Model diagramu relacji encji (ER) z przykładem DBMS

Czym jest diagram ER?

Diagram relacji encji (ER) to potężne narzędzie wizualne do projektowania struktur relacyjnych baz danych. Zaproponowany po raz pierwszy przez Petera Chena w 1976 roku, stanowi on podstawę modelowania koncepcyjnego, która precyzyjnie definiuje encje, atrybuty, relacje i ich kardynalności. Ten samouczek obejmuje wszystko, od podstawowych pojęć po zaawansowane techniki, pomagając w opanowaniu projektowania schematów baz danych.

Diagramy ER zawierają różne symbole, w których prostokąty reprezentują jednostki, owale definiują atrybuty, a kształty rombów przedstawiają relacje.

Na pierwszy rzut oka diagram ER wygląda bardzo podobnie do schematu blokowego. Zawiera jednak wiele specjalistycznych symboli, a ich znaczenie czyni ten model wyjątkowym. Celem diagramu ER jest przedstawienie infrastruktury Entity Framework.

Historia modeli ER

Peter Chen zaproponował Diagram ER w 1976 roku w swoim przełomowym artykule „Model relacji encji: w kierunku ujednoliconego spojrzenia na dane”. Jego celem było stworzenie jednolitej konwencji, która mogłaby być stosowana zarówno w relacyjnych bazach danych, jak i w sieciach. Chen wyobrażał sobie Model ER jako koncepcyjne podejście do modelowania, które miałoby wypełnić lukę między rzeczywistymi wymaganiami a techniczną implementacją bazy danych.

Od tego czasu model ER ewoluował wraz z różnymi systemami notacji, w tym notacją Chena (oryginalną), notacją Crow's Foot (popularną we współczesnych narzędziach) oraz podejściami opartymi na UML. Pomimo tych różnic, podstawowe koncepcje pozostają spójne we wszystkich implementacjach.

Dlaczego warto korzystać z diagramów ER?

Diagramy ER zapewniają liczne korzyści w projektowaniu i rozwoju baz danych:

• Komunikacja wizualna: Stanowią przejrzystą reprezentację wizualną, zrozumiałą zarówno dla interesariuszy technicznych, jak i nietechnicznych.
• Plan rozwoju: Pokazują dokładnie, jak tabele powinny się łączyć i jakie pola będzie zawierać każda tabela.
• Tłumaczenie gotowe: Diagramy ER można bezpośrednio przetłumaczyć na tabele relacyjne, co pozwala na szybkie tworzenie baz danych.
• Zapobieganie błędom: Pomagają identyfikować wady i zbędne elementy projektu przed wdrożeniem, oszczędzając czas i zasoby.
• Dokumentacja: Stanowią trwałą dokumentację, która pomaga nowym członkom zespołu zrozumieć architekturę systemu.
• Analiza systemu: Pomagają identyfikować wszystkie elementy istniejące w systemie i powiązania między nimi.

Komponenty diagramu ER

Każdy diagram ER składa się z trzech podstawowych komponentów: encji, atrybutów i relacji. Zrozumienie każdego komponentu i ich interakcji jest kluczowe dla tworzenia efektywnych projektów baz danych.

Przykłady diagramów ER

Na przykład w bazie danych uniwersytetu możemy mieć encje dla studentów, kursów i wykładowców. Jednostka studenta może mieć atrybuty takie jak numer rolki, imię i nazwisko oraz identyfikator wydziału. Mogą one być powiązane z kursami i wykładowcami.

podmioty

Jednostka reprezentuje dowolny obiekt świata rzeczywistego – żywy lub nieożywiony – który można jednoznacznie zidentyfikować i o którym można przechowywać dane. Może to być obiekt fizyczny, fakt dotyczący przedsiębiorstwa lub zdarzenie mające miejsce w świecie rzeczywistym. Jednostkami mogą być osoby, miejsca, obiekty, zdarzenia lub koncepcje.

Przykłady jednostek według kategorii:

• Osoba: Pracownik, Student, Pacjent, Klient
• Miejsce: Sklep, Budynek, Biuro, Magazyn
• Obiekt: Maszyna, Produkt, Samochód, Książka
• Wydarzenie: Sprzedaż, Rejestracja, Odnowienie, Transakcja
• koncepcja: Konto, Kurs, Dział, Projekt

Zestaw jednostek

Zestaw encji to grupa podobnych encji o wspólnych atrybutach. Na przykład wszyscy studenci na uniwersytecie tworzą zestaw encji „Student”. Encje są reprezentowane na diagramach ER za pomocą prostokątów z nazwą encji zapisaną wewnątrz.

Encje są reprezentowane przez swoje właściwości, zwane również atrybutami. Wszystkie atrybuty mają swoje własne wartości. Na przykład encja studenta może mieć imię, wiek i klasę jako atrybuty.

Silne podmioty kontra słabe podmioty

Jednostki klasyfikuje się jako silne lub słabe na podstawie ich zdolności do niezależnego istnienia. Zrozumienie tego rozróżnienia jest kluczowe dla prawidłowego projektowania bazy danych.

Silna jednostka ma swój własny klucz podstawowy i może istnieć niezależnie. Na przykład jednostka „Student” może być jednoznacznie zidentyfikowana za pomocą identyfikatora Student_ID bez konieczności korzystania z żadnej innej jednostki.

Słaby byt nie posiada własnego klucza podstawowego i do identyfikacji potrzebuje silnego bytu (zwanego bytem właściciela). Aby osiągnąć unikalność, używa klucza częściowego (dyskryminatora) połączonego z kluczem podstawowym właściciela. Na przykład w systemie bankowym byt „Transakcja” zależy od bytu „Konto” – sam numer transakcji nie jest unikatowy w całej bazie danych, ale w połączeniu z numerem konta staje się unikatowy.

Silny podmiot	Słaby podmiot
Ma swój własny klucz podstawowy	Nie posiada klucza podstawowego; używa klucza częściowego
Reprezentowane przez pojedynczy prostokąt	Reprezentowane przez podwójny prostokąt
Klucz podstawowy podkreślono linią ciągłą	Częściowy klucz podkreślono linią przerywaną
Może istnieć niezależnie	Istnienie zależy od podmiotu będącego właścicielem
Połączony z pojedynczym diamentowym związkiem	Połączony z podwójnym diamentem (identyfikującym relację)
Przykład: Student, Pracownik, Produkt	Przykład: Transakcja, Zależny, Pozycja zamówienia

Relacja

Relacja reprezentuje powiązanie między dwoma lub więcej encjami. Relacje są zazwyczaj identyfikowane za pomocą czasowników lub fraz czasownikowych, które opisują interakcje między encjami. Na diagramach ER relacje są przedstawiane za pomocą kształtów rombów. Przykład: Tom pracuje na wydziale chemii.

Podmioty biorą udział w relacjach. Często możemy zidentyfikować powiązania z czasownikami lub wyrażeniami czasownikowymi.

Przykłady:

• Bierzesz udział w tym wykładzie
• Wygłaszam wykład
• Student uczestniczy w wykładzie
• Wykładowca wygłasza wykład

Atrybuty

Atrybut to właściwość lub cecha opisująca encję lub relację. Atrybuty dostarczają szczegółowych informacji, które sprawiają, że każda instancja encji jest unikatowa i znacząca. Na diagramach ER atrybuty są reprezentowane za pomocą owali (elip) połączonych linią z encją nadrzędną.

Na przykład jednostka Student może mieć atrybuty takie jak Student_ID, Imię i nazwisko, Data_urodzenia, Adres e-mail i Numer_telefonu.

Rodzaje atrybutów

Typ atrybutu	OPIS	Przykład
Prosty (Atomic)	Nie można podzielić na mniejsze części	Numer telefonu, numer ubezpieczenia społecznego, adres e-mail
Kompozyt	Można podzielić na mniejsze podatrybuty	Imię i nazwisko (imię, drugie imię, nazwisko), adres (ulica, miasto, kod pocztowy)
Pochodny	Wartość jest obliczana na podstawie innych atrybutów i nie jest przechowywana bezpośrednio	Wiek (na podstawie daty urodzenia), cena całkowita
Wielowartościowy	Może przechowywać wiele wartości dla jednego bytu	Telefon Numbers, Adresy e-mail, Umiejętności
Kluczowy atrybut	Unikalnie identyfikuje każdą instancję encji (klucz podstawowy)	Identyfikator studenta, identyfikator pracownika, ISBN

Kluczowa wskazówka: Na diagramach ER kluczowe atrybuty są wyświetlane z podkreślonymi nazwami. Atrybuty pochodne są wyświetlane w przerywanych owalach, a atrybuty wielowartościowe – w podwójnych owalach.

Kardynalność (typy relacji)

Kardynalność definiuje ograniczenia liczbowe relacji – a konkretnie, ile instancji jednej encji może być powiązanych z instancjami innej encji. Zrozumienie kardynalności jest niezbędne do projektowania wydajnych struktur baz danych.

1. Jeden na jeden (1:1)

Jeden byt ze zbioru A może być powiązany co najwyżej z jednym bytem ze zbioru B i odwrotnie.

Przykład: Jednemu uczniowi przypisano dokładnie jeden identyfikator studencki, a każdy identyfikator studencki należy do dokładnie jednego ucznia.

2. Jeden do wielu (1:N)

Jeden element ze zbioru A może być powiązany z wieloma elementami ze zbioru B, ale każdy element ze zbioru B jest powiązany tylko z jednym elementem ze zbioru A.

Przykład: Jedna klasa składa się z wielu uczniów.

3. Wiele do jednego (N:1)

Wiele obiektów ze zbioru A może być powiązanych z jednym obiektem ze zbioru B.

Na przykład wielu uczniów należy do tej samej klasy.

4. Wiele do wielu (M:N)

Wiele encji ze zbioru A może być powiązanych z wieloma encjami ze zbioru B i odwrotnie.

Na przykład Studenci jako grupa są powiązani z wieloma członkami wydziału, a członkowie wydziału mogą być powiązani z wieloma studentami.

Symbole i oznaczenia diagramu ER

Diagramy ER wykorzystują standardowe symbole do reprezentowania różnych komponentów. Chociaż istnieje kilka systemów notacji, dwa najpopularniejsze to notacja Chena i notacja „Crow's Foot”.

Notacja Chena

Notacja Chena, opracowana przez Petera Chena w 1976 roku, wykorzystuje kształty geometryczne do przedstawiania różnych elementów:

symbol	Imię i nazwisko	reprezentuje
Prostokąt	Jednostka	Silny podmiot (np. Student, Produkt)
Double Prostokąt	Słaby podmiot	Podmiot zależny od innego (np. Transakcja)
Elipsa/Owal	Atrybut	Własność jednostki (np. nazwa, identyfikator)
Double Elipsa	Atrybut wielowartościowy	Atrybut z wieloma wartościami (np. Telefon) Numbers)
Przerywana elipsa	Atrybut pochodny	Wartość obliczona (np. wiek na podstawie daty urodzenia)
Diament	Relacja	Powiązanie między podmiotami (np. zapisy)
Double Diament	Identyfikacja relacji	Relacja ze słabym podmiotem
Linia	Połączyć	Łączy ze sobą komponenty
Podkreślony tekst	Główny klucz	Unikalny identyfikator podmiotu

Notacja kurzej stopki

Notacja Crow's Foot (zwana również notacją IE) jest powszechnie stosowana w nowoczesnych narzędziach do projektowania baz danych. Wykorzystuje różne zakończenia wierszy do reprezentowania kardynalności i jest szczególnie skuteczna w prezentowaniu relacji „wiele”.

symbol Descriptjon	Znaczenie
Pojedyncza pionowa linia (|)	Obowiązkowy Jeden (dokładnie jeden)
Okrąg z linią (O|)	Opcjonalny Jeden (zero lub jeden)
Kurza stopka z linią (>|)	Obowiązkowe Wiele (jeden lub więcej)
Kurza stopka z kółkiem (>O)	Opcjonalny Wiele (zero lub więcej)

Notacja Chena a notacja „kurzej łapki”: kiedy stosować każdą z nich

WYGLĄD	Notacja Chena	Notacja kurzej stopki
Najlepsze dla:	Modelowanie koncepcyjne, zastosowanie akademickie	Modelowanie fizyczne/logiczne, zastosowanie w przemyśle
Wyświetlanie atrybutów	Pokazuje wszystkie atrybuty wizualnie	Wyświetla atrybuty wewnątrz pola encji
Kardynalność	Używa liczb (1, N, M)	Używa symboli wizualnych
Złożoność	Może stać się zagracony	Bardziej kompaktowy i czystszy
Wsparcie narzędziowe	Ograniczone wsparcie nowoczesnych narzędzi	Szeroko wspierane w narzędziach

Jak utworzyć diagram relacji encji (ERD)

W tym samouczku dotyczącym diagramu ER (ERD) nauczymy się, jak utworzyć diagram ER. Poniżej przedstawiono kroki tworzenia diagramu ER:

Przeanalizujmy je na przykładzie diagramu relacji encji:

Na uniwersytecie student zapisuje się na kursy. Student musi być przypisany do co najmniej jednego kursu. Każdy kurs prowadzi jeden profesor. Aby utrzymać jakość nauczania, profesor może prowadzić tylko jeden kurs.

Krok 1) Identyfikacja podmiotu

Mamy trzy podmioty:

• Student
• Kurs
• Profesor

Krok 2) Identyfikacja relacji

Mamy następujące dwa związki:

• Uczeń jest przydzielony kurs
• Profesor dostarcza kurs

Krok 3) Identyfikacja liczności

Ze sformułowania problemu wynika, że:

• Można przypisać ucznia wielokrotność kursy
• Profesor może jedynie dostarczyć pierwszej w kursie.

Krok 4) Zidentyfikuj atrybuty

Należy przeanalizować pliki, formularze, raporty i dane aktualnie przechowywane w organizacji, aby zidentyfikować atrybuty. Można również przeprowadzić wywiady z różnymi interesariuszami w celu zidentyfikowania jednostek. Na początku ważne jest, aby zidentyfikować atrybuty bez przypisywania ich do konkretnej jednostki.

Po utworzeniu listy atrybutów należy je zmapować do zidentyfikowanych encji. Upewnij się, że atrybut jest sparowany z dokładnie jedną encją. Jeśli uważasz, że atrybut powinien należeć do więcej niż jednej encji, użyj modyfikatora, aby go wyróżnić.

Po zakończeniu mapowania zidentyfikuj klucze podstawowe. Jeśli unikalny klucz nie jest łatwo dostępny, utwórz go.

Jednostka	Główny klucz	Atrybut
Student	Legitymacja studencka	Imię ucznia
Profesor	Dowód pracownika	Imię profesora
Kurs	Identyfikator kursu	Nazwa kursu

W przypadku jednostki kursu atrybutami mogą być Czas trwania, Punkty, Zadania itd. Dla ułatwienia wzięliśmy pod uwagę tylko jeden atrybut.

Krok 5) Utwórz ERD

Bardziej współczesna reprezentacja przykładu diagramu relacji encji:

Najlepsze praktyki dotyczące efektywnych diagramów ER

Aby tworzyć przejrzyste, łatwe w utrzymaniu i efektywne diagramy ER, postępuj zgodnie z poniższymi wskazówkami:

• Wyeliminuj redundancję: Usuń zduplikowane jednostki, atrybuty lub relacje.
• Stosuj jasne konwencje nazewnictwa: Używaj spójnych, opisowych nazw. Unikaj skrótów.
• Sprawdź zgodność z wymaganiami: Upewnij się, że diagram spełnia wszystkie wymagania dotyczące przechowywania danych.
• Nie komplikuj: Utwórz wiele diagramów na różnych poziomach zamiast jednego nieuporządkowanego diagramu.
• Używaj kolorów oszczędnie: Konsekwentnie stosuj kolory do wyróżniania kategorii.
• Założenia dokumentu: Dodaj notatki wyjaśniające założenia dotyczące reguł biznesowych.
• Revwidok z interesariuszami: Poproś użytkowników biznesowych i zespół techniczny o przejrzenie diagramu.
• Kontrola wersji: Utrzymuj wersje w miarę rozwoju projektu.

Diagramy ER kontra diagramy klas UML

Chociaż zarówno diagramy ER, jak i diagramy klas UML są wykorzystywane do modelowania danych, służą różnym celom i kontekstom. Zrozumienie, kiedy używać każdego z nich, jest ważne dla efektywnego projektowania systemu.

WYGLĄD	Schemat ER	Diagram klas UML
Podstawowy cel	Projekt bazy danych	Projektowanie oprogramowania/obiektów
Skupiać	Dane i relacje	Obiekty, metody i zachowania
Metody/Operanych	Nie jest obsługiwany	W pełni obsługiwane
Dziedzictwo	Ograniczony (tylko w EER)	Pełne wsparcie
Zastosowanie w przemyśle	Administratorzy baz danych, analitycy danych	Programiści oprogramowania, architekci

FAQ