Сибилев В.Д. Модели и проектирование баз данных

Подождите немного. Документ загружается.

ПОСТАВЩИК не определена, если количество видов товара,

поставляемых одним и тем же поставщиком, не ограничено.

1.4.5.3 Направленность. Связь типа 1:М называется

направленной или функциональной, или специфическим соединением.

В такой связи всегда можно указать родителя и потомка. Родителем

называется сущность, мощность связи со стороны которой равна М

(многосвязная). Мощность направленной связи со стороны потомка 0

или 1.

Связь типа М:М называется ненаправленной или

нефункциональной, или неспецифическим соединением. В такой связи

нет родителя и потомка.

Ненаправленную связь всегда можно представить в виде пары

направленных связей между тремя сущностями. Для этого достаточно

определить как сущность соответствующее связи отношение (см.

замечание 5). Это преобразование иллюстрируется на рис. 1.10.

Ï Î ÑÒÀÂÙ ÈÊ ÒÎ ÂÀÐÏ Î ÑÒÀÂÊÀÏ Î ÑÒÀÂÙ ÈÊ ÒÎ ÂÀÐ

Ì Ì Ì Ì 11

Рис. 1.10 Преобразование ненаправленной связи:

а) ненаправленная связь; б) эквивалентная пара направленных связей

1.4.5.4 Внешний ключ и избирательность связи. Эти понятия

относятся только к специфическим соединениям. В состав атрибутов

потомка в специфическом соединении обязательно входят все

атрибуты возможного ключа родителя. Как атрибуты потомка они

называются внешними ключами. Говорят, что направленная связь

передает внешний ключ потомку.

 Соединение называется избирательным

(идентифицирующим), если переданный им внешний ключ

полностью входит в какой-либо возможный ключ потомка.

Это означает, что идентификация экземпляров потомка в

идентифицирующем соединении возможна через ссылку на

соответствующий экземпляр родителя.

 Соединение называется неизбирательным

(неидентифицирующим), если не существует такого возможного

ключа потомка, в который полностью входит внешний ключ,

переданный этим соединением.

1.4.5.5 Типы сущностей и обязательность связей. Сущность

может участвовать как потомок в нескольких специфических связях.

Если ни одна из них не является идентифицирующей, то говорят, что

сущность [идентификационно] независима. Потомок в избирательной

связи называется [идентификационно] зависимой сущностью.

Обычно независимыми бывают сущности, представляющие

реально существующие объекты ПО (ПОСТАВЩИК, ТОВАР).

Сущности-ассоциации, представляющие в модели факты связей

(ПОСТАВКА), всегда идентификационно зависимы.

Идентификационная зависимость всегда зависимость

существования. Экземпляр идентификационно зависимой сущности не

может существовать вне связи с родительским экземпляром. Поэтому

идентифицирующие связи всегда обязательные. Это означает, что

каждому экземпляру потомка всегда соответствует (точно один)

экземпляр родителя. Иначе говоря, кардинальность

идентифицирующей связи со стороны потомка всегда единица.

Неидентифицирующие связи могут быть необязательными. В

такой связи возможно существование экземпляра потомка без

соответствующего экземпляра родителя.

Пример. Рассмотрим фрагмент фирмы, занимающейся

прокатом видеофильмов. Фирма имеет центральную фильмотеку и

сеть прокатных пунктов. Прокатные копии фильмов поступают от

поставщиков в фильмотеку, а из фильмотеки попадают в фонды

прокатных пунктов. База данных фирмы должна хранить (в частности)

сведения:

 о ФИЛЬМах как о произведениях киноискусства (название,

режиссер, студия, год выпуска, исполнители главных ролей и т.д.);

 об имеющихся в прокате КОПИЯх (тип носителя, год выпуска,

количество прокатов, оценка состояния, признак наличия в хранилище и

т.п.);

 о ПРОКАТНЫх ПУНКТах (номер, адрес, телефон, время

работы и т.д.).

По правилам фирмы каждому фильму присваивается

уникальный номер. Копии получают уникальные номера в пределах

фильма. Фирма заинтересована в контроле проката каждой копии. В

частности, необходимо знать, находится ли в настоящий момент

данная копия в фильмотеке или в определенном прокатном пункте.

Для того чтобы отразить этот фрагмент в концептуальной

модели, мы должны определить сущности ФИЛЬМ, КОПИЯ и

ПРОКАТНЫЙ ПУНКТ. Между ними существуют связи, определяемые

фразами:

«ФИЛЬМ имеется в одной или более КОПИЯх»;

«КОПИЯ передана в фонд ПРОКАТНого ПУНКТа».

В состав атрибутов сущностей ФИЛЬМ и ПРОКАТНЫЙ

ПУНКТ войдут, соответственно, номер фильма и номер прокатного

пункта. Согласно бизнес-правилам, они принимают уникальные

значения и, следовательно, являются возможными ключами этих

сущностей. Будем считать для простоты, что других возможных

ключей нет.

В состав атрибутов сущности КОПИЯ войдет атрибут номер

копии, но он не может быть ключом, т.к. копии нумеруются в

пределах фильма. Возможно существование нескольких экземпляров

КОПИй (различных ФИЛЬМов) с одинаковыми значениями этого

атрибута. Однако, КОПИЯ – потомок ФИЛЬМа в связи типа 1:М

(существует много копий одного фильма, но одна копия не может быть

копией нескольких фильмов). Это означает, что атрибут номер

фильма входит в состав атрибутов КОПИи в качестве внешнего

ключа. Подмножество атрибутов {номер копии, номер фильма}

обладает свойством возможного ключа сущности КОПИЯ. Таким

образом, обсуждаемая связь идентифицирующая, а сущность КОПИЯ

– идентификационно зависимая.

Связь сущностей КОПИЯ и ПРОКАТНЫЙ ПУНКТ также

специфическая. Родителем в ней выступает ПРОКАТНЫЙ ПУНКТ.

Следовательно, атрибут номер прокатного пункта войдет в состав

атрибутов КОПИи в качестве внешнего ключа. Экземпляры КОПИи

идентифицируются вне этой связи (для того, чтобы указать на

конкретную копию, не нужно знать, в каком прокатном пункте она

находится). Обсуждаемая связь неидентифицирующая. Кроме того,

она необязательная. В самом деле, конкретная копия может в

настоящий момент не находиться ни в каком прокатном пункте, т.е.

экземпляр КОПИи (потомка в этой связи) существует вне связи с

каким-либо экземпляром ПРОКАТНого ПУНКТа (родителя).

1.4.6 Иерархии сущностей. При описании ПО нередко

обнаруживается, что несколько различных объектов имеют сходные

свойства и вступают в одинаковые связи с другими объектами. Либо

наоборот, оказывается, что экземпляры объекта образуют

подмножества, обладающие различными свойствами и вступающие в

различные связи.

Например, множество преподавателей ВУЗа является

подмножеством множества работников ВУЗа, которое включает в

себя, кроме преподавателей, учебно-вспомогательный персонал,

работников обеспечивающих служб, администрации и другие

категории работников. В базе данных ВУЗа должна быть представлена

информация обо всех этих категориях. Часть характеристик категорий

совпадает (например: табельный номер, ФИО, дата рождения).

Другая часть свойственна только конкретной категории (например,

преподаватель, как правило, имеет ученую степень, а лаборант – нет).

Кроме того, различные категории работников ВУЗа могут вступать в

различные отношения с другими объектами ПО. Например,

преподаватель обязательно преподает, по крайней мере, одну учебную

дисциплину, а электрик АХЧ никогда не вступает в такую связь.

Можно предложить два варианта описания этой ситуации.

 Ввести единственную сущность СЛУЖАЩИЙ как

объединение множеств атрибутов всех категорий служащих. Эта

сущность вступает в связи со всеми другими сущностями, с которыми

связаны преподаватель или лаборант и т.д.

 Ввести сущности ПРЕПОДАВАТЕЛЬ, ЛАБОРАНТ и т.д.,

представляющие выделенные категории работников, и определить все

связи этих сущностей.

Однако, и первый и второй варианты неудовлетворительны. Оба

неадекватно отображают предметную область. Действительно, первый

вариант скрывает реально существующую внутреннюю структуру

сущности СЛУЖАЩИЙ и затрудняет понимание ее связей. Можно

предположить, что любой экземпляр СЛУЖАЩЕго может заниматься

преподаванием, хотя на самом деле это не так. Второй вариант

описания этим недостатком не обременен, зато он скрывает факт

наличия общих характеристик сущностей.

Для отображения подобных ситуаций в модели ПО вводятся

понятия родовой (обобщенной) сущности и категории.

 Родовой сущностью (супертипом, суперклассом)

называется сущность, экземпляры которой классифицированы в один

или более подтипов (подклассов).

 Категорией называется сущность, экземпляры

которой представляют подтип (подкласс) родовой сущности.

В состав атрибутов родовой сущности входят только общие

атрибуты всех категорий. Каждый экземпляр категории является

одновременно экземпляром родовой сущности, т.е. категория

наследует атрибуты родовой сущности. В связях родовой сущности

могут участвовать экземпляры любой категории. Категория может

иметь атрибуты и/или вступать в связи с другими сущностями, не

свойственные всем экземплярам родовой сущности, а свойственные

только экземплярам категории.

Категории родовой сущности выделяются по некоторому

признаку. Его значения одинаковы во всех экземплярах одной

категории и различны в экземплярах разных категорий. Все множество

категорий, выделенных по значениям этого признака, называется

кластером категорий, а сам признак – дискриминатором кластера.

Экземпляры родовой сущности могут классифицироваться по

различным признакам, образуя несколько кластеров категорий.

Наконец, любая категория может быть родовой сущностью,

порождающей свои кластеры категорий.

Таким образом, понятия родовой сущности и категории

позволяют строить иерархии сущностей любой сложности.

1.4.7 Уровни концептуальной модели. В процессе создания

концептуальной модели аналитик формирует собственные

представления о предметной области и документирует их средствами

какого-либо языка определения данных. Можно выделить три этапа

этого процесса. Каждый завершается созданием определенного уровня

детализации модели.

На первом этапе формируются общие представления о ПО,

выделяются основные сущности и связи. У аналитика еще нет ясных

представлений о свойствах связей и типах сущностей, о необходимых

ассоциациях и категориях, о полном перечне атрибутов и т.п.

Результатом этапа является модель верхнего уровня абстракции

(уровень «сущность–связь»).

На втором этапе детализируются представления о свойствах

сущностей и связей. Вводятся необходимые ассоциативные сущности,

строятся иерархии сущностей, определяются возможные и внешние

ключи, кардинальности и типы связей. Результатом этапа являются

подробные спецификации связей и идентификаторов экземпляров

сущностей (уровень ключей).

Третий этап состоит в детализации представлений о

характеристиках объектов ПО и определении окончательного состава

атрибутов сущностей. Результат этапа – детальные спецификации

концептуальной модели, пригодные для определения требований к

структурам хранения данных (уровень атрибутов).

1.4.8 Резюме. Сущности представляют в концептуальной

модели ПО объекты и факты, сведения о которых должны храниться в

БД. Эти сведения отображаются значениями атрибутов сущностей.

Каждая сущность имеет по крайней мере один возможный ключ –

подмножество атрибутов, значения которого идентифицируют

экземпляры.

Сущность может вступать в любое число связей различной

арности. Связь арности выше двух может быть представлена как

совокупность бинарных связей. Бинарная связь может быть

специфической или неспецифической. Неспецифическое соединение

может быть представлено как пара специфических посредством

определения ассоциативной сущности.

Специфическое соединение реализуется путем передачи

возможного ключа родителя в состав атрибутов потомка. Возможный

ключ родителя в составе атрибутов потомка называется внешним

ключом. Если внешний ключ полностью входит в состав какого-либо

возможного ключа потомка, то передавшая его связь является

идентифицирующей. В противном случае – неидентифицирующей.

Потомок в идентифицирующей связи всегда идентификационно

зависимая сущность. Потомок в неидентифицирующей связи может

быть идентификационно независимой сущностью.

Идентифицирующая связь всегда обязательная.

Неидентифицирующая связь может быть обязательной или

необязательной.

Сущность может быть категорией родовой сущности и

принадлежать определенному кластеру категорий. Сущность может

быть родовой для нескольких кластеров категорий. Категория

наследует все атрибуты родовой сущности, вступает во все ее связи и

может иметь собственные атрибуты и вступать в собственные связи.

Категория может быть родовой сущностью. Сущности могут

образовывать иерархии категорий.

Проектирование концептуальной модели ПО развивается от

общего к частному.

2 РЕЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ДАННЫХ

2.1 Общая характеристика модели

Реляционная модель данных (РМД) состоит из трех частей –

структурной, целостностной и манипуляционной



Структурная часть ставит в соответствие концептуальным

понятиям, введенным в п. 1.4, строго определенные математические

объекты – реляционные структуры данных. Она является абстрактным

языком описания данных.

 Целостностная часть определяет правила, которым должны

подчиняться хранящиеся в реляционных структурах непротиворечивые

правдоподобные данные.

 Манипуляционная часть определяет абстрактные языки

манипулирования данными в реляционных структурах на уровне

множеств.

 РМД поддерживает только концептуальный уровень

представления данных (см. п. 1.3.3).

Все понятия структурной и целостностной частей РМД

используются в современных графических ЯОД (см. гл.4) – входных

языках компьютерных систем автоматизированного проектирования

баз данных. Многие понятия РМД положены в основу SQL – входного

языка современных коммерческих СУБД, обеспечивающего

управление данными в БД на концептуальном уровне.

Модель предложена американским математиком Е. Коддом в

1970 году. За три десятилетия она претерпела некоторые изменения.

Здесь, в основном в соответствии с [1], изложены современные

представления. Определения реляционных ЯОД и ЯМД

ориентированы на гипотетическую СУБД, поддерживающую все

реляционные возможности. Следует иметь в виду, что ни одна

коммерческая СУБД, называемая «реляционной», не поддерживает

Это условное деление. На самом деле «части» модели настолько сильно

переплетены, что изложить понятия одной, не привлекая понятий двух других,

невозможно.

РМД в полном объеме. Однако тенденции развития этих систем

таковы, что можно надеяться на появление «настоящих» реляционных

СУБД (РСУБД) в недалеком будущем.

2.2 Структуры

2.2.1 Элементарные понятия. Выделяется шесть базовых

понятий РМД: тип данных, домен, атрибут, схема отношения,

кортеж, отношение. Первые три относятся к элементам данных,

остальные – к структурам, объединяющим элементы.

Тип данных (в классической РМД) есть множество значений, не

имеющих внутренней структуры. Это совпадает с понятием простого

типа в ЯВУ. Реляционные СУБД обычно поддерживают числовые,

символьные, битовые и логические типы, а также специальные

числовые типы, такие как деньги, даты, время и т.п.

Домен есть подмножество элементов типа. Формально домен

определяется как пара <тип, предикат>. Предикат задает условия

принадлежности элемента типа домену. На одном и том же типе

можно определить произвольное число доменов.

Атрибут есть имя, поставленное в соответствие домену и

представляющее семантически значимое свойство объекта ПО. Если

домену поставлено в соответствие имя, то говорят, что на домене

определен атрибут. Атрибут принимает значения на домене.

На одном и том же домене можно определить произвольное

число атрибутов. Атрибуты, определенные на общем домене,

наследуют его свойства.

2.2.2 Семантика доменов и атрибутов. Домен и атрибут

являются средствами интерпретации типа в терминах ПО. Например,

атрибут скорость интерпретирует число 20 как скорость в км/час, а

атрибут вес интерпретирует то же число как вес в кг. Верно и

обратное утверждение: атрибут интерпретирует семантически

значимый объект как элемент типа.

Определяя домены и атрибуты, мы тем самым задаем некоторые

ограничения на операции над данными, обусловленные смыслом

данных. Например, вес и скорость нельзя сравнивать или

использовать совместно в арифметических операциях, несмотря на то,

что и вес, и скорость – числа. Эти атрибуты должны быть определены

на различных

Ò È Ï

Äî ì åí 1

Äî ì åí 2

Äî ì åí N

À1

À2

Àòðèáóòû

Рис. 2.1 Соотношения элементарных понятий РМД

доменах числового типа

. Атрибуты, определенные на общем домене

сравнимы. Например, длина и ширина должны быть определены на

общем домене, т.к. их сравнения осмысленны. А атрибуты табельный

номер и номер телефона должны быть определены на разных

доменах. Кроме того, эти домены не могут быть числовыми. Никто не

складывает и не умножает табельные и телефонные номера.

2.2.3 Схема отношения, кортеж, отношение. Пусть D

, D

, …D

– домены (необязательно различные) и А

, А

, …, А

– атрибуты,

определенные на соответствующих доменах.

 Определение 1. Множество R = {(D

, A

), (D

, A

), ...,

, A

)} пар <домен, атрибут> называется схемой отношения

Интуитивно схему отношения можно понимать как заголовок

таблицы или как определение типа простой записи.

Пусть R – схема отношения, A

– атрибут схемы, a

– значение

атрибута.

 Определение 2. Множество пар S

= {S

: S

= (A

, a

, A

)  R, a

 D

, i = 1, …, n} называется кортежем,

соответствующим схеме R.

Интуитивно кортеж представляется как строка таблицы с

заданным заголовком или набор именованных значений типов, или

Эти домены различны, даже если содержат одни и те же значения.

Сравните это с понятием сущности (см. п. 1.4.2).