数据库设计 Step by Step (3)——基本ER模型构件

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引言：数据库设计 Step by Step (2)在园子里发表之后，收到了一些邮件，还有朋友直接电话我询问为什么不包含数据库物理设计方面的内容。我在这里解释一下，数据库物理设计与数据库产品是密切相关的，本系列的专注点是较为通用的数据库设计理念与方法，这也是国内软件项目中容易被忽视的一块。今天我们将学习实体关系（ER）模型构件及其语义，这是数据库逻辑设计的基础。内容可能有些枯燥，但却非常重要和有用。

由于内容比较多，我们将分两讲来学习实体关系模型构件。

今天我们先来学习基本实体关系模型。

实体关系（ER）模型的目标是捕获现实世界的数据需求，并以简单、易理解的方式表现出来。ER模型可用于项目组内部交流或用于与用户讨论系统数据需求。

ER模型中的基本元素

基本的ER模型包含三类元素：实体、关系、属性

实体（Entities）：实体是首要的数据对象，常用于表示一个人、地方、某样事物或某个事件。一个特定的实体被称为实体实例（entity instance或entity occurrence）。实体用长方形框表示，实体的名称标识在框内。一般名称单词的首字母大写。

关系（Relationships）：关系表示一个或多个实体之间的联系。关系依赖于实体，一般没有物理概念上的存在。关系最常用来表示实体之间，一对一，一对多，多对多的对应。关系的构图是一个菱形，关系的名称一般为动词。关系的端点联系着角色（role）。一般情况下角色名可以省略，因为实体名和关系名已经能清楚的反应角色的概念，但有些情况下我们需标出角色名来避免歧义。

属性（Attributes）：属性为实体提供详细的描述信息。一个特定实体的某个属性被称为属性值。Employee实体的属性可能有：emp-id, emp-name, emp-address, phone-no……。属性一般以椭圆形表示，并与描述的实体连接。属性可被分为两类：标识符（identifiers），描述符（descriptors）。Identifiers可以唯一标识实体的一个实例（key），可以由多个属性组成。ER图中通过在属性名下加上下划线来标识。多值属性（multivalued attributes）用两条线与实体连接，eg：hobbies属性（一个人可能有多个hobby，如reading，movies…）。复合属性（Complex attributes）本身还有其它属性。

辨别强实体与弱实体：强实体内部有唯一的标识符。弱实体（weak entities）的标识符来自于一个或多个其它强实体。弱实体用双线长方形框表示，依赖于强实体而存在。

深入理解关系

关系在ER模型中扮演了非常重要的角色。通过ER图可以描述实体间关系的度、连通数、存在性信息。

我们一一来解释这些概念。首先我们来看一下关系在ER图中的各种语义。

图2 关系的度、连通数、存在性

关系的度（Degree of a Relationship）

表示关系所关联的实体数量。二元关系与三元关系的度分别为2和3，以此可以类推至n元。二元关系是最常见的关系。
一个Employee与另一个Employee之间的领导关系称为二元回归关系。如图2中所示，Employee实体通过关系manages与自身连接。由于Employee在这一关系中扮演两个角色，故标出了角色名（manager和subordinate）。
三元关系联系三个实体。当二元关系无法准确描述关联的语义时，就需要使用三元关系。我们来看下面这个例子，下图（1）能反映出一个Employee在某个Project中使用了什么Skill。下图（2）只能看出Employee有什么Skill，参与了哪些Project，但无法知道在某个Project中使用的特定Skill。
图3 三元关系蕴含的语义
需要注意的是有些情况下会错误的定义三元关系。这些三元关系可分解为2个或3个二元关系，来达到化简与语义的纯净。以后的博文中会进一步详细讨论三元关系。
一个实体可以参与到任意多个关系中。每个关系可以联系任意多个元（实体），而且两个实体之间也能有任意多个二元关系。

关系的连通数（Connectivity of a Relationship）

表示关系所关联的实例数量的约束。
连通数的值可以是“一”或“多”。“一”这一端，在ER图中通过在实体与关系间标记“1”表示。“多”一端标记“N”表示。如图2中关系连通数部分，“一”对“一”：Department is managed by Employee；“一”对“多”：Department has Employees；“多”对“多”：Employee may work on many Projects and each Project may have many Employees。
有些情况下最大连通数是确定的，可以用数值代替N。如：田径队队员有12人。

关系的属性

关系也能有属性。如下图4所示，某员工参与某项目的起始日期，某员工在某项目中被分配的任务只有放在关系works-on上才有意义。
图4 关系的属性
需要注意的是关系的属性一般出现在“多”对“多”的二元关系或三元关系上。一般“一”对“一”或“一”对“多”关系上不会放属性（会引起歧义,通俗说法就是没有中间表）。而且这些属性可以移至一端的实体中。如下图5所示，如果部门与员工（经理）之间是“一”对“一”关系，在建模中可能把start-date作为关系is managed by的属性（表示被接管的时间），这个属性可以移至Department或Employee实体中。
大家可以思考一下如果部门和经理之间是“多”对“多”关系，即交叉管理，那又会怎样？

关系中实体的存在性（Existence of an Entity in a Relationship）

关系中实体的存在性可以是强制的或可选的。当关系中的某一边实体（无论是“一”或“多”端）必须总是存在，则该实体为强制的。反之，该实体为可选的。
在实体与关系之间的连接线上标识“0”来表示可选存在性。含义是最小连通数为0。
强制存在性表示最小连通数为1。在存在性不确定或不可知的情况下，默认最小连通数为1。
在ER图中最大连通数显式地标识在实体旁边。如图6所示，其蕴含的语义为一个Department有且只有一个Employee来当经理，一个Employee可能是一个Department的经理，也可能不是。