數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)通常需要經(jīng)歷四個(gè)部分：
- 需求收集與分析（Requirements Collection and Analysis）
- 概念設(shè)計(jì)（Conceptual Design） —— 設(shè)計(jì)實(shí)體關(guān)系模型 （ER Model）
- 邏輯設(shè)計(jì)（Logical Design）—— 實(shí)現(xiàn)從 ER 模型到關(guān)系模式（Relation Schemas）的轉(zhuǎn)換。
- 物理設(shè)計(jì)（Physical Design）
本文主要介紹一下概念設(shè)計(jì)的部分。
概念設(shè)計(jì)
概念設(shè)計(jì)是一個(gè)構(gòu)建概念數(shù)據(jù)模型的過程，這個(gè)概念數(shù)據(jù)模型在抽象的高層建模；需要足夠簡(jiǎn)單且通常是圖形化的；并且能夠用于與非技術(shù)用戶交流數(shù)據(jù)庫的需求。這里主要介紹如何使用 ER 模型來實(shí)現(xiàn)概念設(shè)計(jì)。
ER 模型
ER 模型主要有三個(gè)關(guān)鍵方面：
- 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：ER 模型中的數(shù)據(jù)表現(xiàn)為實(shí)體與屬性之間的關(guān)系
- 數(shù)據(jù)完整性：對(duì)于ER模型，鍵（key）用于實(shí)體或者關(guān)系類型，而基數(shù)約束或者參與約束用于關(guān)系類型。
- 數(shù)據(jù)操作：ER 模型中不存在對(duì)數(shù)據(jù)的任何操作。
ER 模型中的關(guān)鍵概念與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的概念聯(lián)系如下：
| 關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 | 實(shí)體關(guān)系模型 |
|---|---|
| 屬性 | 屬性 |
| 域 | 域 |
| 超鍵 / 主鍵 / 候選鍵 | 超鍵 / 主鍵 / 候選鍵 |
| 元組 | 實(shí)體 / 關(guān)系 |
| 關(guān)系 | 實(shí)體集合 / 關(guān)系集合 |
| 關(guān)系模型 | 實(shí)體類型 / 關(guān)系類型 |
ER 模型的基本圖表元素有：
| 屬性（橢圓） | 用于描述實(shí)體或者關(guān)系的性能或者特征 |  |
| 主要屬性（內(nèi)含下劃線的橢圓） | 能夠用于識(shí)別特定實(shí)體的屬性 |  |
| 實(shí)體（長(zhǎng)方形） | 在現(xiàn)實(shí)世界中獨(dú)立存在的單一個(gè)體類別 |  |
| 關(guān)系（菱形） | 實(shí)體之間的聯(lián)系 |  |
實(shí)體類型與實(shí)體集合
實(shí)體類型定義了一個(gè)擁有相同屬性的實(shí)體的集合。
實(shí)體集合是指在特定時(shí)間下，數(shù)據(jù)庫中所有實(shí)體類型的集合。
對(duì)于某一個(gè)特定的實(shí)體以及其屬性，可以用下面的形式表示：
實(shí)體名為員工（Employee），該實(shí)體類型的屬性包括工號(hào)（SSN）、姓名，工資和地址。需要注意的是，在這里工號(hào)是主屬性（下劃線），地址是一個(gè)多值屬性（雙橢圓），意味著地址這個(gè)屬性對(duì)于同一個(gè)實(shí)體而言，允許擁有一個(gè)或者一個(gè)以上的值。
弱實(shí)體類型
弱實(shí)體類型指的是一個(gè)實(shí)體類型沒有足夠的屬性來構(gòu)建一個(gè)能夠識(shí)別特定個(gè)體的主鍵，因此它需要依賴一個(gè)能夠被確定的實(shí)體才能存在。弱實(shí)體類型必須擁有一個(gè)或者多個(gè)屬性，其中包括弱主鍵，與其所依賴的實(shí)體的主鍵共同作為該弱實(shí)體類型的主鍵，從而識(shí)別特定的個(gè)體。表示如下：
在這里，兒童（Child）是一個(gè)弱實(shí)體類型，不同的兒童可能會(huì)擁有相同的姓名和年齡，因此把兒童這個(gè)實(shí)體與員工建立依賴關(guān)系，其關(guān)系為員工-擁有（has）-兒童，通過 SSN 和 Cname 共同構(gòu)建能夠識(shí)別特定兒童的主鍵。
關(guān)系類型與關(guān)系集合
關(guān)系類型指的是多個(gè)實(shí)體之間的聯(lián)系，該聯(lián)系允許擁有隸屬于這段聯(lián)系的獨(dú)立的屬性。
關(guān)系集合指的是某個(gè)特定關(guān)系類型聯(lián)系的所有實(shí)體的集合。
表示形式如下：
這里有兩個(gè)實(shí)體，員工（Employee）和部門（Department），員工在部門里工作，這是它們之間的關(guān)系。
在現(xiàn)實(shí)世界里，實(shí)際上還可能會(huì)出現(xiàn)更加復(fù)雜的實(shí)體關(guān)系模型，比如遞歸關(guān)系：
在這里，員工之間存在監(jiān)督者與下屬之間的關(guān)系，監(jiān)督者監(jiān)管下屬，而監(jiān)督者和下屬同樣都屬于員工，并且擁有員工的屬性。
還有更高程度的關(guān)系：
在這個(gè)關(guān)系里，提供商（Supplier）為項(xiàng)目（Project）提供零件（Part），因此提供（Supply）這個(gè)關(guān)系同時(shí)涉及到三個(gè)實(shí)體，且該關(guān)系還具有數(shù)量（Quantity）這個(gè)屬性。
關(guān)系中的約束
ER 模型中的約束關(guān)系通常是指實(shí)體與實(shí)體之間基于某種關(guān)系下的約束。主要包括兩種：
- 基數(shù)比例（Cardinality ratios）：指定實(shí)體允許參與到關(guān)系中的最大數(shù)目。
- 參與約束（Participation constraints）：指定某個(gè)實(shí)體在其與其他實(shí)體的依賴關(guān)系中是否必然存在。
基數(shù)比例（Cardinality ratios）
基數(shù)比例的類型主要有三種：多對(duì)多（Many-To-Many）、一對(duì)多（One-To-Many）、一對(duì)一（One-To-One）。
-
多對(duì)多（Many-To-Many）
含義：一名員工可以為多個(gè)部門工作；一個(gè)部門里允許擁有多名員工。
-
一對(duì)多（One-To-Many）
含義：一名員工最多只能為一個(gè)部門工作；一個(gè)部門里允許擁有多名員工。
-
一對(duì)一（One-To-One）
含義：一名員工最多只能為一個(gè)部門工作；一個(gè)部門里最多只允許有一個(gè)員工。（雖然這不符合現(xiàn)實(shí)。。。）
在以上三種類型的基礎(chǔ)上，ER 模型還延伸出一種約束：基數(shù)限制。主要含義就是通過一個(gè)整數(shù)來指定兩個(gè)實(shí)體在關(guān)系中允許參與的數(shù)量范圍。表示如下：
含義：一個(gè)員工必須為一個(gè)且最多一個(gè)部門工作；一個(gè)部門必須擁有一個(gè)或者多個(gè)員工。
參與約束（Participation constraints）
參與約束主要分為兩種：完全參與（Total）和局部參與（Partial）。一般情況下，默認(rèn)為局部參與。
-
完全參與（Total）
含義：每一名員工必須為一個(gè)部門工作；一個(gè)部門可能有或者沒有員工。
-
局部參與（Partial）
含義：一名員工可能有或者沒有為一個(gè)部門工作；一個(gè)部門可能有或者沒有員工。
實(shí)體類型中的父類與子類
實(shí)體類型的父類與子類指的是擁有不同名稱的同一個(gè)概念，子類通常是父類實(shí)體根據(jù)其具體的應(yīng)用意義所采用的的更加顯式的表達(dá)。父類與子類之間的關(guān)系被稱為 ISA 關(guān)系類型。
專門化（Specialisation）與一般化（Generalisation）
專門化指的是自上而下定義一個(gè)實(shí)體所擁有的子類的集合。
一般化指的是自下而上地把擁有共同屬性的多個(gè)子類歸納成一個(gè)單一的父類。
在上圖中，員工（Employee）是父類，其子類根據(jù)不同的實(shí)際意義分別為秘書（Secretary）、技術(shù)員（Technician）和工程師（Engineer）。該圖實(shí)現(xiàn)專門后就能得到下面的圖：
圖中的三個(gè)子類通過一般化以后，就能得到前一個(gè)圖。
分離約束（Disjointness constraint）
分離約束主要是用于指定通過專門化產(chǎn)生的子類之間的關(guān)系。子類間的分離約束主要有兩個(gè)方面：
- 分離（disjoint）：子類的各個(gè)實(shí)體之間完全分離，不存在任何交集。
-
重疊（overlap）：子類的各個(gè)實(shí)體之間可能存在某些交集，即某個(gè)父類的實(shí)體，既可以當(dāng)做其中一個(gè)子類實(shí)體，也能當(dāng)做另一個(gè)子類實(shí)體。
不同的分離約束在 ER 模型中的表示形式如下：
完整性約束（Completeness constraint）
- 完全約束（Total）：每一個(gè)父類的實(shí)體必然屬于至少一個(gè)子類的成員。
- 部分約束（Partial）：父類的實(shí)體可能不屬于任何一個(gè)子類（默認(rèn)約束）。
構(gòu)建 ER 模型的流程
- 識(shí)別所以實(shí)體類型（包括弱實(shí)體類型）；
- 識(shí)別所有關(guān)系類型（包括 ISA 關(guān)系和依賴關(guān)聯(lián)）；
- 識(shí)別所有實(shí)體和關(guān)系類型對(duì)應(yīng)的屬性（以及每個(gè)屬性的定義域）；
- 識(shí)別每個(gè)實(shí)體的主鍵；
- 辨別步驟 2 中找出的所有關(guān)系中的基數(shù)比例；
- 確定上述關(guān)系的參與約束；
- 確定 ISA 關(guān)系中的分離約束和完整性約束。
軟件支持
網(wǎng)絡(luò)上有很多軟件能夠用來畫 ER 模型，比較常用的一個(gè)輕量級(jí)軟件是 TerraER， 它是一個(gè)基于 JRE 運(yùn)行的軟件，支持Windows，Mac，Linux環(huán)境，能夠生成 ER 模型的 XML 文件以及 JPEG 圖片。
下載鏈接：https://github.com/rterrabh/TerraER/releases/download/TerraER3.01/TerraER3.01beta.jar
