Понятие ER-модели. Понятие сущности (entity). Атрибуты. Виды атрибутов

1. Какие проблемы могут возникнуть у разработчика при проектировании базы данных?

При проектировании базы данных и разработке программного продукта наиболее важной проблемой есть проблема взаимодействия разработчика с заказчиком. Задача разработчика – наиболее точно воссоздать пожелания заказчика при разработке программного продукта управления базой данных. Основная проблема, которую нужно решить разработчику – правильное построение базы данных, а точнее схемы (структуры) базы данных.

Кроме того, разработчик дополнительно встречается с другими трудностями, к которым можно отнести:

• поиск эффективных алгоритмов;
• подбор надлежащих структур данных;
• отладка и тестирование сложного кода;
• дизайн и удобство интерфейса приложения.

В процессе разработки программного обеспечения, управляющего базой данных, разработчик должен подробно выучить требования заказчика. База данных должна быть разработана таким образом, чтобы она была понятной, наиболее точно отображала решаемую проблему и не содержала избыточности в данных.

Чтобы облегчить процесс разработки (проектирования) базы данных, используются так называемые семантические модели данных. Для разных видов баз данных наиболее известной есть ER-модель данных (Entity-Relationship model).

2. Что такое ER-модель (Entity-relationship model)? Для чего нужно разрабатывать ER-модель?

ER-модель (Entity-relationship model или Entity-relationship diagram) – это семантическая модель данных, которая предназначена для упрощения процесса проектирования базы данных. Из ER-модели могут быть порождены все виды баз данных: реляционные, иерархические, сетевые, объектные. В основе ER-модели лежат понятия «сущность», «связь» и «атрибут».

Для больших баз данных построение ER-модели позволяет избежать ошибок проектирования, которые чрезвычайно сложно исправлять, в особенности, если база данных уже эксплуатируется или на стадии тестирования. Ошибки в разработке структуры базы данных могут привести к переделке кода программного обеспечения управляющего этой базой данных. В результате время, средства и человеческие ресурсы будут использованы неэффективно.

ER-модель – это представление базы данных в виде наглядных графических диаграмм. ER-модель визуализирует процесс, который определяет некоторую предметную область. Диаграмма «сущность»-«связь» – это диаграмма, которая представляет в графическом виде сущности, атрибуты и связи.

ER-модель – это только концептуальный уровень моделирования. ER-модель не содержит деталей реализации. Для той же самой ER-модели детали ее реализации могут отличаться.

3. Что такое сущность в базе данных? Примеры

Сущность в базе данных – это любой объект в базе данных, который можно выделить исходя из сути предметной области для которой разрабатывается эта база данных. Разработчик базы данных должен уметь правильно определять сущности.

Пример 1. В базе данных книжного магазина можно выделить следующие сущности:

• книга;
• поставщик;
• размещение в магазине.

Пример 2. В базе данных учета учебного процесса некоторого учебного заведения можно выделить следующие сущности:

• студенты (ученики);
• преподаватели;
• группы;
• дисциплины, которые изучаются.

4. Какие существуют разновидности типов сущностей? Обозначение типов сущностей в ER-модели

В модели «сущность»-«связь» различают две разновидности типов сущностей:

• слабый тип . Этот тип сущности есть зависимым от сильной сущности;
• сильный тип . Это самостоятельный тип сущности, который ни от кого не зависит.

На рисунке 1 изображены обозначения слабого и сильного типа сущности в ER-модели.

Рис. 1. Обозначение сильного и слабого типов сущности

5. Для чего предназначены атрибуты? Виды атрибутов. Обозначение атрибутов на ER-модели

Каждый тип сущности имеет определенный набор атрибутов. Атрибуты предназначены для описания конкретной сущности.

Различают следующие виды атрибутов:

• простые атрибуты. Это атрибуты, которые могут быть частью составных атрибутов. Эти атрибуты состоят из одного компонента. Например, к простым атрибутам можно отнести: код книги в библиотеке или курс обучения студента в учебном заведении;
• составные атрибуты. Это атрибуты, которые состоят из нескольких простых атрибутов. Например, адрес проживания может содержать название страны, населенного пункта, улицы, номера дома;
• однозначные атрибуты. Это атрибуты, которые содержат только одно единственное значение для некоторой сущности. Например, атрибут «Номер зачетной книги» для типа сущности «Студент» есть однозначным, так как студент может иметь только один номер зачетной книги (одно значение);
• многозначные атрибуты. Это атрибуты, которые могут содержать несколько значений. Например, многозначный атрибут «Номер телефона» для сущности «Студент», так как студент может иметь несколько номеров телефона (домашний, мобильный и т.д.);
• произвольные атрибуты. Это атрибуты, значение которых формируется на основе значений других атрибутов. Например, текущий курс обучения студента можно вычислить на основе разности текущего года обучения и года поступления студента в учебное заведение (если студент не имел проблем с учебой и хорошо учил дисциплину «Организация баз данных и знаний»).

На ER-диаграмме атрибуты обозначаются так, как изображено на рисунке 2. Как видно из рисунка, любой атрибут обозначается в виде эллипса с названием внутри эллипса. Если атрибут есть первичным ключом, то его название подчеркивают.

Рисунок 2. Представление атрибутов на диаграммах ER-модели

6. Как типы сущностей и атрибуты ER-модели реализуются в реальных базах данных и управляемых ими программах?

При разработке программ управления базами данных, типы сущностей и их атрибуты можно представлять по разному при этом придерживаясь нескольких подходов:

• выбрать в качестве источника данных известную технологию (например Microsoft SQL Server, Oracle Database, Microsoft Access, Microsoft ODBC Data Source и т.п.), которая уже исследована, протестирована, стандартизирована и имеет огромный набор средств управления базой данных;
• разработать собственный формат базы данных и реализовать методы ее обработки, а взаимодействие с известными источниками данных реализовать в виде специальных команд наподобие Импорт/Экспорт. В этом случае придется собственноручно программировать всю рутинную работу по ведению и обеспечению надежной работы базы данных;
• реализовать объединение двух вышеприведенных подходов. Современные средства разработки программного обеспечения имеют мощный набор библиотек для обработки сложных наборов и визуализации данных в них (коллекции, массивы, компоненты визуализации и т.п.).

Если база данных реализуется в известных реляционных СУБД (например Microsoft Access, Microsoft SQL Server и т.п.), то типы сущностей представляются таблицами. Атрибуты из ER-модели соответствуют полям таблицы. Одна запись в таблице базы данных представляет один экземпляр сущности.

Каждый вид атрибута реализуется следующим образом:

• простой атрибут или однозначный атрибут может быть представлен доступным набором базовых типов, которые есть в любом языке программирования. Например, целочисленные атрибуты представляются типом int , integer , uint и т.д.; атрибуты содержащие дробную часть могут быть представлены типом float , double ; строчные атрибуты типом string и т.д.;
• составной атрибут – это объект, который включает в себя несколько вложенных простых атрибутов. Например, в СУБД Microsoft Access составной атрибут некоторой таблицы может формироваться на основе набора простых типов (полей). В языках программирования объединение полей реализуется структурами или классами;
• многозначный атрибут может быть реализован массивом или коллекцией простых или составных атрибутов;
• произвольный атрибут реализуется дополнительным полем, которое вычисляется при обращении к таблице. Такое поле называется вычислительным полем (calculated field) и формируется на основе других полей таблицы;
• атрибут, который есть первичным ключом может быть целочисленным, строчным или иного порядкового типа. В этом случае, значение каждой ячейки таблицы, которая соответствует первичному ключу, есть уникальным. Наиболее часто, в качестве первичного ключа выступает целый тип (int , integer ).

Если база данных реализована в уникальном формате, то типы сущностей удобнее всего представлять в виде классов или структур. Атрибуты сущности реализуются в виде полей (внутренних данных) класса. Методы класса реализуют необходимую обработку полей класса (атрибутов). Взаимодействие (связь) между классами реализуется с помощью специально разработанных интерфейсов с использованием известных шаблонов проектирования.

7. Пример фрагмента ER-модели для типа сущности «Студент»

Приведенный пример демонстрирует фрагмент ER-модели для типа сущности «Студент».

Рисунок 3. Фрагмент ER-модели для типа сущности «Студент»

На вышеприведенном рисунке объявляются следующие атрибуты, которые в СУБД (программе) могут иметь следующие типы:

• атрибут Первичный ключ – есть уникальным целочисленным значением которое формируется автоматически. В СУБД это есть поле-счетчик;
• атрибут Год вступления – простой атрибут, который можно реализовать целочисленным значением (int , integer );
• атрибут Номер телефона – многозначный атрибут, который может быть реализован как массив или коллекция и т.п.;
• атрибут Номер зачетной книжки – простой атрибут, который можно реализовать как строку символов, поскольку номер зачетной книжки кроме цифр может содержать и буквы;
• атрибут Страна , Город , Улица , Номер дома – это атрибуты, которые образуют составной атрибут Адрес . Все эти атрибуты могут быть строчного (текстового) типа (string , Text );
• атрибут Фамилия , Имя , Отчество – это простые атрибуты, которые являются частью составного атрибута Имя студента . Все эти атрибуты могут быть строчного (текстового) типа (string , Text );
• атрибут День рождения – простой атрибут типа Дата (DateTime );
• атрибут Возраст студента – вычисляемое поле, которое определяется как разность текущей (системной) даты и значения атрибута День рождения .

Основу модели базы данных в любой диаграмме составляют сущности и связи, которые впоследствии трансформируются в таблицы и связи базы данных. Создание сущностей выполняется при формировании диаграммы модели базы данных. Визуальное представление модели является неотъемлемой частью проектирования базы данных, поскольку оно позволяет разработчику легче анализировать возникающие некорректности в модели и представить модель в виде, удобном для рассмотрения заказчиком и другими разработчиками.

Для формирования элементов диаграммы используется палитра элементов ("Palette", рис. 3.49), где размещена область "Data" с объектами "Entity" (сущность) и связи. Выбор элемента палитры "Entity" (сущность) предоставит пользователю возможность создать объект "Сущность" на диаграмме, в результате чего необходимо ввести название сущности.

Создание сущностей может быть также реализовано через контекстное меню папки "Package..." (пакет...), где пункт меню "Add Data Object/ Entity" (Добавить новый объект/Сущность) создаст сущность в дереве проекта и предоставит разработчику возможность, как и на диаграмме, ввести название сущности (рис. 3.50).

Также возможно создание сущностей непосредственно на диаграмме с помощью контекстно-зависимого графического меню. Для этого необходимо навести курсор "мыши" на пустое пространство диаграммы и не двигать ее некоторое время, что приведет к появлению области с пиктограммами, обозначающими возможность создания допустимых элементов. Для логической модели базы данных будет выведена только одна пиктограмма, обозначающая возможность создания сущности. Ее выбор, как и в предыдущих случаях, создаст новую сущность с предложением ввести ее название.

В закладке свойств сущности "Volumetries" (Измерители) разработчик может указать параметры изменения количества экземпляров рассматриваемой сущности (рис. 3.51), среди которых:

• Initial number of rows (начальное количество экземпляров) - указывает на то количество данных (экземпляров), которое должно быть добавлено сразу после создания таблицы;
• Row growth per month (добавление экземпляров в месяц) - указывает, какое количество экземпляров должно добавляться в месяц;
• Maximum number of rows (максимальное количество экземпляров) - указывает на максимальное количество экземпляров, которое может храниться в таблице, описываемой рассматриваемой сущностью.

Рис. "3.51. Установление параметров изменения
количественных показателей сущности

В разделе свойств сущности среди параметров закладки "General" (основное) разработчику предлагается установить дополнительный параметр "Persistent" (постоянный), который определяет возможность трансформации сущности в таблицу при переходе от логической к физической модели базы данных. Но вся информация о структуре будущей базы данных заложена в связях между сущностями и атрибутах, которые характеризуются значительно большим количество параметров. Используя закладку "Attributes" (атрибуты), можно создать атрибуты сущности и определить их основные параметры.

Также, аналогично созданию сущности, атрибуты могут быть созданы различными способами (рис. 3.52):

• - с помощью контекстного меню - используется контекстное меню сущности в дереве проектов, где предоставляется возможность выбрать объект для создания - атрибут, альтернативный ключ, ограничение и т.д.;
• - с помощью свойств сущности - используется область свойств в закладке "Attributes" (атрибуты), где с помощью имеющегося там инструментария создаются и специфицируются атрибуты;

с помощью графического меню диафаммы - используется графическое меню с пиктограммами при наведении "мыши" на сущность, с помощью которого создаются первичный ключ и простые атрибуты с предоставлением возможности указать название атрибута.

Puc. 3.52. Пример создания атрибута
через свойства сущности

При использовании свойств сущности разработчик в закладке "Attributes" (атрибуты), используя пиктограмму со знаком "+", создает новые атрибуты, после чего должен определить основные параметры созданного атрибута:

• Name (наименование) - наименование атрибута, по которому определяется содержательный смысл описываемых данных;
• Primary Key (первичный ключ) - признак, обозначающий, что атрибут является элементом первичного ключа и для него необходимо создать соответствующие ограничения целостности;
• Surrogate Key (суррогатный ключ) - признак, обозначающий, что атрибут не является элементом предметной области, но необходим для эффективной работы с базой данных и будет содержать значения, автоматически генерируемые в соответствии с правилами арифметической прогрессии;
• Туре (тип) - тип данных, которым описываются значения, представляемые атрибутом;
• Length/Precision (размер/точиость) - числовое значение, обозначающее количество символов (байт), необходимых для хранения максимального значения по описываемому атрибуту;
• Scale (масштаб) - числовое значение, используемое для числовых атрибутов, которое описывает количество знаков после десятичной точки при работе с вещественными числами;
• Required (обязательность) - признак невозможности хранения по атрибуту пустого значения NULL;
• Derived (вычисляемое) - признак необходимости вычисления значения по определенному выражению, используя математические, лингвистические операции и различные функции языка СУБД;
• Default Value (значение умолчания) - значение, которое должно записываться, если при добавлении или изменении данных для атрибута не было определено;
• Derivation Expression (вычисляемое выражение) - формульное выражение, которое должно вычисляться при добавлении или изменении данных.

Важно отметить, что инструментальное средство предоставляет возможности сортировки атрибутов в сущности в нужном разработчику порядке. Осуществляется это с помощью пиктограмм управления в виде разнонаправленных стрелок. Однако с учетом того, что правилами Кодда определяется независимость от порядка расположения атрибутов, установление порядка не является необходимой составляющей в модели базы данных. Есть две причины, чтобы выстраивать необходимый порядок атрибутов:

Удобство работы - при выстраивании порядка атрибутов по определенным правилам (например, первыми должны идти атрибуты, обозначающие первичный ключ, далее нужно разместить внешние ключи, потом альтернативный ключ и простые атрибуты) легче читать диаграмму модели и идентифицировать некоторые проблемные ситуации, которые могут возникнуть при практической работе с базой данных;использование особых технологий обработки - при добавлении данных в языке SQL предусматривается возможность не указывать перечень

нолей таблицы, в которые будут вноситься указанные в команде данные, что требует от разработчика программного кода знания о точном порядке полей в таблице, которое на уровне логической модели может быть определено сортировкой атрибутов.

Помимо установления характеристик для каждого атрибута, включая задание значения по умолчанию и формульного выражения для вычисления, любая сущность может иметь ограничения целостности, обеспечивающие корректное хранение значения по соответствующему атрибуту. Например, для атрибута, хранящего значения годов, может быть необходимым ограничить минимальное значение. Поскольку на уровне построения логической модели разработчик может не знать о том, какая СУБД будет применяться для реализации, то использование функций на любом из языков программирования не будет корректным. Однако инструментальное средство IBM InfoSphere Data Architect предоставляет возможность разработчику указать условие ограничения на нескольких языках (рис. 3.53):

• OCL (Object Constraint Language) - язык ограничений для объектов, применяемый при объектно-ориентированном представлении данных и программы приложения, достаточно редко применяемый при реализации реляционных баз данных, использует стандартные логические выражения и указания на атрибуты сущностей (например: Сущность. Год >= 2000):
• SQL (Structured Query Language) - язык структурированных запросов, применяемый при обработке реляционных баз данных, обычно ориентирован на конкретную СУБД и имеет множество функций, присущих только выбранной СУБД, использует логические операции (AND (И), OR (ИЛИ) и др.) и применяет их на уровне атрибута рассматриваемой сущности (например: Год >= 2000 and Год
• English - естественный язык, непереводимый в язык программирования, обычно применяемый для описания ограничения с последующим представлением в процессе программирования соответствующим логическим выражением (например: Год представляется значением в диапазоне }