Сущностями связи м 1 примеры. Модель «сущность — связь. Концептуальная структура информации

ЛЕКЦИЯ

Модель «сущность-связь».

Основные понятия: Сущность, Свойства, Связи.

Представление сущностей, свойств, связей

9.1. Модель «Сущность-Связь»

Наиболее распространенным средством моделирования предметной области систем, ориентированных на обработку фактографической информации, является модель «сущность-связь» ( Entity - Relationship Model - ER М ), впервые предложенная Питером Пин-Шэн Ченом в 1976 г. Эта модель традиционно используется в структурном анализе и проектировании, но, по существу, реализует объектный подход к моделированию предметной области.

Модель “сущность-связь” 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 основе построенной их средствами модели стадию логического проектирования путем автоматической генерации концептуальной схемы базы данных для выбранной СУБД, например, схемы базы данных для какого-либо SQL-сервера или объектной СУБД.

Моделирование предметной области в этом случае базируется на использовании графических диаграмм, включающих сравнительно небольшое число компонентов (слайд 2) и, самое важное – технологию построения таких диаграмм.

Семантическую основу ER -модели составляют следующие предположения:

- та часть реального мира (совокупность взаимосвязанных объектов), 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: каждый экземпляр сущности (представляющий некоторый объект) может быть отнесен классу - типу сущностей , каждый экземпляр которого обладает общими для них свойствами и отличающим их от сущностей других 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 является экземпляром сущности типа B ;

- взаимосвязи объектов могут быть представлены как связи – сущности , которые служат для фиксирования (представления) взаимозависимости двух или нескольких сущностей.

Здесь следует еще раз подчеркнуть информационную природу понятия сущность и его соотношение с материальными или воображаемыми объектами предметной области. Любой объект предметной области обладает свойствами, часть из которых выделяется как характеристические - значимые с точки зрения прикладной задачи. При этом, например, в процессе анализа и систематизации предметной области, обычно выделяются классы – совокупности объектов, обладающих одинаковым набором свойств, задаваемых в виде наборов атрибутов (значения атрибутов для объектов одного класса естественно могут различаться). Соответственно, на уровне представления предметной области (т.е. - ее инфологической модели) объекту, рассматриваемому как понятие (объект 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 рассматриваются не отдельные экземпляры объектов, а классы, мы не будем различать соответствующие понятия этих двух уровней, т.е. будем предполагать тождественность понятий объект и сущность , свойство объекта и свойство сущности .

На слайде 3 приведенный пример представления сущности, который не является полным и не претендует на точное соответствие какой либо версии построения ER -диаграмм.

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 (привычного), наглядного и, в то же время, информативного и многоаспектного способа отображения компонентов проекта.

Сущность. Сущность, с помощью которой моделируется класс однотипных объектов, определяется как «предмет, который может быть четко идентифицирован». Так же, как каждый объект уникально характеризуется набором значений свойств, сущность должна определяться таким набором атрибутов , который позволял бы различать отдельные экземпляры сущности. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности (это требование аналогично требованию отсутствия кортежей-дубликатов в реляционных таблицах). Например, для однозначной идентификации каждого экземпляра сущности «Сотрудник» вводится атрибут «Таб.н омер», который вследствие своей природы будет всегда иметь уникальное значение в рамках предприятия. Т.е., уникальным идентификатором сущности может являться атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, однозначно отличающая любой экземпляр 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 является слабой, если ее существование зависит от другой сущности – сильной, по отношению к ней. Например, сущность «Подчиненный» является слабой по отношению к сущности «Сотрудник»: если будет удалена запись, соответствующая некоторому сотруднику, имеющему подчиненных, то сведения о подчинении также должны быть удалены.

Свойства(слайд 4)

Природа свойства, как характер связи свойства с сущностью (объектом), может быть различной. Рассмотрим основные виды свойств.

Свойство может быть множественным или единичным – т.е. атрибут, задающий свойство, может одновременно иметь несколько значений или, соответственно, только одно. Например, сотрудник может иметь несколько специальностей, но единственное значение «Таб. номер».

Свойство может быть простым (не подлежащих дальнейшему делению с точки зрения прикладных задач) или составным – если его значение 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 количество 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 . Например, 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 может быть неопределенным , если оно является динамическим, но его текущее значение еще не задано.

Свойство может рассматриваться как ключевое , если его значение уникально и, возможно, в определенном контексте, однозначно идентифицирует сущность. Например, подчиненный некоторого определенного сотрудника.

Связи. Кроме связей между объектом и его свойствами, инфологическая модель отражает связи между объектами разных классов. Связь определяется как «ассоциация, объединяющая несколько сущностей». Эта ассоциация всегда может существовать между разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь).

Как и сущность, связь является тип овым понятием, т.е. все экземпляры связываемых сущностей подчиняются правилам связывания типов. Принципиальность различия типов связей между типами и экземплярами иллюстрируется на слайдах .

Сущности, объединяемые связью, называются участниками . Степень 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 необязательным ).

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), «многие к одному» (М:1), «многие ко многим» (М:М ) (Слайды 5, 6, 7) .

Следует отметить, что инструмент связей - это средство представления сложных объектов , каждый из которых может рассматриваться как множество некоторым образом взаимосвязанных простых объектов . Деление на простые и сложные объекты, также как и характер взаимосвязи, является условным и определяется особенностям анализа предметной 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 точки зрения поставщика – простым.

Среди многих разновидностей взаимосвязей наиболее частыми являются такие отношения ие рархического типа, как «часть-целое», «род-вид».

Отношение «часть-целое» используются для представления составных объектов . Например, МАШИНЫ состоят из УЗЛОВ, УЗЛЫ состоят из ДЕТАЛЕЙ. Здесь возможны как отношения «один ко многим», так и «многие ко многим».

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 частности – «родо-видовые », обычно используются как основа классификации объектов по наборам характеристических признаков. Причем «видовые» объекты наследуют свойства «родовых».

Другой широко используемой разновидностью взаимосвязи является 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». Агрегированные объекты именуются обычно отглагольными существительными, 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 большинстве случаев оказывается достаточно двух-трех уровней.

Сущность, на основе которой определяются подтипы, называется супертипом . Подтипы должны образовывать полное множество, т.е. любой экземпляр супертипа должен относиться к некоторому подтипу. Иногда для полноты множества надо определять дополнительный подтип, 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. образуют иерархию типов сущности , пример которой приведен на Слайде 8.

9.2. 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 данных. При этом графическая форма позволяет отобразить в компактном виде (за счет наглядных условных обозначений) типологию и свойства сущностей и связей, а формализмы, положенные в основуER -диаграмм, позволяют использовать на следующем шаге проектирования логической структуры базы данных строгий аппарат нормализации.

Сущности .Каждый тип сущности в ER-диаграммах представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. В качестве имени обычно используются существительные (или обороты существительного) в единственном числе. Для отражения сущностей слабых типов используются прямоугольники, стороны которых рисуются двойными линиями. Например, в представленной на слайде 9 ER-диаграмме ПОДЧИНЕННЫЙ – сущность слабого типа.

Свойства. Свойства служат для уточнения, идентификации, характеристики или выражения состояния сущности или связи. Свойства отображаются в виде эллипсов, содержащих имя свойства. Эллипс соединяется с соответствующей сущностью или связью линией.

Имена ключевых свойств подчеркиваются. Например, свойство «Таб.н омер» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется двойной линией, если свойство многозначное. Например, свойство «специальность» сущности СОТРУДНИК.

Контур эллипса рисуется штриховой линией, если свойство производное. Например, свойство «кол-во» сущности ПОСТАВЩИК.

Эллипс соединяется пунктирной линией, если свойство условное. Например, свойство «Ин. я зык» сущности СОТРУДНИК.

Если свойство составное, то составляющие его свойства отображаются другими эллипсами, соединенными с эллипсом составного. Например, свойство «Адрес» сущности СОТРУДНИК состоит из простых свойств «Город», «Улица», «Дом».

Связи. Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая 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 сущности 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. Например, 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 соответствующей линией. Например, связь «Руководство» имеет тип «один ко многим»: один сотрудник может руководить многими проектами; связь «Участие» имеет тип «многие ко многим»: один сотрудник может участвовать во многих проектах, и в проекте могут участвовать многие сотрудники.

Пример нормализованной формы ER-диаграммы приведен на слайде 10.

Одна из разновидностей модели «сущность-связь» используется в нотации IDEF1Х, входящем в семейство стандартов IDEF.

Графический язык модели и пример диаграммы представлены на слайде 11 .

Необязательные связи между сущностями Отдел и Сотрудник, Сотрудник и Подчиненный имеют мощность «один ко многим» (конец связи «многие» обозначен жирной точкой), а обязательная связь между сущностями Сотрудник и Проект имеет мощность «многие ко многим».

Графические элементы основных нотаций модели «сущность-связь» представлены на слайде 12 .

Такое определение связи, как сущности особого рода, отражает существо реляционного подхода, для которого характерно единообразное представление сущностей всех типов, включая связи, посредством переменных-отношений.

Согласно положениям реляционной модели «правильной» связью является только связь типа «многие 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 .

Для разработки базы данных, структура которой не зависит от конкретных информационных потребностей и позволяет выполнять любые запросы пользователей, служит диаграмма инфологических моделей «сущность-связь» (ER - диаграмма).

Наиболее часто формализация представлений о предметной области осуществляется в рамках модели «сущности-связи» («объекты-связи»). На данном этапе проектирования используется метод «сущность – связь», который называют также методом «ER-диаграмм» (“Essence” – сущность, “Relation” – связь). Этот метод основан на использовании диаграмм, называемых соответственно диаграммами ER-экземпляров и диаграммами ER-типа.

ER – диаграмма «сущность-связь» представляет собой набор множества объектов и их характеристик, а также взаимосвязей между ними, нужных для выявления данных, которые в дальнейшем используются функциями проектируемой системы.

Основными понятиями метода сущность – связь являются следующие:

Сущность;

Атрибут сущности;

Ключ сущности;

Связь между сущностями;

Степень связи;

Класс принадлежности экземпляров сущности;

Диаграммы ER-экземпляров;

Диаграммы ER-типа.

Под информационным объектом понимается некоторая сущность фрагмента действительности, например: организация, документ, сотрудник, место, событие и т. д. Сущность представляет собой объект, информация о котором хранится в базе данных. Экземпляры сущности отличаются друг от друга и однозначно идентифицируются. Названием сущности являются имена существительные. Каждый тип объектов идентифицируется присущим ему набором атрибутов. В данном курсовом проекте сущностями являются: сотрудник, должности, образование, формы трудового участия, факультеты, кафедры и темы.

Атрибут ((от лат. attribuo – приписываю) – свойство или вещь, неотделимые от предмета) представляет собой логически неделимый элемент структуры информации, характеризующийся множеством атомарных значений. Это понятие аналогично понятию «атрибут» в отношении. Экземпляр объекта характеризуется совокупностью конкретных значений атрибутов данного типа объекта. Один или некоторая группа атрибутов объекта данного типа могут исполнять роль ключевого атрибута (ключа сущности). В данном курсовом проекте вышеуказанные сущности характеризуются атрибутами, такими, как: код_факультета, название_факультета, код_кафедры, ФИО_сотрудника и т. д.

Ключ сущности – это атрибут или набор атрибутов, идентифицирующих экземпляр сущности (например, код_должности).

Связь двух или более сущностей – это зависимость между атрибутами этих сущностей. Оно обозначается глаголом. Причем связи бывают двух типов:

Иерархические;

Одноуровневые.

Для повышения наглядности и удобства проектирования используются графические средства представления сущности, экземпляров сущности и связей между ними . ER-диаграмма представлена в приложении А.

Классификация связей

В реальных базах данных информация размещается в нескольких таблицах. Таблицы при этом связаны семантикой информации. В реляционных СУБД для указания связей таблиц производят операцию их связывания. Это повышает достоверность хранимой в базе информации, т. к. СУБД контролирует целостность данных, вводимых в базу в соответствии с установленными связями.

Установление связей облегчает доступ к данным при выполнении операций: поиск, просмотр, редактирование, выборка и подготовка отчета, т.к. обеспечивается обращение к любым полям связанных таблиц.

Между таблицами могут устанавливаться:

Бинарные связи;

Тернарные связи;

N-арные связи.

При связывании двух таблиц выделяют основную и подчиненную таблицы (родительскую и дочернюю). Логическое связывание таблиц производится с помощью ключа связей. Поля основной таблицы могут быть простыми и ключевыми. Поля связей дополнительной таблицы чаще всего ключевые. В зависимости от того, как определены поля связи основной и дополнительной таблиц (как относятся ключевые поля с полями связи), устанавливаются виды связей:

1:1 (один к одному);

1:М (один ко многим);

М:1 (многие к одному);

М:М (многие ко многим).

Связь вида 1:1 образуется, если все поля связи родительской и дочерней таблиц являются ключевыми. Поскольку значения в ключевых полях двух таблиц не повторяются, обеспечивается взаимно-однозначное соответствие записей из этих таблиц. Сами таблицы, по сути, здесь становятся равноправными.

Связь вида 1:М имеет место в случае, когда одной записи родительской таблицы соответствует несколько записей дочерней таблицы.

Связь М:1 имеет место в случае, когда одной ил нескольким записям основной таблицы ставится в соответствие одна запись дополнительной таблицы.

Связь М:М возникает в случаях, когда нескольким записям основной таблицы соответствует несколько записей дополнительной таблицы.

Аналогично связи 1:1, связь М:М не устанавливает подчиненность таблиц. На практике в связь обычно вовлечены несколько таблиц. При этом одна таблица может иметь различные виды связи с несколькими таблицами, образуя иерархию или «дерево связей» .

В данном курсовом проекте таблицы связаны связями вида 1:М (один ко многим). Например, таблица «факультеты» является родительской таблицей по отношению к дочерней таблице «кафедры». Эти таблицы связаны отношением 1:М с помощью ключа «код_факультета»

Модель сущность–атрибут–связь была предложена Петером Пин-Шен Ченов в 1976 г. На использовании разновидностей ER модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом реляционных). Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое количество разнородных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в CASE системах, поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных.

Базовыми понятиями ER-модели являются сущность, атрибут и связь.

Сущность – это реальный или воображаемый объект, информация о котором представляет интерес. В диаграммах ER-модели сущность представляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности – это имя типа, а не конкретного объекта – экземпляра этого типа. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности.

Связь – это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями. Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с 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).

Связь представляется в виде линии, связывающей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При этом в месте “стыковки” связи с сущностью используются трехточечный вход в прямоугольник сущности, если для этой сущности в связи могут использоваться много экземпляров сущности, и одноточечный вход, если в связи может участвовать только один экземпляр сущности. Обязательный конец связи изображается сплошной линией, а необязательный – прерывистой линией.

Как и сущность, связь – это типовое понятие, все экземпляры обеих пар связываемых сущностей подчиняются правилам связывания. На рис. 1. приведен пример изображения сущностей и связи между ними. Данная диаграмма может быть интерпретирована следующим образом:

Каждый СТУДЕНТ учится только в одной ГРУППЕ;

Любая ГРУППА состоит из одного или более СТУДЕНТОВ.

Рис. 1. Связь между сущностями

На рис. 2 изображена сущность ЧЕЛОВЕК с рекурсивной связью, связывающей ее с ней же самой. Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:

Каждый ЧЕЛОВЕК является сыном одного и только одного ЧЕЛОВЕКА;

Каждый ЧЕЛОВЕК может являться отцом для одного или более ЛЮДЕЙ (“ЧЕЛОВЕКОВ”).

Рис. 2. Рекурсивная связь

Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражения состояния сущности. Имена атрибутов заносятся в прямоугольник, изображающий сущность, под именем сущности и изображаются малыми буквами:

Уникальным идентификатором сущности является атрибут, комбинация атрибутов, комбинация связей или комбинация связей и атрибутов, уникально отличающая любой экземпляр сущности от других экземпляров сущности того же типа. Это наиболее важные понятия ER-модели данных. К числу более сложных элементов модели относятся следующие.

Связи “многие-со-многими”. Иногда бывает необходимо связывать сущности таким образом, что с обоих концов связи могут присутствовать несколько экземпляров сущности (например, все члены кооператива сообща владеют имуществом кооператива). Для этого вводится разновидность связи “многие-со-многими”.

Уточняемые степени связи. Иногда бывает полезно определить возможное количество экземпляров сущности, участвующих в данной связи (например, служащему разрешается участвовать не более чем в трех проектах одновременно). Для выражения этого семантического ограничения разрешается указывать на конце связи ее максимальную или обязательную степень.

Каскадные удаления экземпляров сущностей. Некоторые связи бывают настолько сильными (конечно, в случае связи “один-ко-многим”), что при удалении опорного экземпляра сущности (соответствующего концу связи “один”) нужно удалить и все экземпляры сущности, соответствующие концу связи “многие”. Соответствующее требование “каскадного удаления” можно сформулировать при определении сущности.

Домены. Как и в случае реляционной модели данных, бывает полезна возможность определения потенциально допустимого множества значений атрибута сущности (домена).

Эти и другие более сложные элементы модели данных сущность–связь делают ее более мощной, но одновременно несколько усложняют ее использование. Конечно, при реальном использовании ER-диаграмм для проектирования баз данных необходимо ознакомиться со всеми возможностями.

Наиболее часто на практике ER-моделирование используется на первой стадии проектирования базы данных. Его результатом, как правило, является концептуальная модель предметной области, выраженная в терминах ER-модели.

При переходе к следующему этапу – моделированию схемы БД – перед разработчиком возникает проблема выражения концептуальной модели предметной области в терминах применяемой модели данных (например, реляционной). Существует три подхода к решению этой проблемы.

Первый подход состоит в ручном преобразовании концептуальной модели предметной области в схему БД, выполняемом согласно методикам, в которых достаточно четко оговорены все этапы такого преобразования.

Во втором подходе реализуется автоматизированная компиляция концептуальной модели предметной области в схему БД (чаще всего реляционную). Известны два типа подхода:

подход, основанный на явном представлении концептуальной модели предметной области как исходной информации для компиляции;

подход, ориентированный на построение интегрированных систем проектирования с автоматизированным созданием концептуальной модели предметной области на основе интервью с экспертами предметной области.

И в том, и в другом случае в результате создается реляционная схема базы данных в третьей нормальной форме.

Наконец, третий подход – это непосредственная работа с базой данных в семантической модели, т.е. применение СУБД, основанных на семантических моделях данных. При этом снова рассматриваются два варианта.

Первый вариант – обеспечение пользовательского интерфейса на основе семантической модели данных с автоматическим отображением конструкций в реляционную модель данных (это задача примерно такого же уровня сложности, как автоматическая компиляция концептуальной модели предметной области в схему БД).

Второй вариант – прямая реализация СУБД, основанная на какой-либо семантической модели данных.

Наиболее близко ко второму варианту находятся современные объектно-ориентированные СУБД, модели данных которых по многим параметрам близки к семантическим моделям (хотя в некоторых аспектах они более мощны, а в некоторых – более слабы). Хотя в целом можно сказать, что этот подход еще не вышел за пределы исследовательских и экспериментальных проектов.

В настоящее время на рынке программного обеспечения появилось достаточно много универсальных (не привязанных к какой-либо конкретной СУБД) пакетов автоматизированного проектирования БД, позволяющих производить концептуальное моделирование предметной области. В основе практически всех систем такого рода лежит та или иная интерпретация ER-модели. Такие системы являются реализацией второго из рассмотренных выше подходов. Одним из наиболее популярных программных продуктов в этой области является ERwin компании Platinum.

Модели данных

Способ отображения сущностей, атрибутов и связей на структуры данных определяется моделью данных. Существуют 4 основные модели данных – списки, реляционные базы данных, иерархические и сетевые структуры. Рассмотрим их подробнее.

Самый простой тип – это список – структура данных в виде линейной последовательности.

Древовидные иерархические структуры широко используются в повседневной человеческой деятельности. Иерархические модели данных базируются на использовании графовой и табличной форм представления данных. В графической диаграмме схемы базы данных вершина графа используется для интерпретации типов сущностей, а дуги – для интерпретации типов связей между типами сущностей. При реализации вершины представляются таблицами описаний экземпляров сущностей соответствующего типа. На рис. 3 показан пример иерархической древовидной структуры БД.

Рис. 3. Иерархическая древовидная структура БД

Основными внутренними ограничениями иерархической модели данных являются следующие:

– все типы связей должны быть функциональными, т.е. 1:1, 1:М, М:1;

– структура связей должна быть древовидной.

Результатом действия этих ограничений является ряд особенностей процесса структуризации данных в иерархической модели.

Древовидная структура, или дерево, – это связный неориентированный граф, который не содержит циклов. Обычно при работе с деревом выделяют какую-то конкретную вершину, определяют ее как корень дерева и рассматривают особо – в эту вершину не заходит ни одно ребро. В этом случае дерево становится ориентированным. Ориентация обычно определяется от корня.

Корневое дерево как ориентированный граф можно определить следующим образом:

– имеется единственная особая вершина, называемая корнем, в которую не заходит ни одно ребро;

– во все остальные вершины заходит только одно ребро, а исходит произвольное количество ребер;

– нет циклов.

Иерархическая древовидная структура, ориентированная от корня, удовлетворяет следующим условиям:

– иерархия всегда начинается с корневого узла;

– на первом уровне иерархии может находиться только корневой узел;

– на нижних уровнях находятся порожденные (зависимые) узлы;

– каждый порожденный узел, находящийся на уровне L, связан только с одним непосредственно исходным узлом (непосредственно родительским узлом), находящимся на более верхнем (L – 1)-м уровне иерархии дерева;

– каждый исходный узел может иметь один или несколько непосредственно порожденных узлов, называемых подобными;

– доступ к каждому порожденному узлу выполняется через его непосредственно исходный узел;

– существует единственный иерархический путь доступа к узлу начиная от корня дерева (рис. 4).

Рис. 4. Иерархический путь доступа к узлу

Другими словами, иерархическая модель представления знаний (или дерево) – структура данных, в которой каждый узел имеет только одного “родителя”, т.е. господствующий узел (кроме самого верхнего узла) и неограниченное количество “потомков”, т.е. узлов, над которыми данный узел господствует.

Сетевые модели данных также базируются на использовании графовой формы представления данных. Вершины графа используются для интерпретации типов сущностей, а дуги – типов связей. Сетевая модель представления знаний – структура данных, в которой каждый объект, в отличие от иерархического представления, может иметь более одного господствующего узла (рис. 5).

Рис. 5. Сетевая структура

В 70-х годах начали активно проводиться теоретические исследования реляционной модели данных. С появлением персональных ЭВМ реляционные модели стали доминировать на рынке информационных систем. Реляционное представление знаний – представление знаний в виде отношений.

В соответствии с реляционной моделью данных данные представляются в виде совокупности таблиц, над которыми могут выполняться операции, формулируемые в терминах реляционной алгебры или реляционного исчисления.

Логическое проектирование

В предлагаемой методологии проектирования баз данных весь процесс разработки разделяется на три основные фазы: концептуальное, логическое и физическое проектирование. Логическое проектирование баз данных – это процесс конструирования общей информационной модели предприятия на основе отдельных моделей данных пользователей, которая является независимой от особенностей реально используемой СУБД и других физических условий.

На предыдущем этапе получен набор локальных концептуальных моделей данных, отражающих представление пользователей о предметной среде. Однако эти модели могут содержать некоторые структуры данных, реализация которых в обычных типах СУБД будет затруднена. На этом этапе подобные структуры данных преобразуются в такую форму, которая не вызовет затруднений при их реализации в среде существующих СУБД. Может последовать замечание, что эти действия не являются элементом логического проектирования баз данных. Однако предлагаемая процедура заставляет разработчика более тщательно обдумывать смысл каждого элемента данных, что положительно сказывается на точности отображения в модели особенностей того или иного предприятия. На данном этапе выполняются следующие действия:

1. Удаление связей типа M :N .

2. Удаление сложных связей.

3. Удаление рекурсивных связей.

4. Удаление связей с атрибутами.

5. Удаление множественных атрибутов.

6. Перепроверка связей типа 1:1.

7. Удаление избыточных связей.

1. Удаление связей типа M:N. Если в концептуальной модели присутствуют связи типа M :N (“многие-ко-многим”), то их следует устранить путем определения некоторой промежуточной сущности. Связь типа M :N заменяется двумя связями типа 1:М , устанавливаемыми со вновь созданной сущностью.

В качестве примера рассмотрим следующую M :N связь: газета печатает объявления об объектах, сдаваемых в аренду (рис. 6)

Рис. 6. M:N связь

С целью устранения этой связи мы определяем промежуточную сущность ОБЪЯВЛЕНИЕ и создаем две новые связи типа 1:М . В результате связь типа M :N будет заменена двумя связями (рис. 7).

Рис. 7. Связи типа 1: M

2. Удаление сложных связей. Сложной называется связь, существующая между тремя и больше типами сущностей. Если в концептуальной модели присутствует сложная связь, ее следует устранить с помощью промежуточной сущности. Сложная связь заменяется необходимым количеством бинарных связей типа 1:М , устанавливаемых со вновь созданной сущностью. Например, тройная связь “Сдается внаем” (изображается ромбом) отражает отношения, существующие между оформляющим аренду работником компании, земельным участком и арендатором (рис. 8).

Рис. 8. Сложная связь

Эту сложную связь можно упростить путем введения новой сущности и определения бинарных связей между нею и каждой из исходных сущностей сложной связи.

В нашем примере связь “Сдается внаем” можно устранить посредством введения новой слабой сущности с именем Соглашение. Вновь созданная сущность будет связана с исходными сущностями тремя новыми бинарными связями (рис. 9).

Рис. 9. Упрощение сложной связи

3. Удаление рекурсивных связей. Рекурсивными называются такие связи, в которых сущность некоторого типа взаимодействует сама с собой. Если концептуальная модель содержит рекурсивные связи, они должны быть устранены посредством определения некоторой промежуточной сущности. Например, для отображения ситуации, когда один из работников руководит группой других работников, может быть установлена рекурсивная связь типа “один-ко-многим” (1:М ).

4. Удаление связей с атрибутами. Если в концептуальной модели присутствуют связи, имеющие собственные атрибуты, они должны быть преобразованы путем создания новой сущности. Например, рассмотрим ситуацию, когда требуется фиксировать количество рабочих часов, отработанных временным персоналом каждого из отделений предприятия. Связь “Работает в” имеет атрибут с именем “Отработано часов”. Преобразуем связь “Работает в” в сущность с именем “Распределение по отделам”, которой назначим атрибут “Отработано часов”, после чего создадим две новых связи типа 1:М .

5. Удаление множественных атрибутов. Множественными называют атрибуты, которые могут иметь одновременно несколько значений для одного и того же экземпляра сущности. Если в концептуальной модели присутствует множественный атрибут, его следует преобразовать путем определения новой сущности. Например, для отображения ситуации, когда одно и то же отделение компании имеет несколько телефонных номеров, в концептуальной модели был определен множественный атрибут “Телефонный номер”, относящийся к сущности “Отделение компании”. Этот множественный атрибут следует удалить, определив новую сущность “Телефон”, имеющую единственный простой атрибут “Телефонный номер”, и создав новую связь типа 1.

6. Перепроверка связей типа 1:1. В процессе определения сущностей могли быть созданы две различные сущности, которые на самом деле представляют один и тот же объект в предметной области приложения. Например, могли быть созданы две сущности “Отдел” и “Департамент”, которые на самом деле представляют один и тот же тип объекта. Другими словами, имя “Отдел” является синонимом имени “Департамент”. В подобном случае следует объединить эти две сущности в одну. Если первичные ключи объединяемых сущностей различны, выберите один из них в качестве первичного, а другой укажите как альтернативный ключ.

7. Удаление избыточных связей. Связь является избыточной, если одна и та же информация может быть получена не только через нее, но и с помощью другой связи. Всегда следует стремиться создавать минимальные модели данных, и поэтому, если избыточная связь не является очевидно необходимой, ее следует удалять. Установить, что между двумя сущностями имеется больше одной связи, довольно просто. Однако из этого еще не следует, что одна из двух связей обязательно является избыточной, поскольку обе они могут представлять различные объединения, реально существующие в организации.

При устранении избыточности доступа большое значение имеют временные показатели. Например, рассмотрим ситуацию, когда необходимо смоделировать связи между сущностями “Мужчина”, “Женщина” и “Ребенок”. Очевидно, что между сущностями “Мужчина” и “Ребенок” имеется два пути доступа: один – через непосредственную связь “ Является отцом” и другой – через связи “ Женат на” и “Является матерью”. На первый взгляд кажется, что связь “ Является отцом” избыточна. Однако это утверждение может оказаться ошибочным по двум причинам. Во-первых, отец может иметь детей от предыдущего брака, а мы моделируем только текущий брак отца (через связь 1:1). Во-вторых, отец и мать могут быть вообще не женаты или отец может быть женат на женщине, которая не является матерью данного ребенка (или же мать может быть замужем за мужчиной, который не является отцом ребенка). Поэтому все существующие взаимоотношения не могут быть смоделированы без использования связи типа “Является отцом” (рис. 10).

Рис. 10. Связь между сущностями “Мужчина”, “Женщина”, “Ребенок”

Похожая информация.

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

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

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

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

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

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

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

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

а) класс сущностей; б) класс связей;

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

На связи накладываются следующие ограничения:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

НАЗНАЧИТЬ - характеризует в договоре изделия и узлы;

ОТВЕЧАЕТ - указывает ответственного за договор;

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

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

РУКОВОДИТ - указывает руководителя данного отдела.

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

Классы сущностей:

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

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

Е3/ДОГОВОР [НОМ-ДОГ, ДАТА];

Классы связей:

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

[ПОСТАВЩИК, БАЗ-ДЕТ, ДОГОВОР];

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

[БАЗ-ДЕТ, ИЗД-УЗЕЛ: КОЛИЧ-БД];

Имена атрибутов связей отделяются двоеточием от имен классов сущностей.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2.9. Схема прямой и обратной связей

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

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

Реляционная модель

Основные понятия

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

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

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

3. В таблице нет двух одинаковых строк;

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

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

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

Приведем ряд терминов, применяющихся в реляционной модели:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Отношения

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

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

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

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

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

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

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

(1, 2), (1, 3), …, (1, 6),

(2, 2), (2, 3), …, (2, 6),

(3, 2), (3, 3), …, (3, 6).

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

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

R = {(П, О), (И, О), (П, И), (И, П)}.

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

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

= (A ×B )\R ,

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

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

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

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

Рис. 2.10. Представление отношения R в виде графа

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

Пример 2.4. Рассмотрим множества

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

и отношения

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

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

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

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

Пример2.5. Пусть даны множества

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

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

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

1) aR l b истинно, когда истинно aRb ;

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

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

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

, (2.1)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Умножение отображений, заданных таблицами, покажем на примере:

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

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

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

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

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

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

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

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

Матрица смежностей, соответствующая отображению в себя, является квадратной:

R

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

Модель была предложена Петером Пин-Шен Ченом в 1976 г. На использовании разновидностей ER-модели основано большинство современных подходов к проектированию баз данных (главным образом, реляционных). Моделирование предметной области базируется на использовании графических диаграмм, включающих небольшое число разнородных компонентов. В связи с наглядностью представления концептуальных схем баз данных ER-модели получили широкое распространение в CASE-системах, поддерживающих автоматизированное проектирование реляционных баз данных. Базовыми понятиями ER-модели являются сущность, связь и атрибут.

Сущность - это реальный или воображаемый объект, информация о котором представляет интерес. В диаграммах ER-модели сущность пред-ставляется в виде прямоугольника, содержащего имя сущности. При этом имя сущности - это имя типа, а не конкретного объекта - экземпляра этого типа. Каждый экземпляр сущности должен быть отличим от любого другого экземпляра той же сущности.

Связь - это графически изображаемая ассоциация, устанавливаемая между двумя сущностями. Эта ассоциация всегда является бинарной и может существовать между двумя разными сущностями или между сущностью и ей же самой (рекурсивная связь). В любой связи выделяются два конца (в соответствии с 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).

Связь представляется в виде линии, связывающей две сущности или ведущей от сущности к ней же самой. При этом в месте "стыковки" связи с сущностью используются трехточечный вход в прямоугольник сущности, если для этой сущности в связи могут использоваться много экземпляров сущности, и одноточечный вход, если в связи может участвовать только один экземпляр сущности. Обязательный конец связи изображается сплошной линией, а необязательный - прерывистой линией.

Как и сущность, связь - это типовое понятие, все экземпляры обеих пар связываемых сущностей подчиняются правилам связывания.

На рис.12 приведен пример изображения сущностей и связи между ними.

Рис. 12.

Данная диаграмма может быть интерпретирована следующим образом: Каждый СТУДЕНТ учится только в одной ГРУППЕ; Любая ГРУППА состоит из одного или более СТУДЕНТОВ. На следующем рисунке (рис.13) изображена сущность ЧЕЛОВЕК с рекурсивной связью, связывающей ее с ней же самой.

Рис.13.

Лаконичной устной трактовкой изображенной диаграммы является следующая:

Каждый ЧЕЛОВЕК является сыном одного и только одного ЧЕЛОВЕКА;

Каждый ЧЕЛОВЕК может являться отцом для одного или более ЛЮДЕЙ ("ЧЕЛОВЕК").

Атрибутом сущности является любая деталь, которая служит для уточнения, идентификации, классификации, числовой характеристики или выражения состояния сущности. Имена атрибутов заносятся в прямоугольник, изображающий сущность, под именем сущности и изображаются малыми буквами. Например (см рис.14):

Рис. 14.

Как и в реляционных схемах баз данных, в ER-схемах вводится понятие нормальных форм, причем их смысл очень близко соответствует смыслу реляционных нормальных форм. Заметим, что формулировки нормальных форм ER-схем делают более понятным смысл нормализации реляционных схем. Мы рассмотрим только очень краткие и неформальные определения трех первых нормальных форм.

В первой нормальной форме ER-схемы устраняются повторяющиеся 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.Мы остановились только на самых важных понятиях ER-модели данных. К числу более сложных элементов модели относятся следующие:

Подтипы и супертипы сущностей. ER-модель позволяет задавать отношение IS-A между типами. При этом если Т 1 IS-A Т 2 (где Т 1 и T 2 - типы сущностей), то Т 1 называется подтипом Т 2 а Т 2- супертипом Т 1. Т.о., существует возможность наследования типа сущности, исходя из одного или нескольких супертипов.

Связи "многие-со-многими". Иногда бывает необходимо связывать сущности таким образом, что с обоих концов связи могут присутствовать несколько экземпляров сущности (например, все члены кооператива сообща владеют имуществом кооператива). Для этого вводится разновидность связи "многие-со-многими".

Каскадные удаления экземпляров сущностей. Некоторые связи бывают настолько сильными (конечно, в случае связи "один-ко-многим"), что при удалении опорного экземпляра сущности (соответствующего концу связи "один") нужно удалить и все экземпляры сущности, соответствующие концу связи "многие". Соответствующее требование "каскадного удаления" можно сформулировать при определении сущности.

Эти и другие, более сложные элементы модели данных "Сущность-Связь", делают ее более мощной, но одновременно несколько усложняют ее использование. Конечно, при реальном использовании ER-диаграмм для проектирования баз данных необходимо ознакомиться со всеми возможностями.

АВТОМИР

9.1. Модель «Сущность-Связь»