Предметной области

Инфологическое моделирование (иногда используется термин семантическое моделирование) применяется на втором этапе проектирования БД, то есть после системного анализа предметной области. На этапе системного анализа были сформированы понятия о предметах, фактах и событиях, которыми будет оперировать БД. Инфологическое проектирование связано с представлением семантики предметной области в модели БД, т.е. моделирование структур данных, опираясь на смысл этих данных. Инфологическое моделирование было предметом исследований в конце 1970-х и начале 1980-х годов. Было предложено несколько моделей данных, названных семантическими моделями. Наибольшее распространение получила модель "сущность-связь" (entity-relationship model, ER-модель), предложенная в 1976 г. Питером Пин-Шэн Ченом.

Модель «сущность-связь» является концептуальной моделью, т.е. не учитывает особенности конкретной СУБД. Из модели "сущность-связь" могут быть получены все основные фактографические модели данных (иерархическая, сетевая, реляционная, объектно-ориентированная).

Модели "сущность-связь" удобны тем, что процесс создания модели является итерационным. Разработав первый приближенный вариант модели, можно уточнять ее, опрашивая экспертов предметной области. При этом документацией, в которой фиксируются результаты бесед, является сама модель "сущность-связь".

В этой главе мы рассмотрим основные понятия модели "сущность-связь":

• Сущности

• Атрибуты

• Ключевые атрибуты

• Связи

• Степени связей

• Классы принадлежности сущностей в связях

А также рассмотрим пример построения диаграммы "сущность-связь".

2.1.1. Модель «сущность-связь»

Основными понятиями модели "сущность-связь" являются: сущность, связь и атрибут.

Любой фрагмент предметной области может быть представлен как множество сущностей, между которыми существует некоторое множество связей.

Сущность - это реальный или представляемый объект, информация о котором должна сохраняться в проектируемой системе.

Сущность имеет имя, уникальное в пределах системы. Сущность соответствует некоторому классу однотипных объектов, то есть в системе существует множество экземпляров данной сущности.

Примеры сущностей: люди, продукты, студенты и т.д.

Примеры экземпляров сущностей: конкретный человек, конкретный продукт, конкретный студент и т.д. Сущности не обязательно должны быть непересекающимися. Например, экземпляр сущности СТУДЕНТ, также принадлежит сущности ЛЮДИ. Объект, которому соответствует понятие сущности, имеет свой набор атрибутов – характеристик, определяющих свойства данного объекта. Атрибут должен иметь имя, уникальное в пределах данной сущности.

Пример:

Рассмотрим множество пищевых продуктов, имеющихся в магазине. Каждый продукт можно представить следующими характеристиками: Код продукта, Продукт, Срок хранения, Условия хранения.

В дальнейшем для определения сущности и ее атрибутов будем использовать обозначение вида Продукты(КодПродукта, Продукт, ЕдиницаИзмерения, СрокХранения, УсловияХранения).

Например, поставщиков, поставляющих продукты в магазин, можно описать как Поставщики (Код поставщика, Поставщик, Адрес) Множество допустимых значений (область определения) атрибута называется доменом. Например, атрибут Срок хранения хранит информацию о количестве дней, в течение которых продукт годен к употреблению. То есть этот атрибут принадлежит домену Количество дней, который задается интервалом целых чисел больших нуля, поскольку количество дней отрицательным быть не может.

Набор атрибутов сущности должен быть таким, чтобы можно было однозначно найти требуемый экземпляр сущности.

Например, сущность Продукты однозначно определяется атрибутом КодПродукта, поскольку все коды продуктов различны.

Отсюда определяется ключ сущности - это минимальный набор атрибутов, по значениям которых можно однозначно найти требуемый экземпляр сущности. Минимальность означает, что исключение из набора любого атрибута не позволяет идентифицировать сущность по оставшимся.

Пример. Сущность Продажа с атрибутами ДатаПродажи, КодПродукта, Количество, Цена содержит информацию о продаже продуктов за конкретный день. Для этой сущности ключом будут атрибуты ДатаПродажи и КодПродукта, поскольку за день могут быть проданы несколько продуктов, а конкретный продукт может быть продан в разные дни. Исключение любого атрибута из ключа не позволит однозначно найти требуемый экземпляр сущности, т.е. будет нарушено условие минимальности. Обозначим эту сущность как Продажа (ДатаПродажи, КодПродукта, Количество, Цена) Ключевой атрибут выделен подчеркиванием

Между сущностями могут быть установлены связи.

Связь - это ассоциация, установленная между несколькими сущностями, и показывающая как взаимодействуют сущности между собой.

Примеры:

• в магазине происходит продажа продуктов, т.е. между сущностями Продукты и Продажа существует связь «происходит» или Продукты-Продажа (обычно, но необязательно, связь обозначается глаголом или двойным названием сущностей, между которыми установлена эта связь)

• так как продукты в магазин поставляют поставщики, то между сущностями Продукты и Поставщики существует связь «поставка» или Продукты-Поставщики

• могут существовать и связи между экземплярами одной и той же сущности (рекурсивная связь), например связь Родитель-Потомок между экземплярами сущности Человек.

Связь также может иметь атрибуты. Например, для связи Продукты-Поставщики можно задать атрибуты ДатаПоставки, Цена и т.д.

Связь, существующая между двумя сущностями, называется бинарной связью.

Связь, существующая между n сущностями, называется n-арной связью.

Рекурсивная связь – это связь между экземплярами одной сущности.

Доказано, что любую n-арную связь всегда можно заменить множеством бинарных, однако первые лучше отображают семантику предметной области.

То число экземпляров сущностей, которое может быть ассоциировано через связь с экземплярами другой сущности, называют степенью связи. Рассмотрение степеней особенно полезно для бинарных связей.

Очень важным свойством модели "сущность-связь" является то, что она может быть представлена в виде графической схемы (диаграммы). Это значительно облегчает анализ предметной области. Существует несколько вариантов обозначения элементов диаграммы "сущность-связь" (нотаций). Для обозначения сущностей, связей и атрибутов будем использовать нотацию Чена, а для обозначения степеней и кардинальностей связей – нотацию Мартина (понятие кардинальности связи поясним чуть позже). В Таблице 2-1 приводится список используемых здесь обозначений.

Рассмотрим теперь существующие степени бинарных связей:

• один-к-одному (обозначается 1:1). Это означает, что в такой связи в каждый момент времени каждому экземпляру сущности A соответствует 1 или 0 экземпляров сущности B. Данный факт представлен на Рис. 2-1, где прямоугольники обозначают сущности, а ромб - связь. Так как степень связи для каждой сущности равна 1, то они соединяются одной линией.

• один-ко-многим (1:N). Одному экземпляру сущности A соответствуют 0, 1 или N экземпляров сущности B. Графически степень связи N отображается "древообразной" линией, так это сделано на следующем рисунке (Рис. 2-2).

• многие-к-одному (N:1). Эта связь аналогична отображению 1:N. Одному экземпляру сущности B соответствуют 0, 1 или N экземпляров сущности A (Рис. 2-3).

• многие-ко-многим (M:N). В этом случае одному экземпляру сущности A соответствуют 0, 1 или N экземпляров сущности B, и наоборот, одному экземпляру сущности B соответствуют 0, 1 или N экземпляров сущности A (Рис. 2-4).

Другой важной характеристикой связи помимо ее степени является класс принадлежности входящих в нее сущностей. Существует обязательный и необязательный классы принадлежности.

Рассмотрим примеры степени связи один-к-одному:

1. Если рассматривать традиционный брак, то степень связи между сущностями Мужчина и Женщина будет 1:1. Кроме того, каждый мужчина, состоящий в браке, обязательно ДОЛЖЕН иметь жену. Таким образом, говорят, что сущность Женщина имеет обязательный класс принадлежности. И, наоборот, каждая женщина, состоящая в браке, ДОЛЖНА иметь мужа. То есть, сущность Мужчина также имеет обязательный класс принадлежности (2-5).

Рис. 2-5. Связь 1:1, обязательные классы принадлежности

2. Сотрудник руководит отделом(Рис. 2-6). Поскольку сотрудник может руководить только ОДНИМ отделом, а в отделе может быть только ОДИН руководитель, то степень связи в этом примере 1:1. Кроме того, в каждом отделе ДОЛЖЕН быть руководитель, т.е. каждому экземпляру сущности Отдел ДОЛЖЕН соответствовать экземпляр сущности Сотрудник (сущность Сотрудник имеет обязательный класс принадлежности). С другой стороны, далеко не все сотрудники должны быть руководителями, т.е. сотрудник МОЖЕТ (но не должен) быть руководителем. Таким образом, есть экземпляры сущности Сотрудник, которым не соответствует ни один экземпляр сущности Отдел (необязательный класс принадлежности).

Рис. 2-6. Связь 1:1, обязательный и необязательный классы принадлежности

3. Человек читает книгу (Рис. 2-7). Человек может читать сразу только ОДНУ книгу, а конкретная книга может быть читаема только ОДНИМ человеком, следовательно, степень связи 1:1. Человек МОЖЕТ читать книгу, а может ничего не читать. С другой стороны не каждая книга должна читаться, некоторые стоят на полке. Таким образом, обе сущности имеют необязательный класс принадлежности. Рис. 2-7. Связь 1:1, необязательные классы принадлежности.

Рис. 2-7. Связь 1:1, необязательные классы принадлежности

Рассмотрим примеры степени связи один-ко-многим (многие-к-одному):

4. В процессе обучения студенты объединены в группы. Каждая группа может содержать множество студентов, а каждый студент может входить только в одну группу, т.е. степень связи 1:N (Рис. 2-8). Каждая группа ДОЛЖНА содержать студентов, а каждый студент ДОЛЖЕН быть зачислен в конкретную группу, т.е. обе сущности имеют обязательные классы принадлежности Рис. 2-8. Связь 1:N, обязательные классы принадлежности

Рис. 2-8. Связь 1:N, обязательные классы принадлежности

5. Поставщики продуктов имеют один юридический адрес, следовательно, ДОЛЖНЫ находиться в одном конкретном городе. А в одном городе МОГУТ находиться один, несколько или ни одного поставщика. Т.е. связь будет N:1, сущность Города будет иметь обязательный, а сущность Поставщики – необязательный классы принадлежности (Рис. 2-9).

Рис. 2-9. Связь N:1, обязательный и необязательный классы принадлежности

Если существование сущности x зависит от существования сущности y, то x называется зависимой сущностью (иногда сущность x называют "слабой", а "сущность" y - сильной).

Степень связи для сильной сущности всегда будет 1 и обязательный класс принадлежности. Класс принадлежности и степень связи для зависимой сущности могут быть любыми.

6. В магазине происходит продажа продуктов. Продукт не может быть продан, если его нет в магазине. Поэтому сущность Продажи является зависимой от сущности Продукты (Рис. 2-10). Продукт МОЖЕТ быть продан в разные дни (а может быть вообще не продан), конкретная продажа связана только с одним продуктом. Таким образом, степень связи N:1, сущность Продажи имеет необязательный, а сущность Продукты - обязательный классы принадлежности (в самом деле, продажа без продукта теряет смысл)

Рис. 2-10. Зависимая и независимая сущности

Рассмотрим пример степени связи многие-ко-многим:

7. Продукты в магазин поставляются поставщиками. Каждый продукт, имеющийся в магазине, ДОЛЖЕН быть поставлен одним или несколькими поставщиками, а каждый из поставщиков МОЖЕТ поставлять один или несколько продуктов или не поставлять ни одного. Т.е. степень связи M:N (Рис. 2-11), а класс принадлежности для Поставщиков – обязательный, для Продуктов – необязательный.

Рис. 2-11. Связь M:N, обязательный и необязательный классы принадлежности

Между одними и теми же сущностями могут существовать несколько связей, например:

8. С одной стороны продукты в магазин поставляются заказчиками, с другой стороны, чтобы продукты были поставлены в магазин, необходимо заказать поставщикам необходимые продукты. Таким образом, между сущностями Продукты и Поставщики существуют связи «Поставляют» и «Заказаны» (Рис. 2-12). Связь «Поставляют» рассмотрена в предыдущем примере. Рассмотрим подробнее связь «Заказаны». Каждый продукт ДОЛЖЕН быть заказан одному или нескольким поставщикам, каждый поставщик МОЖЕТ получить заказ на один или несколько продуктов или вообще не получить заказ.

Рис. 2-12. Несколько связей между двумя сущностями

9. Рассмотрим сущности Врач и Пациент. Пациент ДОЖЕН иметь одного лечащего врача, а врач МОЖЕТ лечить несколько пациентов. Кроме того, пациент МОЖЕТ иметь нескольких врачей-консультантов, а врач МОЖЕТ консультировать нескольких пациентов (Рис.2-13).

Рис. 2-13. Несколько связей между двумя сущностями

2.1.2. Пример построения модели «сущность-связь»

В процессе построения диаграммы "сущность-связь" можно выделить несколько этапов:

• Определение списка сущностей выбранной предметной области

• Определение списка атрибутов сущностей

• Описание связей между сущностями (степени, классы принадлежности связей, а также атрибуты связей, если они необходимы)

• Организация данных в виде диаграммы "сущность-связь"

В качестве примера построим диаграмму, отображающую связь данных для информационной системы учета продажи продуктов в магазине. БД должна хранить информацию о продуктах, поставляемых в магазин, их ежедневной продаже, заказах на поставку продуктов, а также о поставщиках продуктов.

Составим список сущностей, необходимых для реализации поставленной задачи: