Сибилев В.Д. Модели и проектирование баз данных

Подождите немного. Документ загружается.

Âí åø í åå

ï ðåäñòàâëåí èå

Âí åø í åå

ï ðåäñòàâëåí èå

Î òî áðàæåí èå

"âí åø í èé À" - "êî í öåï òóàëüí û é"

Î òî áðàæåí èå

"âí åø í èé Á" - "êî í öåï òóàëüí û é"

Î òî áðàæåí èå

"êî í öåï òóàëüí û é" - "âí óòðåí í èé"

ÑÓÁÄ

Áàçî âû é ÿçû ê

ï î äúÿçû ê äàí í û õ

Áàçî âû é ÿçû ê

ï î äúÿçû ê äàí í û õ

Áàçî âû é ÿçû ê

ï î äúÿçû ê äàí í û õ

Êî í öåï òóàëüí î å ï ðåäñòàâëåí èå

Ñõåì à ÊÌ Ä

Ñõåì à Âí Ì Ä

Âí óòðåí í åå ï ðåäñòàâëåí èå

Ñõåì à

ÂÌ Ä Á

Ñõåì à

ÂÌ Ä À

Ï î ëüçî âàòåëü À1 Ï î ëüçî âàòåëü À2 Ï î ëüçî âàòåëü Á1

Рис. 1.6 Трехуровневая архитектура БД (детальная схема)

Базовый язык (PL/1, COBOL, C,…) обеспечивает процедурные

возможности, т.е. локальные переменные, арифметические и

логические операции, циклы и т.п.

Подъязык данных – подмножество операторов языка,

связанных только с объектами и операциями БД. Он является

комбинацией по крайней мере двух подчиненных языков – ЯОД и

ЯМД. С помощью этих языковых средств пользователь получает

доступ к части хранимых данных и возможность оперировать данными

в этой части. Для этого пользователя эта часть и есть БД. Она

называется внешним представлением (внешней моделью).

Внешнее представление состоит из множеств экземпляров

некоторых типов внешних записей. Эти внешние записи, как видно из

примера, отнюдь не должны совпадать с хранимыми. Подъязык

данных пользователя определен в терминах внешних записей. Значит,

операции выборки/обновления будут определяться над множеством

внешних записей.

 Единицей доступа к данным для пользователя

является внешняя запись.

Каждое внешнее представление задается внешней схемой –

набором определений типов внешних записей. Схема описывается

средствами пользовательского ЯОД. Система сохраняет это описание

в словаре данных и может обратиться к нему. Изменения внешней

схемы конкретного КП не видны прикладным программам других

пользователей.

На концептуальном уровне данные представлены такими,

какие они есть на самом деле. Концептуальное представление состоит

из множества экземпляров каждого типа концептуальной записи. Она

вовсе не обязана совпадать с внешней или хранимой записью.

Концептуальное представление задается концептуальной схемой,

которая включает определения типов концептуальных записей. Для

определения концептуальной схемы используется специальный ЯОД,

не содержащий средств определения структур хранения и методов

доступа к данным. Определения концептуального языка относятся

только к содержанию информации. Если это обеспечено, то внешние

схемы, определяемые на основе концептуальной схемы, заведомо не

будут меняться при изменении хранимых схем.

 Итак, концептуальное представление – это

представление всего содержимого БД, а концептуальная схема –

определение этого представления.

Однако она содержит не только определения типов записей. В

концептуальную схему включаются также определения средств

безопасности, правила обеспечения целостности и т.п. Более того, в

нее следует включать и описания того, как используются данные на

предприятии. Это обеспечит возможность реорганизации процессов

управления с целью повышения эффективности предприятия. Однако,

реально этого (пока) нет.

Важнейшее свойство концептуальной схемы – стабильность.

Она отражает общие информационные потребности бизнеса и может

измениться только в связи с радикальным изменением этих

потребностей.

Внутреннее представление состоит из множества экземпляров

каждого типа внутренней (хранимой) записи. Это представление, так

же, как и внешнее и концептуальное, не связано с физическим

уровнем, т.е. с блоками, цилиндрами, дорожками и т.д. Оно

описывается внутренней схемой, которая определяет типы хранимых

записей, способы представления хранимых полей, физическую

последовательность хранения записей, существующие индексы и т.д.

Внутренняя схема описывается с помощью внутреннего ЯОД,

отличающегося как от ЯОД подъязыка данных внешнего

представления, так и от концептуального ЯОД. Все, что ниже этого

уровня, – уровень ОС.

 Единица доступа к данным для СУБД – хранимая

запись. СУБД получает доступ к данным через посредство ОС.

Отображения определяют соответствия между

представлениями верхнего и нижнего уровней. Отображение

концептуальный  внутренний ставит в соответствие

концептуальным полям и записям хранимые. Это соответствие

является взаимно однозначным. При изменении структур хранения

отображение концептуальный  внутренний изменяется так, чтобы

концептуальная схема осталась неизменной. Аналогично отображение

внешний  концептуальный ставит в соответствие концептуальным

полям и записям внешние. Отображения реализуются посредством

статей словаря данных системы и специальных модулей СУБД,

обеспечивающих преобразования данных.

1.3.4 Доступ к данным в трехуровневой архитектуре.

Реализация изложенной архитектурной концепции вовсе

необязательно явно включает все три уровня. Однако в любой

реализации ПП получают доступ к хранимым данным только через

посредство СУБД. Для примера рассмотрим схему алгоритма

выполнения операции чтения данных прикладной программой [9] (рис.

1.7).

ОС

ВМД

Схема

КМД

Схема

ВнМД

Схема

ПП

РО

Буферы

СУБД

ФБД

Рис. 1.7 Доступ к данным в СБД

Шаг 1. ПП обращается к СУБД с запросом на чтение записи

внешней модели.

Шаг 2. СУБД, используя схемы ВМД и КМД и описание

отображения внешний  концептуальный, определяет, какие записи

КМД необходимы для формирования требуемой записи ВМД.

Шаг 3. СУБД, используя схемы КМД и В

МД и описание

отображения концептуальный  внутренний, определяет, какие

записи внутренней модели необходимы для формирования

затребованных записей КМД и совокупность физических записей,

которые должны быть для этого считаны с физического носителя.

Шаг 4. СУБД выдает ОС запрос на считывание в свои буферы

необходимых записей физической базы данных (ФБД).

Шаг 5. ОС считывает затребованные записи и помещает их в

системные буферы СУБД.

Шаг 6. На основании имеющихся схем моделей и описаний

отображений СУБД формирует в своем буфере затребованную внешнюю

запись.

Шаг 7. СУБД пересылает сформированную внешнюю запись в

рабочую область (РО) ПП.

Шаг 8. СУБД передает в ПП сообщение о результатах

выполнения запроса.

Процедура записи данных из ПП в ФБД выполняется аналогично.

1.4 Модель «сущность – связь»

1.4.1 Концептуальная модель ПО. Концептуальной

(информационной) моделью ПО называется формальное описание

объектов реального мира, их свойств и отношений между ними,

выполненное с точки зрения определенного вида деятельности и без

учета каких-либо аспектов реализации БД.

Концептуальная модель должна:

 быть точной и однозначной;

 адекватно отражать природу данных;

 не зависеть от локальных интерпретаций данных (внешних

моделей), обусловленных различными аспектами их использования.

Модель, удовлетворяющая этим требованиям, обеспечивает

порождение любых локальных интерпретаций данных посредством

формального преобразования концептуального представления.

Создание концептуальной модели ПО – важнейший этап

проектирования базы данных.

Понятийные основы концептуального моделирования заложены

американским исследователем П. Ченом, предложившим в 1976 году

так называемую модель «сущность–связь» (Entity–Relationship, ER-

модель). Определенные Ченом понятия и диаграммная техника

представления структур данных широко используются в практике

проектирования концептуальных моделей ПО для различных

приложений. Достаточно подробный обзор ER-модели Чена можно

найти в [1, гл. 12]. В настоящей главе изложены основные понятия ER-

модели в современной терминологии. Мы не описываем диаграммную

технику Чена, хотя она и не вышла из употребления. В главе 4

настоящего пособия определены современные нотации,

поддерживаемые многими CASE–средствами автоматизации

проектирования БД.

1.4.2 Сущность и атрибут. В концептуальной модели объекту

ПО (см. п. 1.1.4) соответствует сущность, а свойству объекта –

атрибут. Удовлетворительных формальных определений этих

понятий не существует. Ниже следующий текст нужно рассматривать,

как попытку помочь читателю сформировать достаточно ясные

представления собственными силами.

 Атрибут есть имя, принимающее значения на

некотором множестве возможных значений.

Имя передает смысл соответствующего свойства объекта ПО.

Например

: фамилия студента, номер зачетной книжки – атрибуты,

соответствующие одноименным характеристикам объекта ПО

СТУДЕНТ.

Множество возможных значений атрибута определяется

смыслом характеристики и требованиями ПО. Так, атрибут пол

(человека) может принимать значения на двухэлементных множествах

{‘мужской’, ‘женский’} или {‘М’, ‘Ж’}, или {0, 1} и т.п. в зависимости от

принятых в ПО стандартов.

Атрибут можно понимать как символ, обозначающий некоторое

множество возможных значений данных.

 Сущность есть имя, поставленное в соответствие

набору атрибутов.

Имя сущности передает смысл соответствующего объекта ПО.

Набор атрибутов сущности соответствует набору характеристик этого

объекта, представляющих интерес с точки зрения бизнеса. То есть,

атрибуты связаны общим смыслом, а их перечень определяется

требованиями ПО.

Например

, в концептуальной модели ВУЗа могут быть

определены сущности:

СТУДЕНТ = {фамилия, имя, номер зачетной книжки, номер группы}

УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА = {код, наименование, кафедра}.

 Набор значений атрибутов сущности называется

экземпляром сущности.

Например: {‘123’, ‘Базы данных’, ‘АСУ’} – экземпляр сущности

УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА.

 Сущность можно понимать как множество всех

Здесь и далее в тексте имена атрибутов выделяются шрифтом и записываются

строчными буквами.

Имена сущностей выделяются шрифтом и записываются прописными буквами.

Если в предложении должна быть изменена грамматическая форма имени, то

прописными буквами записывается неизмененная часть.

интерпретируемых наборов значений ее атрибутов.

Подчеркнем, что не любой набор возможных значений

атрибутов может быть экземпляром сущности. Так, набор {‘Иванова’,

‘Петр’, ‘123456’, ‘432’} не имеет смысла, хотя и составлен из

допустимых значений атрибутов сущности СТУДЕНТ.

Замечание 1. С точки зрения математика сущность есть

отношение, определенное на декартовом произведении множеств

возможных значений атрибутов.

Замечание 2. С точки зрения программиста сущность есть

подмножество структурного типа данных.

Замечание 3. Вообще говоря, атрибуты также могут принимать

значения структурных типов. Например, атрибутом сущности

СТУДЕНТ может быть зачетная ведомость, в свою очередь

обозначающая набор атрибутов {дисциплина, преподаватель,

оценка, дата}. Однако распространенные в настоящее время ЯОД не

допускают подобных конструкций.

1.4.3 Возможный ключ сущности. Сущность как множество не

может иметь двух идентичных экземпляров по определению.

 Подмножество атрибутов сущности, один и тот же

набор значений которых не может встретиться в двух различных

экземплярах, называется возможным ключом сущности.

Например, подмножество атрибутов {номер зачетной книжки}

является возможным ключом сущности СТУДЕНТ. Не может быть

двух различных студентов, номера зачетных книжек которых

одинаковы. Сущность УЧЕБНАЯ ДИСЦИПЛИНА имеет два

возможных ключа – {код} и {наименование}.

Возможные ключи являются механизмом идентификации

экземпляров сущности. Указав значение ключа, мы, тем самым,

указываем на конкретный экземпляр.

1.4.4 Связь. Говорят, что объекты ПО состоят в связи, если хотя

бы одному экземпляру одного из них можно поставить в соответствие

(по определенному правилу) один или более экземпляров другого.

Это скорее их достоинство, чем недостаток. Тем самым ограничиваются

возможности внесения путаницы в модель.

Связь сущностей в концептуальной модели отображает множество

связей между экземплярами соответствующих объектов ПО (см. п.

1.1.4).

 Говоря формально, связь есть отношение

определенное на декартовом произведении сущностей.

На естественном языке связь выражается глагольным оборотом,

связывающим имена сущностей.

На рис. 1.8, а показаны четыре экземпляра связи между

экземплярами объектов ПО. Здесь Пi – конкретный поставщик, а Тj –

поставленный им товар. Это множество фактов поставок отображается

в модели (рис. 1.8, б) четырехэлементным множеством пар

(отношением), в которых Пi и Тj – соответствующие наборы значений

атрибутов сущностей ПОСТАВЩИК и ТОВАР.

ПОСТАВЩИК поставил ТОВАР

Ï 1

Ï 2

Ï 4

Ï 3 Ò3

Ò4

{(П1,Т1), (П1,Т5), (П2,Т2),

(П4,Т1)}

а) б)

Рис. 1.8 Связь:

а) связь объектов ПО; б) связь сущностей

Поскольку экземпляры сущностей полностью

идентифицируются значениями возможных ключей (см. п. 1.4.3), связь

можно понимать как отношение, определенное на декартовом

произведении множеств допустимых значений возможных ключей

связанных сущностей.

Однако связь может иметь и собственные атрибуты, которые

нельзя отнести ни к одной из сущностей. Так, в нашем примере о

факте поставки следует знать не только кто и что поставил, но также

и сколько, и по какой цене. Соответствующие атрибуты количество и

Здесь термин «отношение» используется в теоретико-множественном смысле, в

отличие от аналогичного термина, определенного в п. 2.2.

цена нельзя отнести к сущностям ПОСТАВЩИК или ТОВАР. Это

характеристики поставки, т.е. связи. Теперь можем дать окончательное

определение понятия связи.

 Связь есть отношение, определенное на декартовом

произведении множеств допустимых значений возможных ключей

связанных сущностей и собственных атрибутов.

Замечание 4. С формальной точки зрения сущность и связь как

структуры данных неразличимы (см. замечание 1). Этот факт отражен

в реляционной модели данных (см. гл. 2).

1.4.5 Свойства связей и сущностей

1.4.5.1 Арность. До сих пор в наших примерах фигурировали

только связи между двумя сущностями – бинарные. Однако в

реальном мире могут встречаться связи между тремя и более

сущностями. Например, если нужно фиксировать факты поставок

деталей, выполненных поставщиками для различных изделий, то в

модели должны быть определены сущности ПОСТАВЩИК, ДЕТАЛЬ

и ИЗДЕЛИЕ и тернарная связь, т.е. отношение, включающее

возможные ключи этих трех сущностей. Возможны также унарные

связи, т.е. связи между экземплярами одной и той же сущности.

 Итак, связь характеризуется арностью (степенью) –

числом вступающих в нее сущностей.

Замечание 5. Существующая в реальном мире n-арная связь

объектов ПО может быть представлена в концептуальной модели в

виде n бинарных связей n + 1 сущностей. Для этого достаточно

определить как сущность соответствующее связи отношение. Эта

сущность будет представлять в модели не объект ПО, а множество

фактов связи. Например, вместо тернарной связи ПОСТАВЩИК–

ДЕТАЛЬ–ИЗДЕЛИЕ можно рассматривать три бинарных связи

ПОСТАВЩИК–ПОСТАВКА, ДЕТАЛЬ–ПОСТАВКА и ИЗДЕЛИЕ–

ПОСТАВКА, где ПОСТАВКА – сущность-ассоциация, в состав

атрибутов которой входят возможные ключи сущностей

ПОСТАВЩИК, ДЕТАЛЬ и ИЗДЕЛИЕ. Именно такой подход

используется в языке определения данных IDEF1X (см. гл. 4).

Имея в виду это замечание, далее обсудим характеристики

унарных и бинарных связей.

1.4.5.2 Мощность. Пусть E

и E

– сущности, состоящие в

бинарной связи. Если один экземпляр сущности E

может вступить в 0,

1 или более экземпляров связи, но один экземпляр сущности E

– не

более чем в один, то говорят, что между E

и E

существует связь типа

«один ко многим» или 1:M. Если же один экземпляр каждой сущности

может образовать 0, 1 или более экземпляров связи, то говорят, что

имеет место связь типа «многие ко многим» или M:M.

 Число М экземпляров связи, которые могут быть

образованы одним экземпляром сущности, называется мощностью

(кардинальностью) связи со стороны этой сущности.

Мощность связи определяется правилами, действующими в ПО

(бизнес-правилами). Например, если наша фирма никогда не работает с

двумя различными поставщиками одного и того же вида товара, но

один поставщик может поставлять более чем один товар, то связь

ПОСТАВЩИК–ТОВАР имеет тип 1:М (рис. 1.9, а). Если же

ограничений на число поставщиков одного и того же вида товара нет,

то имеет место связь типа М:М (рис. 1.9, б).

Ï Î ÑÒÀÂÙ ÈÊ ÒÎ ÂÀÐ

1 M

Ï Î ÑÒÀÂÙ ÈÊ ÒÎ ÂÀÐ

M M

Рис. 1.9 Мощность связи:

а) связь 1:М; б) связь М:М

Значение мощности может быть неопределенным (0, 1,...),

заданным числом (точно 5) или интервалом (от 3 до 8). Это также

определяется бизнес-правилами. Например, мощность связи

ПОСТАВЩИК–ТОВАР со стороны сущности ТОВАР на рис. 1.9, а

равна 1, т.к. один вид товара всегда поставляется точно одним

поставщиком. Мощность этой связи со стороны сущности