся графическим представлением множества возможных значений атрибута. Все атрибутные связи имеют значения на своем окончании. Для идентификации ключевого атрибута используется подчеркивание имени атрибута.

Пример диаграммы атрибутов, детализирующей сущность КРЕДИТНАЯ КАРТА (см. рис. 5.2) приведен на рис. 5.3.

5.3. Категоризация сущностей

Сущность может быть разделена и представлена в виде двух или более сущностей-категорий, каждая из которых имеет общие атрибуты и/или отношения, которые определяются однажды на верхнем уровне и наследуются на нижнем. Сущности-категории могут иметь и свои собственные атрибуты и/или отношения, а также, в свою очередь, могут быть декомпозированы своими сущностями-категориями на следующем уровне. Расщепляемая на категории сущность получила название общей сущности (отметим, что на промежуточных уровнях декомпозиции одна и та же сущность может быть как общей сущностью, так и сущностью-категорией).

Для демонстрации декомпозиции сущности на категории используются диаграммы категоризации. Такая диаграмма содержит общую сущность, две и более сущности-категории и специальный узел-дискриминатор, который описывает способы декомпозиции сущностей (см. рис. 5.4).

Рис. 5.4. Диаграмма категоризации

Существуют 4 возможных типа дискриминатора (рис.5.5):

1. Полное и обязательное вхождение E/M (exclusive/mandatory) - сущность должна быть одной и только одной из следуемых категорий. Для примера на рис. 5.4 это означает, что ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ является ФИЗИК, или ХИМИК, или МАТЕМАТИК.
2. Полное и необязательное вхождение E/O (exclusive/optional) - сущность может быть одной и только одной из следуемых категорий. Это означает, что ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ является ФИЗИК, или ХИМИК, или МАТЕМАТИК, или преподаватель какой-либо другой дисциплины (например, ИСТОРИК).
3. Неполное и обязательное вхождение I/M (inclusive/mandatory) - сущность должна быть по крайней мере одной из следуемых категорий. Это предполагает в дополнение к 1) задавать следующую ситуацию: ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ является одновременно и ФИЗИК и ХИМИК
4. Неполное и необязательное вхождение I/O (inclusive/optional) - сущность может быть по крайней мере одной из следуемых категорий. В дополнение к 2) ПРЕПОДАВАТЕЛЕМ является преподаватель какой-либо другой дисциплины (например, ИСТОРИК).

Рис 5.5. Типы дискриминаторов.

5.4. Нотация Баркера

Дальнейшее развитие ER-подход получил в работах Баркера, предложившего оригинальную нотацию, которая позволила на верхнем уровне интегрировать предложенные Ченом средства описания моделей.

В нотации Баркера используется только один тип диаграмм - ERD. Сущность на ERD представляется прямоугольником любого размера, содержащим внутри себя имя сущности, список имен атрибутов (возможно, неполный) и указатели ключевых атрибутов (знак "#" перед именем атрибута).

Все связи являются бинарными и представляются линиями с двумя концами (соединяющими сущности), для которых должно быть определено имя, степень множественности (один или много объектов участвуют в связи) и степень обязательности (т.е. обязательная или необязательная связь между сущностями). Для множественной связи линия присоединяется к прямоугольнику сущности в трех точках, а для одиночной связи - в одной точке. При обязательной связи рисуется непрерывная линия до середины связи, при необязательной - пунктирная линия. На рис. 5.6 приведен фрагмент ERD для банковской задачи в нотации Баркера.

Рис. 5.6. Нотация Баркера.

Читается связь отдельно для каждого конца, показывая, как сущность КЛИЕНТ связывается с сущностью КРЕДИТНАЯ КАРТА, и наоборот. При этом необходимо учитывать степень обязательности выбранного конца связи, для этой цели используются слова "должен (быть)" или "может (быть)". Так, диаграмма, приведенная на рис. 5.6, читается следующим образом:

Каждый КЛИЕНТ может ВЛАДЕТЬ одной или более КРЕДИТНОЙ КАРТОЙ или

Каждая КРЕДИТНАЯ КАРТА должна ПРИНАДЛЕЖАТЬ ровно одному КЛИЕНТУ.

В заключение отметим, что понятия категория и общая сущность заменяются Баркером на эквивалентные понятия подтипа и супертипа, соответственно.

Продолжение статьи