Сущности, отношения и связи в нотации Чена

СУЩНОСТЬ представляет собой множество экземпляров реальных или абстрактных объектов (людей, событий, состояний, идей, предметов и т.п.), обладающих общими атрибутами или характеристиками. Любой объект системы может быть представлен только одной сущностью, которая должна быть уникально идентифицирована. При этом имя сущности должно отражать тип или класс объекта, а не его конкретный экземпляр (например, АЭРОПОРТ, а не ВНУКОВО).

ОТНОШЕНИЕ в самом общем виде представляет собой связь между двумя и более сущностями. Именование отношения осуществляется с помощью грамматического оборота глагола (ИMEET, ОПРЕДЕЛЯЕТ, МОЖЕТ ВЛАДЕТЬ и т.п.).

Другими словами, сущности представляют собой базовые типы информации, хранимой в базе данных, а отношения показывают, как эти типы данных взаимоувязаны друг с другом. Введение подобных отношений преследует две основополагающие цели:

· обеспечение хранения информации в единственном месте (даже если она используется в различных комбинациях);

· использование этой информации различными приложениями.

Символы ERD, соответствующие сущностям и отношениям, приведены на рис. 9.

Рис.9 Символы ERD в нотации Чена

Независимая сущность представляет независимые данные, которые всегда присутствуют в системе. При этом отношения с другими сущностями могут как существовать, так и отсутствовать. В свою очередь, зависимая сущность представляет данные, зависящие от других сущностей в системе. Поэтому она должна всегда иметь отношения с другими сущностями. Ассоциированная сущность представляет данные, которые ассоциируются с отношениями между двумя и более сущностями.

Неограниченное (обязательное) отношение представляет собой безусловное отношение, т.е. отношение, которое всегда существует до тех пор, пока существуют относящиеся к делу сущности. Ограниченное (необязательное) отношение представляет собой условное отношение между сущностями. Существенно-ограниченное отношение используется, когда соответствующие сущности взаимно зависимы в системе.

Для идентификации требований, в соответствии с которыми сущности вовлекаются в отношения, используются СВЯЗИ. Каждая связь соединяет сущность и отношение и может быть направлена только от отношения к сущности.

ЗНАЧЕНИЕ связи характеризует ее тип и, как правило, выбирается из следующего множества:

{"0 или 1", "0 или более", "1", "1 или более", "p:q" (диапазон)}.

Пара значений связей, принадлежащих одному и тому же отношению, определяет тип этого отношения. Практика показала, что для большинства приложений достаточно использовал следующие типы отношений:

1) 1*1 (один-к-одному). Отношения данного типа используются, как правило, на верхних уровнях иерархии модели данных, а на нижних уровнях встречаются сравнительно редко.

2) 1*n (один-к-многим). Отношения данного типа являются наиболее часто используемыми.

3) n*m (многие-к-многим). Отношения данного типа обычно используются на ранних этапах проектирования с целью прояснения ситуации. В дальнейшем каждое из таких отношений должно быть преобразовано в комбинацию отношений типов 1 и 2 (возможно, с добавлением вспомогательных сущностей и введением новых отношений).

Диаграммы атрибутов

Каждая сущность обладает одним или несколькими атрибутами, которые однозначно идентифицируют каждый экземпляр сущности. При этом любой атрибут может быть определен как ключевой.

Детализация сущности осуществляется с использованием диаграмм атрибутов, которые раскрывают ассоциированные сущностью атрибуты. Диаграмма атрибутов состоит из детализируемой сущности, соответствующих атрибутов и доменов, описывающих области значений атрибутов. На диаграмме каждый атрибут представляется в виде связи между сущностью и соответствующим доменом, являющимся графическим представлением множества возможных значений атрибута. Все атрибутные связи имеют значения на своем окончании. Для идентификации ключевого атрибута используется подчеркивание имени атрибута.

Категоризация сущностей

Сущность может быть разделена и представлена в виде двух или более сущностей-категорий, каждая из которых имеет общие атрибуты и/или отношения, которые определяются однажды на верхнем уровне и наследуются на нижнем. Сущности-категории могут иметь и свои собственные атрибуты и/или отношения, а также, в свою очередь, могут быть декомпозированы своими сущностями-категориями на следующем уровне. Расщепляемая на категории сущность получила название общей сущности (отметим, что на промежуточных уровнях декомпозиции одна и та же сущность может быть как общей сущностью, так и сущностью-категорией).

Для демонстрации декомпозиции сущности на категории используются диаграммы категоризации. Такая диаграмма содержит общую сущность, две и более сущности-категории и специальный узел-дискриминатор, который описывает способы декомпозиции сущностей (см. рис. 10).

Рис. 10 Узел-дискриминатор

Существуют 4 возможных типа дискриминатора:

1) Полное и обязательное вхождение Е/М (exclusive/mandatory) - сущность должна быть одной и только одной из следуемых категорий.

2) Полное и необязательное вхождение Е/О (exclusive/optional) - сущность может быть одной и только одной из следуемых категорий.

3) Неполное и обязательное вхождение I/M (inclusive/mandatory) - сущность должна быть, по крайней мере, одной из следуемых категорий.

4) Неполное и необязательное вхождение I/O (inclusive/optional) - сущность может быть, по крайней мере, одной из следуемых категорий.

Построение модели

Разработка ERD включает следующие этапы:

1) Идентификация сущностей, их атрибутов, а также первичных и альтернативных ключей.

2) Идентификация отношений между сущностями и указаний типов отношений.

3) Разрешение неспецифических отношений (отношений n*m).

Этап 1 является определяющим при построении модели, его исходной информацией служит содержимое хранилищ данных определяемое входящими и выходящими в/из него потоками данных. Первоначально осуществляется анализ хранилища, включающий сравнение содержимого входных и выходных потоков и создание на основе этого сравнения варианта схемы хранилища, описание структур данных, содержащихся во входных и выходных потоках.

Затем, если полученная схема обладает избыточностью, то происходит упрощение схемы путем нормализации (удаления повторяющихся групп). Концепции и методы нормализации были разработаны Коддом, установившим существование трех типов нормализованных схем, называемых в порядке уменьшения сложности первой, второй и третьей нормальной формой (1НФ, 2НФ, 3НФ).

Пример НФ. Рассмотрим все три нормальные формы на примере Группы Студентов. У Студента ключом является реквизит Номер (№ личного дела), к описательным реквизитам относятся: Фамилия (Фамилия студента), Имя (Имя студента), Отчество (Отчество студента), Дата (Дата рождения), Группа (N группы). Если отсутствует реквизит Номер, то для однозначного определения характеристик конкретного студента необходимо использование составного ключа из трех реквизитов: Фамилия + Имя + Отчество.

Первая нормальная форма

Отношение называется нормализованным или приведенным к первой нормальной форме, если все его атрибуты простые (далее неделимы). Преобразование отношения к первой нормальной форме может привести к увеличению количества реквизитов (полей) отношения и изменению ключа.

Например, отношение Студент=(Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится в первой нормальной форме.

Вторая нормальная форма

Чтобы рассмотреть вопрос приведения отношений ко второй нормальной форме, необходимо дать пояснения к таким понятиям, как функциональная зависимость и полная функциональная зависимость.

Описательные реквизиты информационного объекта логически связаны с общим для них ключом, эта связь носит характер функциональной зависимости реквизитов.

Функциональная зависимость реквизитов - зависимость, при которой в экземпляре сущности (в нашем случае, сущность - это студент) определенному значению ключевого реквизита соответствует только одно значение описательного реквизита.

Такое определение функциональной зависимости позволяет при анализе всех взаимосвязей реквизитов предметной области выделить самостоятельные информационные объекты.

В случае составного ключа вводится понятие функционально полной зависимости.

Функционально полная зависимость неключевых атрибутов заключается в том, что каждый неключевой атрибут функционально зависит от ключа, но не находится в функциональной зависимости ни от какой части составного ключа.

Отношение будет находиться во второй нормальной форме, если оно находится в первой нормальной форме, и каждый неключевой атрибут функционально полно зависит от составного ключа.

Отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится в первой и во второй нормальной форме одновременно, так как описательные реквизиты однозначно определены и функционально зависят от ключа Номер. Отношение Успеваемость = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дисциплина, оценка) находится в первой нормальной форме и имеет составной ключ Номер+Дисциплина. Это отношение не находится во второй нормальной форме, так как атрибуты Фамилия, Имя, Отчество не находятся в полной функциональной зависимости с составным ключом отношения.

Третья нормальная форма

Понятие третьей нормальной формы основывается на понятии нетранзитивной зависимости.

Транзитивная зависимость наблюдается в том случае, если один из двух описательных реквизитов зависит от ключа, а другой описательный реквизит зависит от первого описательного реквизита.

Отношение будет находиться в третьей нормальной форме, если оно находится во второй нормальной форме, и каждый неключевой атрибут нетранзитивно зависит от первичного ключа.

Пример. Если в состав описательных реквизитов Студент включить фамилию старосты группы (Староста), которая определяется только номером группы, то одна и та же фамилия старосты будет многократна повторяться в разных экземплярах Студентов. В этом случае наблюдаются затруднения в корректировке фамилии старосты в случае назначения нового старосты, а также неоправданный расход памяти для хранения дублированной информации.

Для устранения транзитивной зависимости описательных реквизитов необходимо провести "расщепление" исходной сущности. В результате расщепления часть реквизитов удаляется из исходной сущности и включается в состав другой (возможно, вновь созданных) сущности.

Пример. Студент группы представляется в виде совокупности правильно структурированных информационных объектов (Студент и Группа), реквизитный состав которых тождественен исходному объекту. Отношение Студент = (Номер, Фамилия, Имя, Отчество, Дата, Группа) находится одновременно в первой, второй и третьей нормальной форме.

3НФ является наиболее простым способом представления данных, отражающим здравый смысл. Построив 3НФ, мы фактически выделяем базовые сущности предметной области.

Этап 2 служит для выявления и определения отношений между сущностями, а также для идентификации типов отношений. Некоторые отношения на данном этапе могут быть неспецифическими (n*m многие-ко-многим). Такие отношения потребуют дальнейшей детализации на этапе 3.

Определение отношений включает выявление связей, для этого отношение должно быть проверено в обоих направлениях следующим образом: выбирается экземпляр одной из сущностей и определяется, сколько различных экземпляров второй сущности может быть связано с ним и наоборот.

Пример. Связь "1-к-1". Человек и его паспорт. Связь "1-ко-многим": Человек и телефоны.

Этап 3 предназначен для разрешения неспецифических отношений. Для этого каждое неспецифическое отношение преобразуется в два специфических отношения с введением новых (а именно, ассоциативных) сущностей. Пример. Студент может изучать много Предметов, а Предмет может изучаться многими Студентами. Мы не можем определить, какой Студент изучает какой Предмет. Следовательно, у нас есть неспецифическое отношение, которое можно расщепить на два специфических отношения, введя ассоциативную сущность Изучение_Предмета. Каждый экземпляр введенной сущности связан с одним Студентом и одним Предметом (рис.11).

Рис. 11 Пример разрешения неспецифического отношения

Спецификации управления

Спецификации управления предназначены для моделирования и документирования аспектов систем, зависящих от времени или реакции на событие. Они позволяют осуществлять декомпозицию управляющих процессов и описывают отношения между входными и выходными управляющими потоками на управляющем процессе-предке. Для этой цели обычно используются диаграммы переходов состояний (STD).

С помощью STD можно моделировать последующее функционирование системы на основе ее предыдущего и текущего функционирования. Моделируемая система в любой заданный момент времени находится точно в одном из конечного множества состояний. С течением времени она может изменить свое состояние, при этом переходы между состояниями должны быть точно определены.

STD состоит из следующих объектов:

СОСТОЯНИЕ - может рассматриваться как условие устойчивости для системы. Находясь в определенном состоянии, мы имеем достаточно информации о прошлой истории системы, чтобы определить очередное состояние в зависимости от текущих входных событий. Имя состояния должно отражать реальную ситуацию, в которой находится система, например, НАГРЕВАНИЕ, ОХЛАЖДЕНИЕ и т.п.

НАЧАЛЬНОЕ СОСТОЯНИЕ - узел STD, являющийся стартовой точкой для начального системного перехода. STD имеет ровно одно начальное состояние, соответствующее состоянию системы после ее инсталляции, но перед началом реальной обработки, а также любое (конечное) число завершающих состояний.

ПЕРЕХОД определяет перемещение моделируемой системы из одного состояния в другое. При этом имя перехода идентифицирует событие, являющееся причиной перехода и управляющее им. Это событие обычно состоит из управляющего потока (сигнала), возникающего как во внешнем мире, так и внутри моделируемой системы при выполнении некоторого условия (например СЧЕТЧИК=999 или КНОПКА НАЖАТА). Следует отметить, что, вообще говоря, не все события необходимо вызывают переходы из отдельных состояний. С другой стороны, одно и то же событие не всегда вызывает переход в то же самое состояние.

Таким образом, УСЛОВИЕ представляет собой событие (или события), вызывающее переход и идентифицируемое именем перехода. Если в условии участвует входной управляющий поток управляющего процесса-предка, то имя потока должно быть заключено в кавычки, например, "ПАРОЛЬ"=666, где ПАРОЛЬ - входной поток.

Кроме условия с переходом может связываться действие или ряд действий, выполняющихся, когда переход имеет место. То есть ДЕЙСТВИЕ - это операция, которая может иметь место при выполнении перехода. Если действие необходимо для выбора выходного управляющего потока, то имя этого потока должно заключаться в кавычки, например:

"ВВЕДЕННАЯ КАРТА " = TRUE,

где ВВЕДЕННАЯ КАРТА - выходной поток.

На STD состояния представляются узлами, а переходы дугами (рис.12). Условия (по-другому называемые стимулирующими событиями) идентифицируются именем перехода и возбуждают выполнение перехода. Действия или отклики на события привязываются к переходам и записываются под соответствующим условием. Начальное состояние на диаграмме должно иметь входной переход, изображаемый потоком из подразумеваемого стартового узла (иногда этот стартовый узел изображается небольшим квадратом и привязывается к входному состоянию).

Рис. 12 Пример STD узлов

В ситуации, когда число состояний и/или переходов велико, для проектирования спецификаций управления могут использоваться таблицы или матрицы переходов состояний.

Первая колонка таблицы содержит список всех состояний проектируемой системы, во второй колонке для каждого состояния приведены все условия, вызывающие переходы в другие состояния, а в третьей колонке - совершаемые при этих переходах действия. Четвертая колонка содержит соответствующие имена состояний, в которые осуществляется переход из рассматриваемого состояния при выполнении определенного условия.

Матрица переходов состояний содержит по вертикали перечень состояний системы, а по горизонтали список условий. Каждый ее элемент содержит список действий, а также имя состояния, в которое осуществляется переход.