Лекция № 11. Проектирование схем баз данных

Наиболее распространенным средством абстрактного представления схем баз данных при проектировании на логическом уровне является так называемая модель «сущность – связь». Ее еще иногда называют ER-модель, где ER – аббревиатура английского словосочетания Entity – Relationship, что буквально и переводится как «сущность – связь».

Элементами таких моделей являются классы сущностей, их атрибуты и связи. Дадим объяснения и определения каждого из этих элементов.

Класс сущностей – это как бы лишенный методов класс объектов в смысле объектноориентированного программирования. При переходе к физическому уровню классы сущностей преобразовываются в базовые отношения реляционных баз данных для конкретных систем управления базами данных. У них, как и у собственно базовых отношений, существуют собственные атрибуты.

Дадим более точное и строгое определение только что приведенных объектов.

Классом называется именованное описание совокупности объектов с общими атрибутами, операциями, связями и семантикой. Графически обычно класс изображается в виде прямоугольника. У каждого класса должно быть имя (текстовая строка), уникально отличающее его от всех других классов.

Атрибутом класса называется именованное свойство класса, описывающее множество значений, которые могут принимать экземпляры этого свойства. Класс может иметь любое число атрибутов (в частности, не иметь ни одного атрибута). Свойство, выражаемое атрибутом, является свойством моделируемой сущности, общим для всех объектов данного класса. Так что атрибут является абстракцией состояния объекта. Любой атрибут любого объекта класса должен иметь некоторое значение.

Так называемые связи реализуются с помощью объявления внешних ключей (подобные явления нам уже встречались раньше), т. е. в отношении объявляются внешние ключи, ссылающиеся на первичные или кандидатные ключи каких-то других отношений. И посредством этого и происходит «связывание» нескольких различных самостоятельных базовых отношений в единую систему, называемую базой данных.

Далее диаграмма, составляющая графическую основу модели «сущность – связь», изображается при помощи унифицированного языка моделирования UML.

Языку объектно-ориентированного моделирования UML (или Unified Modeling Language) посвящено великое множество книг, многие из которых переведены на русский язык (а некоторые и написаны российскими авторами).

Вообще, UML позволяет моделировать разные виды систем: чисто программные, чисто аппаратные, программно-аппаратные, смешанные, явно включающие деятельность людей и т. д.

Но, помимо прочего, как мы уже упоминали, язык UML активно применяется для проектирования реляционных баз данных. Для этого используется небольшая часть языка (диаграммы классов), да и то не в полном объеме. С точки зрения проектирования реляционных баз данных, модельные возможности не слишком отличаются от возможностей ER-диаграмм.

Мы также хотели показать, что в контексте проектирования реляционных баз данных структурные методы проектирования, основанные на использовании ER-диаграмм, и объектно-ориентированные методы, основанные на использовании языка UML, различаются главным образом, лишь терминологией. ER-модель концептуально проще UML, в ней меньше понятий, терминов, вариантов применения. И это понятно, поскольку разные

варианты ER-моделей разрабатывались именно для поддержки проектирования реляционных баз данных, и ER-модели почти не содержат возможностей, выходящих за пределы реальных потребностей проектировщика реляционной базы данных.

Язык UML принадлежит объектному миру. Этот мир гораздо сложнее (если угодно, непонятнее, запутаннее) реляционного мира. Поскольку UML может использоваться для унифицированного объектно-ориентированного моделирования всего чего угодно, в этом языке содержится масса различных понятий, терминов и вариантов использования, избыточных с точки зрения проектирования реляционных баз данных. Если вычленить из общего механизма диаграмм классов то, что действительно требуется для проектирования реляционных баз данных, то мы получим в точности ER-диаграммы с другой нотацией и терминологией.

Любопытно, что при формировании имен классов в UML допускается использование произвольной комбинации букв, цифр и даже знаков препинания. Однако на практике рекомендуется использовать в качестве имен классов короткие и осмысленные прилагательные и существительные, каждое из которых начинается с заглавной буквы.

(Подробнее понятие диаграммы мы рассмотрим в следующем параграфе нашей лекции.)

1. Различные типы и кратности связей

Связь между отношениями при проектировании схем баз данных изображается в виде линий, соединяющих классы сущностей.

При этом каждый из концов связи может (и вообще должен) характеризоваться наименованием (т. е. типом связи) и кратностью роли класса в связи. Рассмотрим подробнее понятия кратности и типы связей.

Кратностью (multiplicity) называется характеристика, указывающая, сколько атрибутов класса сущности с данной ролью может или должно участвовать в каждом экземпляре связи какого-либо вида.

Наиболее распространенным способом задания кратности роли связи является прямое указание конкретного числа или диапазона. Например, указание «1» говорит о том, что каждый класс с данной ролью должен участвовать в некотором экземпляре данной связи, причем в каждом экземпляре связи может участвовать ровно один объект класса с данной ролью. Указание диапазона «0..1» говорит о том, что не все объекты класса с данной ролью обязаны участвовать в каком-либо экземпляре данной связи, но в каждом экземпляре связи может участвовать только один объект. Поговорим о кратностях подробнее.

Типичными, самыми распространенными кратностями в системах проектирования баз данных являются следующие кратности:

1)1 – кратность связи на соответствующем ее конце равна единице;

2)0… 1 – такая форма записи означает, что кратность данной связи на соответствующем своем конце не может превышать единицы;

3)0… ∞ – такая кратность расшифровывается просто «много». Любопытно, что, как правило, «много» означает «ничего»;

4)1… ∞ – такое обозначение получила кратность «один или более».

Приведем пример простой диаграммы для иллюстрирования работы с различными кратностями связей.

Согласно этой диаграмме, можно легко понять, что каждая касса имеет много билетов, а, в свою очередь, каждый билет находится в какой-то одной (и не более того) кассе.

Теперь рассмотрим наиболее распространенные типы или наименования связей. Перечислим их:

1)1 : 1 – такое обозначение получила связь «один к одному», т. е. это как бы взаимнооднозначное соответствие двух множеств;

2)1 : 0… ∞ – это обозначение связи типа «один ко многим». Для краткости такую связь называют «1 : М». В рассмотренной ранее диаграмме, как можно заметить, присутствует связь именно с таким наименованием;

3)0… ∞ : 1 – это обращение предыдущей связи или связь типа «многие к одному»;

4)0… ∞ : 0… ∞ – это обозначение связи типа «многие ко многим», т. е. с каждого конца связи присутствует много атрибутов;

5)0… 1 : 0… 1 – это связь, аналогичная введенной ранее связи типа «один к одному», она, в свою очередь, называется «не более одного к не более одному»;

6)0… 1 : 0… ∞ – это связь, аналогичная связи типа «один ко многим», она называется «не более одного ко многим»;

7)0… ∞ : 0… 1 – это связь, в свою очередь, аналогичная связи типа «многие к одному», она называется «многие к не более одному».

Как можно заметить, три последние связи получились из связей, которые в нашей лекции перечислены под номерами один, два и три путем замены кратности «один» на кратность «не более одного».