Понятие сущности. Типы сущностей

Модель «сущность -  связь» (или ER-модель) представляет собой способ логического унифицированного представления данных некоторой предметной области. Хотя, как мы увидим далее,  эта модель очень напоминает систему связанных друг с другом таблиц, в действительности это совершенно общее представление. Эта модель может быть преобразована к любой из существующих конкретных моделей данных: иерархической, сетевой, реляционной, объектной. Существенно, что ER-модель позволяет представлять только данные, но не действия, которые с ними могут производиться, поэтому она используется лишь для проектирования структуры хранимых данных. Поскольку многие  понятия, которые мы будем разбирать в связи с моделью «сущность - связь» были нами  рассмотрены в основах реляционных баз данных (параграфы 1.1,1.2,1.3), будем опираться на эти знания.

Достоинствами данной модели являются

·            Простота

·            Наглядность.

·            Однозначность.

·            Использование естественного языка.

Определение

Сущность это собирательное понятие, некоторая абстракция реально существующего объекта, процесса, явления или некоторого представления об объекте, информацию о котором требуется хранить в базе данных.

Необходимо различать такие понятия, как тип сущности и экземпляр сущности. Понятие тип сущности относится к набору однородных личностей, предметов, событий или идей, выступающих как целое. Экземпляр сущности относится к конкретной вещи в наборе. Например, типом сущности может быть ГОРОД, а экземпляром – Москва, Киев и т.д. Предполагается, что гарантировано отличие экземпляров одного типа сущности друг от друга. Данное требование вполне аналогично требованию отсутствия в таблице тождественных строк.  В дальнейшем, однако, там, где это не может вызвать неоднозначного прочтения, мы не будем различать типы и экземпляры, а будем просто использовать термин «сущность». Принято выражать (именовать) сущность существительным или существительным с характеризующим его прилагательным (СТУДЕНТ, ДЕКАНАТ, ВЫПУСКАЮЩАЯ КАФЕДРА и др.).

Выделяют  три вида сущностей: стержневая, ассоциативная (ассоциация) и характеристическая (характеристика). Кроме этого во множестве ассоциативных сущностей также определяют подмножество обозначений. Дадим теперь определение видам сущностей.

Стержневая сущность.

Стержневая (сильная) сущность – независящая от других сущность. Стержневая сущность не может быть ассоциацией, характеристикой или обозначением (см. ниже).

Ассоциация.

Ассоциативная сущность (или ассоциация) выражает собой связь «многие ко многим» между двумя сущностями. Является вполне самостоятельной сущностью. Например, между сущностями МУЖЧИНА и ЖЕНЩИНА существует ассоциативная связь, выражаемая ассоциативной сущностью БРАК.

Характеристика.

Характеристическую сущность еще называют слабой сущностью. Она связана с более сильной сущностью связями «один ко многим» и «один к одному». Характеристическая сущность описывает или уточняет другую сущность. Она полностью зависит от нее и исчезает с исчезновением последней. Например, сущность Зарплата является характеристикой конкретных работников предприятия и не может в таком контексте существовать самостоятельно – при удалении экземпляра сущности Работника должны быть удалены и экземпляры сущности Зарплата, связанные с удаляемым работником.

Обозначение.

Обозначение это такая сущность, с которой другие сущности связаны по принципу «многие к одному» или «один к одному». Обозначение, в отличие характеристики является самостоятельной сущностью. Например, сущность Факультет обозначает принадлежность студента к данному подразделению института, но является вполне самостоятельной. 

Любой фрагмент предметной области может быть представлен некоторым набором сущностей и связями между ними. Например, рассматривая предметную область ФАКУЛЬТЕТ можно выделить следующие основные сущности: СТУДЕНТ, КАФЕДРА, СПЕЦИАЛЬНОСТЬ, ДЕКАНАТ, ГРУППА, ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, ЭКЗАМЕН.  На первом этапе создания ER-модели данных  следует выделить все сущности, которые предполагается описывать исходя из постановки задачи. Лишний раз подчеркнем, что сущностью может быть  не только некоторый материальный объект, но и некоторый процесс, например ЭКЗАМЕН, ЛЕКЦИЯ. Сущностью может быть и некоторая количественная и качественные характеристики объекта: УЧЕНОЕ ЗВАНИЕ, СТАЖ и др. Все в действительности зависит от постановки задачи и от нашего анализа предметной области.

Основные понятия

Рассмотрим другие важные понятия, используемые при построении ER-модели. Мы ввели уже понятие сущности.  Остановимся на трех других Понятиях: атрибут сущности, ключ, связь.

Система диаграмм

Следует заметить, что в настоящее время разработано несколько различных  графических методов представления диаграмм в модели «сущность - связь». Рассмотрим   один из возможных подходов, в основе которого лежат диаграммы Чена. 

Таблица 1.6. Обозначения для ER-модели

Изображение	Комментарий
	Так на диаграмме изображается сильная сущность[1].
	Так на диаграмме изображается сущность, отличная от сильной сущности, без уточнения ее типа.
	Атрибут сущности. Вместо имени атрибута можно указать многоточие  «…», что будет обозначать группу атрибутов.
	Атрибут сущности, являющийся первичным ключом.
	Обозначает связь, между двумя сущностями.
	Ассоциативная сущность (связь «многие ко многим»).
	Обозначение сущности вида «характеристика».
	Показывает сущность вида «обозначение».
	Прямая линия указывает на связь между сущностями, либо соединяет сущность и атрибут. Линия со стрелкой указывает направленную связь.

 

Правила порождения

И так ER-диаграммы построены. Следующий этап проектирования – перенести диаграммы на язык таблиц конкретной СУБД. Можно сказать, что ER-диаграммы порождают реляционную базу данных. Оказывается процесс порождения можно легко формализовать, довести до автоматизма. Прежде всего, заметим,  что почти всегда есть взаимнооднозначное соответствие между сущностью и таблицей. При этом атрибуты сущности переходят в атрибуты  (столбцы)  таблицы, а первичный ключ сущности переходит в первичный ключ таблицы.  В Таблице 1.7 представлены правила соответствия бинарных связей сущностей и соответствующих элементов реляционной базы данных.

Таблица 1.7.Правила соответствия

Тип бинарной связи	Элементы реляционной базы данных
Связь «один к одному», характеристики (0,1) - (1,1) (1,1) - (0,1)	Для каждой сущности строится своя таблица. Связь между таблицами «один к одному».
Связь «один к одному», характеристики (1,1) – (1,1)	Строится одна таблица, структура которой состоит из атрибутов обеих сущностей. В качестве первичного ключа берется ключ  одной из сущностей.
Связь «один к одному», характеристики (0,1) – (0,1)	При построении связи на основе двух таблиц мы вынуждены допустить, что значение внешнего ключа может быть равно NULL. Если исключить эту возможность, то такую связь следует строить на основе трех таблиц. Одна таблица является таблицей – посредником. Она содержит первичные ключи двух других таблиц.
Связь «один ко многим», характеристики (0,1) – (1,N) (1,1) – (1,N)	Каждой сущности ставится в соответствие  таблица. Связи между таблицами имеет тип «один ко многим» и строится на основе первичного ключа первой таблицы.
Связь «один ко многим», характеристики (0,1) – (0,N) (1,1) – (0,N)	Обычно такой тип связи строится на основе трех таблиц (пар. 2, Один ко многим). Таблица посредник содержит внешний ключ, соответствующий первичному ключу первой таблицы и внешний ключ, соответствующий первичному ключу второй таблицы.
Связь «многие ко многим», характеристики (0,N) – (0,N) (1,N) – (1,N) (1,N) – (0,N) (0,N) – (1,N)	Любая связь такого типа строится на основе трех таблиц (см. пар. 2, Многие ко многим).

Правила порождения позволят легко перейти от логической модели данных к физической модели. 

Заканчивая рассматривать ER-модель, заметим, что при тщательном анализе предметной области, на предмет выявления сущностей, при переходе к реляционной базе данных дополнительная нормализация таблиц, скорее всего не понадобится. Зависимости внутри таблицы часто означают, что мы в одной таблице пытаемся вместить несколько сущностей.

 О диаграммных техниках, используемых при построении информационных систем

Функциональные диаграммы

Функциональное моделирование основывается на техниках SADT и IDEF. SADT была предложена Дугласом Россом в середине 1960-х годов.  Военно-воздушные силы США использовали методику SADT в своей программе ICAM (Integrated Computer Aided Manufacturing – интеграция компьютерных и промышленных технологий) и назвали ее IDEF В рамках технологии SADT было разработано несколько графических языков моделирования:

■           IDEF0 – для документирования процессов производства и отображения информации об использовании ресурсов на каждом из этапов проектирования систем.

■           IDEF1 – для документирования информации о производственном окружении систем.

■           IDEF2 – для отображения поведения систем во времени.

■           IDEF3 – для моделирования бизнес процессов.

■           IDEF4 – объектно-ориентированное моделирование.

■           IDEF5 – моделирование наиболее общих (онтологических) закономерностей системы.

Методология IDEF-SADT представляет собой совокупность методов, правил и процедур, предназначенных для построения функциональной модели  какой-либо предметной области. Центральным понятием  этой методологии является понятие функции. Иногда используют и другие термины: деятельность или процесс. Под функцией понимается некоторое действие или набор действий, которые имеют определенную цель и приводят к конкретным результатам. Определенная функция на диаграмме обозначается прямоугольником. На диаграмме используются также стрелки, которые обеспечивают связь между различными функциями (обеспечивают интерфейсы), связывая их в конечном итоге  в единую систему, моделирующую предметную область.  В диаграммах используются стрелки четырех видов, их называют интерфейсными дугами:

■           I (Input) – вход, т.е. все что является исходным материалом для данной функции.  Стрелка входит слева в прямоугольник, обозначающий данную деятельность.

■           O (Output) – результат выполнения функции. Стрелка выходит справа из прямоугольника, обозначающего функцию.

■           C (Control) – ограничения данной функции (все, что ограничивает функцию). Стрелка входит в прямоугольник сверху.

■           M (Mechanism) – механизм, используемый в данной функции. Стрелка входит снизу в прямоугольник - функцию.

На Рис. 1.15 представлен общий вид фрагмента диаграммы, изображенной по методологии SADT. 

Рис. 1.15.  Общий вид функциональной диаграммы           

Рис. 1.18. Диаграмма SADT, полученная из общей диаграммы (см. Рис. 1.17) посредством детализации

Как видно, в частности, на диаграмме  (Рис. 1.18), функции связываются друг с другом при помощи интерфейсных дуг.  Вообще в технологии SADT выделяют семь видов связывания:

■           Случайная связность.

■           Логическая связность. Обусловлена тем, что функции или данные относятся к одному классу.

■            Временная связность. Такой тип связности возникает, когда функции выполняются параллельно в одно и тоже время.

■           Процедурная связность. Тип связности возникает, когда функции выполняются в одной и той же части процесса. 

■           Коммуникационная связность. Возникает, когда блоки (функции) используют одни и те же данные.

■           Последовательная связность. Возникает, когда выход (выходная дуга) одной функции является одновременно входными данными для другой функции.

■           Функциональная связность. Связность возникает, когда одна функция воздействует на другую через интерфейсные дуги управления (на Рис. 1.18 блок 1 воздействует на остальные блоки как раз через дуги управления).

Диаграммы потоков данных

В основе данной методологии лежит метод диаграмм потоков данных (DFD - Data Flow Diagram). Данные диаграммы призваны описывать процессы преобразования информации от ее ввода в систему до выдачи пользователю. Как и для диаграмм SADT здесь мы также имеем дело с целой иерархией диаграмм, в которой диаграммы нижнего уровня детализируют диаграммы верхнего уровня. Диаграммы верхнего уровня определяют основные процессы и подсистемы информационной системы с внешними входами и выходами. Далее путем декомпозиции диаграммы детализируются. В результате возникает иерархия диаграмм, на самом нижнем уровне которой описаны элементарные процессы.  Основными компонентами диаграмм DFD являются:

■           Внешние сущности.

■           Системы и подсистемы.

■           Процессы.

■           Накопители данных.

■           Потоки данных.

Рис. 1.19. Внешняя сущность в потоковых диаграммах

Внешняя сущность представляет собой физическое лицо или предмет являющийся источником или приемником информации. Объект, который мы обозначаем как внешняя сущность, является внешним по отношению к анализируемой предметной области и анализу не подвергается. Это может быть клиент какой-либо службы (если анализируется вся службы) и оператор, работающий с информационной системой (если анализу подвергается только функционирование ИС). Внешняя сущность обознается квадратом (см. Рис. 1.19), несколько приподнятым над плоскостью  диаграммы. 

Рис. 1.20. Обозначение подсистемы в потоковой диаграмме

На самом верхнем уровне анализируемая предметная область может быть представлена как некоторая система. В свою очередь система может быть представлена как совокупность (декомпозиция) нескольких подсистем. Каждая подсистема получает свой номер.  На диаграмме она изображается в виде прямоугольника с округленными углами (см. Рис. 1.20). Здесь же указывается номер подсистемы, имя подсистемы в виде развернутого предложения  и имя проектировщика данной подсистемы.

Рис. 1.21. Обозначение процесса в потоковой диаграмме

Процесс в модели DFD представляет собой некоторое преобразование входного потока данных в выходной. Под процессом можно понимать и оператора ЭВМ и программу, и работу целого отдела. На диаграмме процесс изображается как подсистема в виде прямоугольника (см. Рис. 1.21).  Номер процесса является его идентификатором и состоит из номера процесса или подсистемы верхнего уровня и собственно номера процесса. Имя процесса должно содержать глагол в неопределенной форме  и четко определять, что данный процесс делает. Наконец в имени процесса должен быть обозначен объект, который и реализует данный процесс.

Рис. 1.22. Накопитель в потоковой диаграмме

Под накопителем понимается некоторое устройство, используемое для хранения информации. Способы помещения и извлечения данных из накопителя могут самые разные. Накопитель данных на диаграмме изображается в виде прямоугольника (см. Рис. 1.22), разделенного на два отсека. В первом отсеке должен стоять номер накопителя, начинающийся с буквы D, во втором его имя. Имя накопителя должно быть  достаточно информативным для использования его в дальнейших разработках. Разумеется при разработке информационной системы в конечном итоге под накопителем, понимается конкретная база данных. 

Кроме перечисленных элементов в диаграммах DFD имеются также потоки данных, которые определяют информацию, передаваемую от источника к приемнику.  Поток данных на диаграммах изображается линией, заканчивающейся стрелкой. Стрелка указывает на направление передачи информации.  Кроме этого для каждого потока должно быть указано имя, которое должно определять его содержание.

Рис. 1.23. Пример потоковой диаграммы, описывающей некоторые процессы подсистемы «Абонент»

UML диаграммы

Как и другие языки моделирования сложных систем, язык UML зиждется на трех принципах:

■           Абстрагирование – отбрасывание тех элементов системы, которые не существенны с точки зрения рассматриваемой модели.

■           Многомодельность – любая достаточно сложная система не может быть полностью описана только одной моделью.

■           Иерархичность – при описании данной системы используются различные уровни абстрагирования и детализации.  На самой вершине иерархии расположена модель, представляющая систему в наиболее полном виде.

Всего в языке UML существует одиннадцать типов диаграмм. Каждая из диаграмм призвана конкретизировать различные представления о рассматриваемой системе. Перечислим типы диаграмм:

■           Диаграммы вариантов использования.

■           Диаграммы классов.

■           Диаграммы поведения.

■           Диаграммы состояний.

■           Диаграммы деятельности.

■           Диаграммы взаимодействия.

■           Диаграммы последовательности.

■           Диаграммы кооперации.

■           Диаграммы реализации.

■           Диаграммы компонентов.

■           Диаграммы развертывания.

Остановимся только на одном типе диаграммы – диаграмме классов, который непосредственно можно применить при разработке структуры баз данных. Данный вид диаграмм должен содержать набор классов, анализируемой предметной области, связи между ними, а также возможные ограничения и комментарии.

Классом в языке UML будем называть именованное описание множества однородных объектов, имеющие одинаковые атрибуты, операции, отношения с другими объектами и семантику.

Атрибут класса -   именованное свойство класса, описывающее множество значений, которые принимают экземпляры этого свойства.

Операцией класса будем называть именованную услугу, которую можно запросить у любого экземпляра данного класса.

Между классами в диаграмме могут существовать связи трех типов: зависимости, обобщения и ассоциации.  

Определение зависимости.

Связь между двумя классами называю зависимостью, если изменение в спецификации одного класса может повлиять на поведение другого класса.

Определение обобщения.

Обобщением называется связь между классами, когда один из классов является частным случаем второго.

Общий класс при наследовании называется родителем, предком или суперклассом, а частный класс – потомком. Например, при анализе такой системы как школа, можно выделить  суперкласс Человек,  в который будут входить такие классы – потомки, как   учителя, административные работники школы, ученики, родители учеников. В дальнейшем класс учителей можно рассматривать как суперкласс по отношению к обычным учителям и классным руководителям.

Определение ассоциации.

Ассоциация показывает, что между объектами одного класса существует некоторая связь с объектами другого класса. Допускается, что класс может быть связан сам с собой. Кроме этого в связи могут участвовать более двух классов.

Ассоциативная связь может характеристики:

■           Имя связи.

■           Роли связи. Для каждого класса, участвующего в ассоциативной связи могут быть указаны роли. Например, для связи между классами Учителя и Ученики можно указать роли: обучающий и обучаемый.

■           Кратность связи. Кратность определяет, сколько объектов данного класса может или должно участвовать в данной связи. Например, кратность 0..1 говорит, что не все экземпляры класса могут участвовать в данной связи,  но в каждом экземпляре связи может участвовать только один объект класса.

■           Агрегация. Если в ассоциативной связи один из классов выступает в роли «целого», а второй в роли «части целого», то  такой типа связь называется агрегатной связью. В ней один из классов играет главную, а другой (другие) подчиненную роль. Сильная агрегатная связь называется композицией.  При такой связи уничтожении главного класса приводит к уничтожению подчиненного класса.

В диаграммах классов могут также указываться ограничения, которые затем должны поддерживаться в базах данных. Ограничения могут выражаться предложениями на естественном языке, но могут записываться на специальном языке OCL (Object Constraint Language – язык объектных ограничений). Язык OCL является подмножеством языка UML. Это формальный язык, который позволяет выразить логику ограничений, накладываемых на отдельные элементы диаграмм.

Рис. 1.24. пример простейшей UML-диаграммы

На Рис. 1.24 представлена простейшая UML-диаграмма, на которой изображено три класса: Студенты, Оценки, Предметы. Связь между всеми тремя между всеми тремя классами носит ассоциативную природу. Обратите внимание на значок. Он означает, что налицо агрегатной связи – оценка ставится конкретному студенту и неотъемлемо принадлежит ему.  Более того, данный тип агрегации, несомненно, является композитной (закрашенный ромб), так как оценки не могут существовать без конкретного студента.  У каждой связи указывается его имя, но роли связи я не указываю, так в данном случае это не добавляет ясности в диаграмму, а скорее затруднит ее чтение.  Обратим внимание, что у каждого класса указываются не только атрибуты, но операции (или методы).  Разумеется, диаграмма может не вместить все атрибуты и операции.