1.5 實(shí)體-聯(lián)系模型

數(shù)據(jù)庫設(shè)計的過程就是利用數(shù)據(jù)模型來表達(dá)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)之間聯(lián)系的過程。數(shù)據(jù)模型是一種工具，用來描述數(shù)據(jù)（Data）、數(shù)據(jù)的語義（Data Semantics）、數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系（Relationship）以及數(shù)據(jù)的約束（Constraints）等。數(shù)據(jù)建模過程是一個抽象的過程，其目的是把一個現(xiàn)實(shí)世界中的實(shí)際問題用一種數(shù)據(jù)模型來表示，用計算機(jī)能夠識別、存儲和處理的數(shù)據(jù)形式進(jìn)行描述。在本節(jié)中，將討論一種用于數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計的數(shù)據(jù)模型—E-R模型。一般地講，任何一種數(shù)據(jù)模型都是經(jīng)過嚴(yán)格定義的。

理解實(shí)際問題的需求之后，需要用一種方法來表達(dá)這種需求，現(xiàn)實(shí)世界中使用概念數(shù)據(jù)模型來描述數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，即數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計。概念模型的表示方法之一是E-R模型，即用E-R模型表達(dá)實(shí)際問題的需求。E-R模型具有足夠的表達(dá)能力且簡明易懂，不需要使用者具有計算機(jī)知識。E-R模型以圖形的方式表示模型中各元素及其之間的聯(lián)系，所以又稱E-R圖（Entity-Relationship Diagram）。E-R圖便于理解且易于交流，因此，E-R模型得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。

1.5.1 實(shí)體-聯(lián)系模型中的基本概念

下面介紹E-R模型中使用的基本元素。

1．實(shí)體

實(shí)際問題中客觀存在并可相互區(qū)別的事物稱為實(shí)體（Entity）。實(shí)體是現(xiàn)實(shí)世界中的對象，實(shí)體可以是具體的人、事、物。例如，實(shí)體可以是一名學(xué)生、一位教師或圖書館中的一部書籍。

2．屬性

實(shí)體所具有的某一特性稱為屬性（Attribute）。在E-R模型中用屬性來描述實(shí)體，例如，通常用“姓名”“性別”“出生日期”等屬性來描述人，用“圖書名稱”“出版商”“出版日期”等屬性描述書籍。一個實(shí)體可以由若干個屬性來描述。例如學(xué)生實(shí)體可以用學(xué)號、姓名、性別、出生日期等屬性來描述。這些屬性的集合（學(xué)號，姓名，性別，出生日期）表征了一個學(xué)生的部分特性。一個實(shí)體通常具有多種屬性，應(yīng)該使用哪些屬性描述實(shí)體，取決于實(shí)際問題的需要或者說取決于最終期望得到哪些信息。例如，教務(wù)處關(guān)心、描述學(xué)生各門功課的成績，而學(xué)生處可能會更關(guān)心學(xué)生的各項(xiàng)基本情況，如學(xué)生來自哪里，監(jiān)護(hù)人是誰，如何聯(lián)系等問題。

確定屬性的兩條原則。

1）屬性必須是不可分的最小數(shù)據(jù)項(xiàng)，屬性中不能包含其他屬性，不能再具有需要描述的性質(zhì)。

2）屬性不能與其他實(shí)體具有聯(lián)系，E-R圖中所表示的聯(lián)系是實(shí)體集之間的聯(lián)系。

屬性的取值范圍稱為該屬性的域（Domain）。例如，“學(xué)號”的域可以是9位數(shù)字組成的字符串，“性別”的域是“男”或“女”，“工資”的域是大于零的數(shù)值等。但域不是E-R模型中的概念，E-R模型不需要描述屬性的取值范圍。

3．實(shí)體集

具有相同屬性的實(shí)體的集合稱為實(shí)體集（Entity Set/Entity Class）。例如，全體學(xué)生就是一個實(shí)體集。實(shí)體屬性的每一組取值代表一個具體的實(shí)體。例如，（983501011，張捷，女，1978年12月）是學(xué)生實(shí)體集中的一個實(shí)體，而（993520200，李綱，男，1978年8月）是另一個實(shí)體。在E-R模型中，一個實(shí)體集中的所有實(shí)體有相同的屬性。

4．鍵

在描述實(shí)體集的所有屬性中，可以唯一地標(biāo)識每個實(shí)體的屬性稱為鍵（Key）或標(biāo)識（Identifier）。首先，鍵是實(shí)體的屬性；其次，這個屬性可以唯一地標(biāo)識實(shí)體集中每個實(shí)體。因此，作為鍵的屬性取值必須唯一且不能“空置”。例如，在學(xué)生實(shí)體集中，用學(xué)號屬性唯一地標(biāo)識每個學(xué)生實(shí)體。在學(xué)生實(shí)體集中，學(xué)號屬性取值唯一，而且每一位學(xué)生一定有一個學(xué)號（不存在沒有學(xué)號的學(xué)生）。因此，學(xué)號是學(xué)生實(shí)體集的鍵。

5．實(shí)體型

具有相同的特征和性質(zhì)的實(shí)體一定具有相同的屬性。用實(shí)體名及其屬性名集合來抽象和刻畫同類實(shí)體，稱為實(shí)體型（Entity Type）。實(shí)體型表示的格式是

實(shí)體名（屬性1，屬性2，……，屬性n）

例如，學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，所屬院系，專業(yè)，入學(xué)時間）就是一個實(shí)體型，其中帶有下畫線的屬性是鍵。

圖1-6所示為學(xué)生實(shí)體集的圖形表示。用矩形表示實(shí)體集，矩形框中寫入實(shí)體集名稱，用橢圓表示實(shí)體的屬性。作為鍵的屬性，用加下畫線的方式表示。

在建立實(shí)體集時，應(yīng)遵循的原則如下。

1）每個實(shí)體集只表現(xiàn)一個主題。例如，學(xué)生實(shí)體集中不能包含教師，它們所要描述的內(nèi)容是有差異的，屬性可能會有所不同。

2）每個實(shí)體集有一個鍵屬性，其他屬性只依賴鍵屬性而存在。并且除鍵屬性以外的其他屬性之間沒有相互依賴關(guān)系。例如，學(xué)生實(shí)體中，學(xué)號屬性值決定了姓名、性別、出生日期等屬性的取值（記為：學(xué)號→姓名 性別 出生日期），但反之不行。

6．聯(lián)系

世界上任何事物都不是孤立存在的，事物內(nèi)部和事物之間是有聯(lián)系（Relationship）的。實(shí)體集內(nèi)部的聯(lián)系體現(xiàn)在描述實(shí)體的屬性之間的聯(lián)系；實(shí)體集外部的聯(lián)系是指實(shí)體集之間的聯(lián)系，并且這種聯(lián)系可以擁有屬性。

實(shí)體集之間的聯(lián)系通常有3種類型：一對一聯(lián)系（1∶1）、一對多聯(lián)系（1∶n）和多對多聯(lián)系（m∶n）。

1.5.2 實(shí)體集之間的聯(lián)系形式

1．一對一聯(lián)系

【例1-1】考慮學(xué)校里的班和班長之間的聯(lián)系問題。每個班只有一位班長，每位班長只在一個班里任職，班實(shí)體集與班長實(shí)體集之間的聯(lián)系是一對一聯(lián)系。用E-R圖表示這種一對一的聯(lián)系，如圖1-7所示。用矩形表示實(shí)體集，用菱形表示實(shí)體集之間的聯(lián)系，菱形中是聯(lián)系的名稱，菱形兩側(cè)是聯(lián)系的類型。為了強(qiáng)調(diào)實(shí)體集之間的聯(lián)系，本圖中略去了實(shí)體集的屬性。

【例1-2】某經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)需要對入駐其中的公司及其總經(jīng)理信息進(jìn)行管理。如果給定的需求分析如下，則建立此問題的概念模型。

（1）需求分析

1）每個公司有一名總經(jīng)理，每位總經(jīng)理只在一個公司任職。

2）需要存儲和管理的公司數(shù)據(jù)有公司名稱、地址、電話。

3）需要存儲和管理的總經(jīng)理數(shù)據(jù)有姓名、性別、出生日期、民族。

這個問題中有兩個實(shí)體對象，即公司實(shí)體集和總經(jīng)理實(shí)體集。描述公司實(shí)體集的屬性是公司名稱、地址和電話；描述總經(jīng)理實(shí)體集的屬性是姓名、性別、出生日期和民族。但兩個實(shí)體集中沒有適合作為鍵的屬性，因此為每一個公司編號，使編號能唯一地標(biāo)識每一個公司；為每一位總經(jīng)理編號，使編號能唯一地標(biāo)識每一個總經(jīng)理。并且在兩個實(shí)體集中增加“編號”屬性作為實(shí)體的鍵。

（2）E-R模型

1）實(shí)體型。

公司（公司編號，公司名稱，地址，電話）

總經(jīng)理（經(jīng)理編號，姓名，性別，出生日期，民族）

2）E-R圖如圖1-8所示。

作為一個完整的數(shù)據(jù)庫設(shè)計過程，還應(yīng)該有數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計和數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)。

總結(jié)上面的兩個例子，可以歸納出實(shí)體集之間一對一聯(lián)系的定義，即對于實(shí)體集A中的每一個實(shí)體，實(shí)體集B中至多有一個實(shí)體與之聯(lián)系，反之亦然，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有一對一聯(lián)系。記為1∶1。

2．一對多聯(lián)系

【例1-3】考慮學(xué)生與班之間的聯(lián)系問題。一個班有多名學(xué)生，而每個學(xué)生只屬于一個班。因此，班實(shí)體集與學(xué)生實(shí)體集之間的聯(lián)系是一對多聯(lián)系，如圖1-9所示。

【例1-4】一家企業(yè)需要用計算機(jī)來管理它分布在全國各地的倉庫和員工信息。如果給定的需求信息如下，則建立此問題的概念模型。

（1）需求分析

1）某公司有數(shù)個倉庫分布在全國各地，每個倉庫中有若干名員工，每名員工只在一個倉庫中工作。

2）需要管理的倉庫信息包括倉庫名、地點(diǎn)、面積。

3）需要管理的倉庫中員工信息包括姓名、性別、出生日期和工資。

4）此問題包含兩個實(shí)體集：倉庫和員工。倉庫實(shí)體集與員工實(shí)體集之間的聯(lián)系是一對多的聯(lián)系。

5）需要為每個倉庫編號，用以唯一地標(biāo)識每個倉庫，因此倉庫實(shí)體的鍵是屬性倉庫號。

6）需要為每位員工編號，用以唯一地標(biāo)識每名員工，因此員工實(shí)體的鍵是屬性員工號。

（2）E-R模型

1）實(shí)體型。

倉庫（倉庫號，倉庫名，地點(diǎn)，面積）

員工（員工號，姓名，性別，出生日期，工資）

2）E-R圖如圖1-10所示。

實(shí)體集之間一對多聯(lián)系是指，對于實(shí)體集A中的每一個實(shí)體，實(shí)體集B中至多有n個實(shí)體（n≥0）與之聯(lián)系；反之，對于實(shí)體集B中的每一個實(shí)體，實(shí)體集A中至多只有一個實(shí)體與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有一對多聯(lián)系。記為1∶n。

實(shí)體集之間的一對多聯(lián)系是實(shí)際問題中遇到最多的情況，同時也是最重要的一種聯(lián)系形式。實(shí)體集之間更復(fù)雜的聯(lián)系，例如下面的多對多聯(lián)系是通過分解為一對多聯(lián)系來解決的。

3．多對多聯(lián)系

如果對于實(shí)體集A中的每一個實(shí)體，實(shí)體集B中有n個實(shí)體（n≥0）與之聯(lián)系；反之，對于實(shí)體集B中的每一個實(shí)體，實(shí)體集A中也有m個實(shí)體（m≥0）與之聯(lián)系，則稱實(shí)體集A與實(shí)體集B具有多對多聯(lián)系。記為m∶n。

【例1-5】考慮學(xué)校中的學(xué)生與各類學(xué)生社團(tuán)之間的情況。如果給定的需求分析如下，則為管理其信息建立E-R模型。

（1）需求分析

1）每名學(xué)生可以參加多個社團(tuán)，每個社團(tuán)中有多名學(xué)生。

2）需要管理的社團(tuán)信息包括：社團(tuán)名、地點(diǎn)、電話。

3）需要管理的學(xué)生信息包括：學(xué)號、姓名、性別、出生日期和所屬院系。

4）需要為社團(tuán)編號，用以唯一地標(biāo)識每一個社團(tuán)并作為社團(tuán)實(shí)體集的鍵。

5）學(xué)生實(shí)體集的鍵屬性是學(xué)號，它可以唯一地標(biāo)識每一名學(xué)生。

（2）E-R模型

1）實(shí)體型。

社團(tuán)（編號，名稱，地點(diǎn)，電話）

學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，所屬院系）

2）E-R圖如圖1-11所示。

【例1-6】考慮學(xué)生與課程之間的情況。學(xué)校需要對學(xué)生及其選課的信息進(jìn)行管理。根據(jù)需求分析建立概念數(shù)據(jù)模型。

（1）需求分析

1）一位學(xué)生選修多門課程，每門課程也會有多個學(xué)生選擇。學(xué)生實(shí)體集與課程實(shí)體集之間的聯(lián)系是多對多的聯(lián)系。

2）需要為課程編號，用“課程號”唯一地標(biāo)識每一門課程并作為課程實(shí)體集的鍵。

3）學(xué)生實(shí)體集的鍵是屬性學(xué)號。

（2）E-R模型

1）實(shí)體型。學(xué)生（學(xué)號，姓名，性別，出生日期，院系）課程（課程號，課程名，開課單位，學(xué)時數(shù)，學(xué)分）

2）E-R圖如圖1-12所示。

如果考慮學(xué)生的成績屬性，顯然這個屬性放在哪個實(shí)體中都不合適，前面說過聯(lián)系可以擁有屬性。因此，把成績放入聯(lián)系中，作為這個多對多聯(lián)系的屬性。

4．多元聯(lián)系

以上討論的問題均為兩個實(shí)體集之間的聯(lián)系，稱為二元聯(lián)系。在實(shí)際問題中經(jīng)常會遇到多個實(shí)體集之間的聯(lián)系問題，稱為多元聯(lián)系或n元聯(lián)系（n為實(shí)體集的個數(shù)）。但無論一個問題中包含多少個實(shí)體集，實(shí)體集之間的聯(lián)系類型只有3種：一對一聯(lián)系、一對多聯(lián)系和多對多聯(lián)系。

【例1-7】某企業(yè)需要對其倉庫、員工、訂單和供應(yīng)商的信息進(jìn)行管理。根據(jù)需求分析建立概念模型—E-R模型。

（1）需求分析

某公司有分布在全國各地的多個倉庫。每個倉庫中有多名員工。每張訂單一定是與一名員工簽訂的。每張訂單上的商品由一名供應(yīng)商供貨。

（2）E-R模型

1）實(shí)體型。

倉庫（倉庫號，倉庫名，地點(diǎn)，面積）

員工（員工號，姓名，性別，出生日期，婚否，工資）

訂單（訂購單號，訂購日期，金額）

供應(yīng)商（供應(yīng)商號，供應(yīng)商名，地址）

2）E-R圖（略去屬性）如圖1-13所示。

【例1-8】產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)管理。根據(jù)需求分析，建立E-R模型。

（1）需求分析

產(chǎn)品銷售數(shù)據(jù)管理，需要管理的數(shù)據(jù)包括供應(yīng)商信息、產(chǎn)品信息、客戶信息、訂單信息。

每個供應(yīng)商提供多種產(chǎn)品；每個訂單包含多種產(chǎn)品，每種產(chǎn)品可能出現(xiàn)在多個訂單上；每個訂單對應(yīng)一個客戶，每個客戶可能有多個訂單。

供應(yīng)商（公司名稱，聯(lián)系人姓名，聯(lián)系電話，地址，郵政編碼，Email）

客戶（姓名，性別，電話，省份，城市，區(qū)，詳細(xì)地址，郵政編碼，Email）

產(chǎn)品（名稱，價格，當(dāng)前庫存量）

訂單（訂單編號，訂單日期，產(chǎn)品，付款方式）

（2）E-R模型

E-R模型如圖1-14所示。

實(shí)體集之間這種一對一、一對多和多對多聯(lián)系不僅存在于兩個實(shí)體集之間，同樣存在于兩個以上實(shí)體集之間。這個問題中涉及4個實(shí)體，實(shí)體之間的聯(lián)系稱為多元聯(lián)系。

請為1.1引例中的A公司業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計。同時考慮，如果A企業(yè)的產(chǎn)品還需要分類，應(yīng)該如何設(shè)計E-R模型。

根據(jù)以上示例，對數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計過程進(jìn)行歸納，數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計是建立在需求分析基礎(chǔ)之上的，依據(jù)需求分析完成如下工作。

1）確定實(shí)體。

2）確定實(shí)體的屬性。在討論屬性時，已經(jīng)提出了兩條確定屬性的原則，此外還應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

●要避免在有聯(lián)系的兩個實(shí)體集或多個實(shí)體集中出現(xiàn)重復(fù)屬性。例如，在公司實(shí)體集中有“公司名稱”屬性，在總經(jīng)理實(shí)體集中就不要出現(xiàn)“公司名稱”屬性。

●要盡量避免出現(xiàn)需要經(jīng)過計算推導(dǎo)出來的屬性或需要從其他屬性經(jīng)過計算推導(dǎo)出來的屬性。例如，在學(xué)生實(shí)體中盡量保留“出生日期”屬性，而不要保留“年齡”屬性

（有的數(shù)據(jù)庫設(shè)計中，由于某種需要會違背這條原則）。

3）確定實(shí)體集的鍵。有的實(shí)體集本身已經(jīng)具有可以作為鍵的屬性，例如，學(xué)生實(shí)體集的“學(xué)號”屬性；但有的實(shí)體集不具有可以作為鍵的屬性，這時就要設(shè)立一個“編號”或“代碼”之類的屬性，作為該實(shí)體集的鍵屬性，并且在建立數(shù)據(jù)庫前為實(shí)體集中所有實(shí)體編碼。

4）確定實(shí)體集之間的聯(lián)系類型。

5）用E-R圖和實(shí)體型表達(dá)概念模型設(shè)計結(jié)果。

數(shù)據(jù)庫概念設(shè)計是一個承上啟下的階段，需要強(qiáng)調(diào)的是，概念模型是在理解需求分析的基礎(chǔ)上建立的，對需求的理解不同，所建立的概念模型可能會有所不同。概念模型建立之后，需要與業(yè)務(wù)人員進(jìn)行交流，以加深對需求的進(jìn)一步理解，對概念模型反復(fù)推敲，以求不斷完善，從而為數(shù)據(jù)庫邏輯設(shè)計打下良好基礎(chǔ)。