E—R圖的精細設計

摘要：E-R圖設計是數(shù)據(jù)庫設計的關鍵，目前諸多流行的數(shù)據(jù)庫原理教材，對E-R圖設計部分的討論均顯得不夠精細。針對這一現(xiàn)狀，文章通過分析不同應用環(huán)境下實體之間的聯(lián)系，提出E-R圖的精細設計方案，說明E-R圖的正確設計方法。

關鍵詞：數(shù)據(jù)庫設計；E-R圖；實體；聯(lián)系

0.引言

數(shù)據(jù)庫原理是計算機相關專業(yè)的一門專業(yè)主干課，目的是使學生掌握數(shù)據(jù)庫的基本概念、基本理論和基本操作方法，理解數(shù)據(jù)庫作為目前最有效的數(shù)據(jù)管理手段，在信息系統(tǒng)中的基礎地位和重要作用，學會用數(shù)據(jù)庫對大量數(shù)據(jù)進行有效的組織、存儲和管理。因此，針對一個具體的應用環(huán)境，設計一個結構良好的數(shù)據(jù)庫就成為該門課程的教學重點之一。

數(shù)據(jù)庫設計人員設計的數(shù)據(jù)庫結構能否真正符合應用環(huán)境和普通用戶的要求，需要由普通用戶來進行評判，這就要求在設計數(shù)據(jù)庫的邏輯結構和物理結構之前，先設計一個普通用戶也能夠理解的、更加抽象的概念結構，通過概念結構使普通用戶能夠積極地參與到數(shù)據(jù)庫設計中來，以保證整個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的最終成功運行。因此，概念結構設計是數(shù)據(jù)庫設計的關鍵，最常用來描述概念結構的工具就是E-R圖。

然而，目前諸多流行的數(shù)據(jù)庫原理教材對E-R圖設計部分的討論均不夠精細，實際教學也大都跟隨教材浮于表面，從而使學生難以設計正確反映應用環(huán)境實際語義的E-R圖，造成隨后轉(zhuǎn)換得到的關系模式碼不正確、數(shù)據(jù)冗余度大、規(guī)范化程度低等問題。

1.E-R圖的設計

E-R圖設計的正確與否取決于數(shù)據(jù)庫設計人員能否真正把握應用環(huán)境的業(yè)務流程以及在該業(yè)務流程中所涉及的各個客觀對象和他們之間發(fā)生的活動，這需要作準確深入的用戶需求分析。這些客觀對象如果需要記錄的話，就抽象為E-R圖中的實體（描述實體的眾多相關數(shù)據(jù)就抽象為實體的屬性，將具有相同屬性的眾多實體抽象為實體型）o它們之間發(fā)生的活動如果也需要記錄的話，就抽象為E-R圖中的聯(lián)系，這是E-R圖設計的重點。

以高校學生選課系統(tǒng)為例，假設學校只有一種類型的學生，每名學生有唯一的一個學號，還有姓名、性別、年齡和班級信息；學校開設了多門課程，每門課程有唯一的一個課程號，還有課程名、學分、先行課和課程簡介信息。由于一門課程同時可以由多個教師講授，因此，在上一學期末進行選課的時候，每名學生可以根據(jù)主講教師（有唯一的教師編號）的姓名、性別、年齡和職稱信息，有選擇地選修由某些教師講授的某些課程。每個教師同時可以講授多門課程，每門課程可以供多名學生選修，如果由某個教師講授的某門課程沒有學生選修，則取消由這個教師講授的這門課程。主講教師會在學期末將自己所教學生的所有課程成績輸入到數(shù)據(jù)庫中，以供學生在網(wǎng)上進行查詢。

首先，我們根據(jù)用戶需求，分析潛在的實體。實體通常是需求文檔中的中心名詞，主要活動都是圍繞它們開展的。顯然，該系統(tǒng)存在學生、課程和教師這3類客觀對象，每一類客觀對象都有很多數(shù)據(jù)需要記錄，這就構成了該系統(tǒng)需要記錄的第一部分主要數(shù)據(jù)；此外，該系統(tǒng)中的主要活動——課程的選修與講授以及成績的輸入與查詢，都是圍繞這3類客觀對象開展的。因此，這3類客觀對象就抽象為E-R圖中的3個實體型，描述這3個實體型的E-R圖如圖1所示（帶有下劃線的屬性為碼）。

其次，根據(jù)用戶需求，確定實體之間的聯(lián)系。實體之間的聯(lián)系通常是需求文檔中的中心動詞，表示實體之間發(fā)生的活動或隸屬關系。在該系統(tǒng)中，這3個實體型之間發(fā)生的主要活動包括學生選修教師的課程（或教師給學生講授課程）、教師輸入成績和學生查詢成績。由于一名學生可以有選擇地選修由不同教師講授的不同課程，一個教師可以給不同學生講授不同課程，一門課程可以由不同教師給不同學生講授。因此，選修（或講授）活動涉及這3個實體型，是這3個實體型之間的一個多對多聯(lián)系（在這種情況下，選修和講授是同一個聯(lián)系）。將該活動抽象為E-R圖中的一個聯(lián)系，是因為系統(tǒng)需要記錄這樣的活動，即哪名學生選修了哪個教師講授的哪門課程，以及由此活動產(chǎn)生的數(shù)據(jù)——成績（抽象為該聯(lián)系的一個屬性），這就構成了該系統(tǒng)需要記錄的另外一部分主要數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還有兩個活動：教師輸入成績和學生查詢成績，由于它們都只是對成績屬性的數(shù)據(jù)操作，系統(tǒng)并不需要對這樣的數(shù)據(jù)操作也進行記錄，因此，它們并不抽象為E-R圖中的聯(lián)系。該E-R圖如圖2所示。

很多教材都將圖2中的選修聯(lián)系看成是學生和課程這2個實體型之間的一個多對多聯(lián)系（如圖3所示），但這只有在學生只管選課而無需考慮主講教師的情況下是正確的。在這種情況下，為了確定成績最終由哪個主講教師向數(shù)據(jù)庫中輸入（在圖2所示的情況下，這是很直接的），一個教師只能被指定為某一個或幾個班級講授課程，如圖4所示，這樣才可以根據(jù)學生所在的班級及其選修的課程來綜合確定哪個教師是其主講教師，負責為其輸人成績。因此，E-R圖的設計應該具體情況具體分析，要根據(jù)應用環(huán)境的業(yè)務流程有針對性地進行設計。

2.E-R圖的精細設計

圖2和圖4還存在一定的問題。雖然學生（在圖4中為班級）、課程和教師之間是多對多聯(lián)系，但一名學生（在圖4中為班級）選修了一門課程，只會有一個主講教師，這在圖2和圖4中是反映不出來的。

此外，根據(jù)E-R圖向關系模型的轉(zhuǎn)換原則——“3個或3個以上實體間的一個多元聯(lián)系可以轉(zhuǎn)換成一個關系模式，各實體的碼組成關系的碼或關系碼的一部分”，圖2中的選修聯(lián)系和圖4中的講授聯(lián)系分別轉(zhuǎn)換為：

選修（學號，課程號，教師編號，成績）

和

講授（班號，課程號，教師編號）（班號為班級實體的碼）。

然而，根據(jù)上述語義，存在函數(shù)依賴“（學號，課程號）-教師編號”和“（班號，課程號）-教師編號”，因此，這2個關系模式的碼并不正確，應改為：

選修（學號，課程號，教師編號，成績）

和

講授（班號，課程號，教師編號）。

然而，這與轉(zhuǎn)換原則相悖。

為解決這個問題，我們對以上E-R圖進行更加精細的設計，引入教學班實體型，選修同一個教師、同一門課程的所有學生組成一個教學班（這也是很多高校的實際做法）。一名學生參加了一個教學班，就意味著選修了某個教師講授的某門課程，因此，教師、課程和學生之間是通過教學班聯(lián)系起來的（如圖5所示）。

再舉一個例子。一般的銷售系統(tǒng)都存在顧客瀏覽和訂購商品這樣的主要活動，其中，顧客瀏覽商品只能算是一個數(shù)據(jù)操作，顧客訂購商品需要系統(tǒng)記錄相應的數(shù)據(jù)，包括哪個顧客訂購了哪些商品及其訂購數(shù)量、訂購時間、收貨地址等，因此需要抽象為E-R圖中的一個聯(lián)系，如圖6所示。

然而，圖6還存在一定的問題，一個顧客一次訂購了多種商品，它們的訂購時間和收貨地址是完全相同的，其后果就是由圖6轉(zhuǎn)換得到的關系模式“訂購（顧客編號、商品編號、訂購數(shù)量、訂購時間、收貨地址）”（顧客編號和商品編號分別為顧客和商品這2個實體型的碼）存在大量的數(shù)據(jù)冗余。事實上，顧客訂購商品是通過訂單體現(xiàn)的，訂購時間和收貨地址只是訂單實體型的2個屬性，因此，圖6應修正為圖7。

現(xiàn)在很多銷售系統(tǒng)都會進行打折，以實現(xiàn)提高顧客忠誠度和促銷商品的雙重目的，為此，E-R圖中需要增加一個折扣規(guī)則實體型，以存放這些打折信息，但不同系統(tǒng)進行打折的方法是不同的，相應的E-R圖自然也要有所區(qū)別。

有的系統(tǒng)會根據(jù)顧客的等級進行打折，而不考慮該顧客購買的是哪些商品，這樣的系統(tǒng)主要為提高顧客忠誠度，這種情況下的E-R圖就應該如圖8所示。

有的系統(tǒng)只是對商品進行打折，而不考慮是哪些顧客購買了該商品，這樣的系統(tǒng)主要為促銷商品，這種情況下的E-R圖就應該如圖9所示。

然而，在實際應用中，如果系統(tǒng)足夠復雜，為了簡化E-R圖，上述的參照聯(lián)系也可以不用畫出來。

3.結語

針對目前流行的數(shù)據(jù)庫原理教材對E-R圖設計部分討論不夠精細，從而使學生難以準確掌握E.R圖設計的問題，我們給出了一些E-R圖精細設計的案例，從中可以理解E-R圖設計的根本在于正確分析具體應用環(huán)境中的業(yè)務流程及其語義，尤其是實體之間存在的各種聯(lián)系，以克服E-R圖描述不清、隨后轉(zhuǎn)換得到的關系模式碼不正確、數(shù)據(jù)冗余度大、規(guī)范化程度低等問題。通過兩年的教學實踐，這些教學案例的應用效果良好。為了應付各行各業(yè)信息系統(tǒng)的需要，今后還需要進一步豐富各行各業(yè)的教學案例，使學生能更好地掌握E-R圖的分析與設計方法。