Традиционно процедуру проектирования базы данных разбивают на три этапа.
Этап 1-й. Концептуальное проектирование – создание представления (схемы, модели) БД, включающего определение важнейших сущностей (таблиц) и связей между ними, но не зависящего от модели БД (иерархической, сетевой, реляционной и т. д.) и физической реализации (целевой СУБД).
Этап 2-й. Логическое проектирование – развитие концептуального представления БД с учетом принимаемой модели (иерархической, сетевой, реляционной и т.д.).
Этап 3-й. Физическое проектирование – развитие логической модели БД с учетом выбранной целевой СУБД.
Концептуальное и логическое проектирование вместе называют также инфологическим или семантическим проектированием.
В настоящее время для проектирования БД активно используются CASE-средства, в основном ориентированные на использование ERD (Entity – Relationship Diagrams, диаграммы «сущность–связь»). С их помощью определяются важные для предметной области объекты (сущности), отношения друг с другом (связи) и их свойства (атрибуты). Следует отметить, что средства проектирования ERD в основном ориентированы на реляционные базы данных (РБД), и если существует необходимость проектирования другой системы, скажем объектно-ориентированной, то лучше избрать другие методы проектирования.
Сущность (таблица, в РБД – отношение) – реальный либо воображаемый объект, имеющий существенное значение для рассматриваемой предметной области, информация о котором подлежит хранению. Если выражаться точнее, то это не объект, а набор объектов (класс) с одинаковыми свойствами. Примеры сущностей: работник, деталь, ведомость, результаты сдачи экзамена и т. д.
Экземпляр сущности (запись, строка, в РБД – кортеж) – уникально идентифицируемый объект.
Связь – некоторая ассоциация между двумя сущностями, значимая для рассматриваемой предметной области. Примерами связей могут являться родственные отношения «отец–сын», производственные – «начальник-подчиненный» или произвольные – «иметь в собственности», «обладать свойством».
Атрибут (столбец, поле) – свойство сущности или связи.
Предметная область (ПО) информационной системы рассматривается как совокупность реальных процессов и объектов (сущностей), пред-ставляющих интерес для её пользователей [7]. Каждая из сущностей ПО обладает определённым набором свойств (атрибутов), среди которых можно выделить существенные и малозначительные. Признание какого-либо свойства существенным носит относительный характер. Например, атрибут Должность для сотрудника является существенным, а для читателя библиотеки – малозначительным.
Примечание. В данном учебном пособии наименования сущностей, атрибутов и связей вы-деляются курсивом и подчёркиванием. Кроме того:
1. Сущность записывается прописными буквами (ОТДЕЛ)
2. Атрибут сущности начинается с прописной буквы (Название). Ключевой атрибут выделяется полужирным шрифтом (Табельный номер).
3. Связь между сущностями определяется глаголом (работает).
Для упрощения процедуры формализации ПО в большинстве случаев прибегают к определению типов сущностей. Тип позволяет выделить из всего множества сущностей ПО группу сущностей, однородных по структуре и поведению (относительно рамок рассматриваемой ПО). Например, для ПО "Институт" в качестве типов сущностей могут рассматриваться студенты, преподаватели, дисциплины и т.п. Данные предметной области представляются экземплярами сущностей (студент Иванов, преподаватель Сидоров, дисциплина "Базы данных"). Экземпляры сущностей одного типа обладают одинаковыми наборами атрибутов, но должны отличаться значением хотя бы одного атрибута для того, чтобы быть узнаваемыми (например, студенты могут иметь одинаковые ФИО, но должны иметь разные номера зачётных книжек).
Между сущностями ПО могут существовать связи, имеющие различный содержательный смысл (семантику). Например, студент учится в группе, врач лечит пациента, клиент имеет вклад в банке. Связи могут быть факультативными или обязательными. Если вновь порождённая сущность одного из типов оказывается по необходимости связанной с сущностью другого типа, то между этими типами сущностей есть обязательная связь. Иначе связь является факультативной. Примеры обязательной и факультативной связей приведены на рис. 1.3. Здесь связь замещает является обязательной (изображается двойной линией), потому что каждый сотрудник должен работать на определённой должности, а связь замещается является факультативной, т.к. должность может быть вакантна.
Рис.1.3. Примеры обязательной и факультативной связей
Для удобства каждую связь между сущностями можно изображать одним ромбом (рис. 1.4). Выделяют также показатель кардинальности связи: "один к одному" (1:1), "один ко многим" (1:n) и "многие ко многим" (m:n) (рис. 1.4).
Рис.1.4. Примеры различной кардинальности связей
Связи, приведённые на рис. 1.4, с учётом семантики означают следующее:
• пациент–койка (1:1) – каждый пациент занимает одну койку, каждая койка в каждый момент времени может быть занята только одним пациентом;
• палата–пациент (1:n) – каждый пациент находится в одной палате, в ка-ждой палате могут находиться несколько пациентов;
• пациент–врач (n:m) – каждый пациент может лечиться у нескольких врачей, каждый врач может лечить несколько пациентов.
Обратите внимание: необязательная связь имеет модификатор "может", а у обязательной связи его нет.
Степень связи – это количество сущностей, которые входят в связь. Различают унарные (рис. 1.5,а), бинарные (рис. 1.5,б) и тернарные (рис.1.5,в) связи. (На практике связи с большей степенью редко используют-ся). Унарная связь означает, что одни экземпляры сущности связаны с другими экземплярами этой же сущности (например, одни сотрудники руководят другими, а деталь может являться частью механизма)
Рис.1.5. Примеры связей различной степени
Различают тип связи и экземпляр связи. Тип связи определяется её име-нем, обязательностью, степенью и кардинальностью, например, бинарная связь учится между сущностями ГРУППА и СТУДЕНТ, обязательная для студента, кардинальностью 1:n. А экземпляр связи – это конкретная связь между студентом Сидоровым и группой Н-11, в которой он учится.
Совокупность типов сущностей и типов связей между ними характеризует структуру предметной области. Собственно данные представлены экземплярами сущностей и связей между ними. Данные экземпляров сущностей и связей хранятся в базе данных информационной системы, а описание типов сущностей и связей является метаданными.
Множества экземпляров сущностей, значения атрибутов сущностей и экземпляры связей между ними могут изменяться во времени. Поэтому каждому моменту времени можно сопоставить некоторое состояние предметной области. Состояния ПО должны подчиняться совокупности правил, которые характеризуют семантику предметной области. В базе данных эти правила могут быть заданы с помощью так называемых ограничений целостности, которые накладываются на атрибуты сущностей, типы сущностей, типы связей и/или их экземпляры. Фактически, ограничения целостности – это правила, которым должны удовлетворять значения данных в БД. Например, для библиотеки можно привести такие ограничения целостности: количество экземпляров книги не может быть отрицательным; номер паспорта читателя должен быть уникальным; каждая книга относится к определённому разделу рубрикатора ББК – библиотечно-библиографической классификации и т.д.
Для того чтобы обеспечить соответствие базы данных текущему состоянию предметной области, база данных динамически обновляется (периодически или в режиме реального времени). Это обновление называется актуализацией данных. Актуализация может проводиться:
• вручную, если изменения в данные вносит пользователь (например, запись сведений о выдаче абоненту книги в библиотеке);
• автоматизировано, если изменения инициируются пользователем, но вы-полняются программно (например, обновление списка должников в библиотеке – читателей, которые просрочили дату возврата книг);
• автоматически, если данные поступают в электронном виде и обрабатыва-ются программой без участия человека (это касается, например, автоматизированных систем управления производством).
Правильность обновлений может контролироваться программно, но правильнее контролировать их автоматически с помощью ограничений целостности БД.
База данных является информационной моделью внешнего мира, некоторой предметной области. Во внешнем мире сущности ПО взаимосвязаны, поэтому в БД эти связи должны быть отражены. Если связи между данными в БД отсутствуют, то имеет смысл говорить о нескольких независимых БД и хранить их раздельно.
