一、实体关系建模

1.概念

（1）实体、关系和属性

实体关系建模是一种自顶而下的数据库设计方法，通过定义一些实体（entity）和实体之间的关系（relationship），对实体和关系更细节描绘的属性（attribute）和限制（constraint）来进行建模。其中一种非常重要的方法叫做UML。一些概念如下所述：

• Entity Type(实体类型)： 具有一样性质的对象的集合，它是由用户或公司标识并可独立存在的。可以是实际存在或者概念上存在的，例如员工、产品、工作经验、销售。
  • Strong entity(强实体)： 一个不依托于其他实体的主健的存在而存在的实体。
  • Weak entity(弱实体)： 一个依托于其他实体的主健的存在而存在的实体。
    
• Entity occurrence(实体呈现)： 实体中的一个独一可标识的对象。
• Relationship Type (联系类型)： 实体间有意义的联络。
• Relationship occurrence(联络呈现)： 两个实体呈现之间的独一可标识的联络。
• Degree of Relationship Type（联系类型的度）：一个关系中参与的实体数量。度为2叫做binary（最常见），度为3叫做ternary，度为4叫做quaternary。
• Recursive Relationship（递归型联系）：同一个实体类型用不同的身份在一个联系中参与了多次。
  
• Attribute（属性）：实体类型和联系类型的属性。属性可以分为很多类
  • Attribute domain（属性域）：一个或多个属性所有可能的值的集合。不同的实体可能有相同的属性域
  • Simple attribute（简单属性）：由单一部分组成的属性
  • Composite attribute（复合属性）：由多个部分组成的属性，例如地址可以被划分成街道、城市、邮编三个部分
  • Single-valued attribute（单值属性）：包含单一值的属性
  • Multi-valued attribute（多值属性）：包含多个值的属性，例如电话号码可以有多个
  • Derived attribute(派生属性)： 表示其值能够从一个有关属性和属性集的值派生得到的属性，这个属性在实体中不是必需的。例如租期属性可以由开始日期和结束日期计算出来。
  • Candidate key(候选键)： 仅包括独一标识实体所必需得最小属性的数量。
  • Primary key(主健)： 用来标识每个实体的呈现的候选键。一个实体类型可以有多个Candidate key，我们选择一个作为Primary key，其他作为alternate key。
  • Composite key(复合键)： 包括两个及以上属性的Candidate key

（2）约束

Structural Constraints（结构约束）：参与一个联系的实体之间可能存在的约束。约束包括以下几种：

• Multiplicity(多样性)： 定义与某个有关实体的一次呈现有关的实体的呈现数目。包括一对一、一对多、多对多。我们通过具体的样本数据来确定属于那种联系。Multiplicity包含两种约束，分别是
  • Cardinality constraint(基数约束)： 描画每个参与实体的能够的联系的最大数目。
  • Participation constraint(参与约束)： 确定是不是所有或者仅仅是某些实体呈现参与到联络中，也可以理解成联系的最小数目。

2.ER图绘制

使用长方形来表示实体，实体中每一个单词的首字母通常大写。
使用一条连接两个实体的线表示联系并标注联系的名字，一个关系只能标注一个方向。

使用菱形来表示度大于2的联系类型。

在递归型联系或者两个实体间存在多个联系的情况下，我们需要标注实体所扮演的角色。

对于属性，我们将长方形分为两部分，上面为实体名字，下面为属性。第一个属性应该是Primary key，添加tag {PK}，属性的第一个单词首字母要小写，其余单词的首字母大写。另外，我们也可以添加{PPK}来代表Composite key，以及{AK}来代表 alternate key。

在一些复杂数据库系统中，我们可能不需要添加全部的属性，但是要添加Primary key，此时可不添加tag。

对于多值属性，我们会标记取值范围。对于派生属性，我们添加前缀/。一个例子如下所示。

对于关系的属性，我们仍然使用一个长方形来代表属性，为了和实体进行区别，我们使用虚线来绘制。

多样性约束：在表示实体的长方形旁边我们通过两个点来表示具体的约束类型，例子如下：

一对一：

一对多：

多对多：

3.实体关系模型存在的问题

（1）Fan Traps

Fan trap(扇形圈套)： 模型表示实体类型之间的关系，但某些实体出现之间的路径不明确。

当一个实体存在至少两个一对多关系，此时会出现扇形圈套，例子如下：

从上图我们可以知道一个division有至少一个staff，一个division至少操作一个branch。接下来我们通过一些数据绘制semantic net。

此时如果我们想知道员工SG37在哪个branch，我们只能知道在B003或者B007，这就是扇形圈套。

为了解决这个问题，我们重建实体关系模型来表示实体之间正确的联系，如下所示。

（2）Chasm Traps

Chasm trap(深坑圈套)： 模型表明实体类型之间存在关系，但某些实体事件之间不存在路径。

当存在至少一个最小多样性约束为0的关系形成相关实体之间的路径的一部分时，可能会出现深坑圈套。例子如下图：
通过这个ER图，当我们想知道Branch和PropertyForRent之间的联系时，由于Staff和PropertyForRent相互之间的最小约束均为0，我们无法判断Branch和PropertyForRent之间的联系。解决方法是在Branch和PropertyForRent之间添加一个联系，如下图

二、增强实体关系建模

附加额外的语义概念的实体关系模型被叫做增强实体关系模型（EER）。本节我们描述了 EER 模型中三个最重要和最有用的附加概念。

1.Specialization/Generalization

（1）Superclasses and Subclasses（超集和子集）

我们可以将实体类型形成为包含超类和子类的层次结构。

• 超类：一种实体类型，包括其出现的一个或多个不同的子组，必须在数据模型中表示。
• 子类：实体类型出现的不同子组，必须在数据模型中表示。

有独特子类的实体类型叫做超类。举例说明：实体员工被认为是子类经理、秘书、销售员的超类。超类和其中一个子类的关系叫做超类/子类联系。引入子类/超类重要的原因是对于不同子类，他们的属性可能并不相同，例如经理具有独特的属性分红，而销售具有独特的属性销售领域，如果我们仅仅将员工作为一个实体，我们会有很多空白的属性。

• 属性继承：一个子类除了他们拥有的独特的属性还会继承来自超类的属性。
• Type hierarchy（类型层次结构）：一个实体以及它的子类和它的子类的子类
• shared subclass（共享子类）：有超过一个超类的子类

Specialization(特化)： 通过识别实体成员的显着特征来最大化实体成员之间差异的过程。
特化是一种自顶而下的方法来定义超集的集合和对应的子集。子类的集合是根据超类中实体的一些显着特征来定义的，当我们定义子集后，我们将特定的属性关联到每个子集，之后再定义子集和其他实体或子集之间的联系。例如我们有一个实体员工，我们就尝试寻找员工实体中成员的区别，比如员工里有经理、会计、销售员等，我们将这些作为员工的子集即可。

Generalization（泛化）：通过识别实体的共同特征来最小化实体之间差异的过程。
泛化是一种自底而上的方法，从原有的实体类型得到一个泛化的超集。例如我们有经理、会计、销售三个实体，我们可以泛化出员工实体作为超集。泛化可以被视为特化的反向过程。

（2）ER图画法

我们通过直线+三角形来连接子类和超类，子类独有的属性在子类的长方形中表示，（Optional, And）表示约束。子类可以和其他的实体进行联系，如下图子类Manager和实体Branch存在联系。

我们可以通过不同的特征来表示不同的特化。如下图员工实体包含两组特化，一组是经理、销售和秘书，另一组是全职员工和兼职员工。

下图展现了Type hierarchy（类型层次结构），我们可以看到助理秘书是秘书的子类，他除了拥有自己独特的属性，也拥有秘书和员工的属性；销售经理是销售和经理的共享子类，他包含销售和经理和员工的所有属性。

（3）泛化/特化的约束

Participation constraint(参与约束)： 确定超类中的每个成员是否必须作为子类的成员参与。约束分为两种，mandatory（强制）和optional（可选）

• mandatory（强制）：超类中的每个成员也必须是子类的成员。例如上面第二个图，员工必须是全职/兼职。
• optional（可选）：超类中的成员可以不属于任何一个子类

Disjoint constraint(无衔接约束)： 描述子类成员之间的关系，并指示超类的成员是否可能成为一个或多个子类的成员。当超类有多个子类时需要判断是否衔接

• Or：如果子类是不相交的，意味着一个实体呈现只能是其中一个子类的成员。
• And：如果子类是相交的，意味着一个实体呈现可以是多个子类的成员

2.Aggregation

Aggregation（聚合）：表示实体类型之间的“has-a”或“is-part-of”关系，其中一个表示“整体”，另一个表示“部分”。

当我们想表示其中一个实体是大的实体（whole），包含另一个小的实体（parts）。例如“has”联系。聚合不会改变整体与部分之间关系的导航意义，也不会链接整体及其部分的生命周期。

在ER图上，我们在大的实体的一端添加一个透明的菱形代表聚合。

3.Composition

Composition（组成）：一种特定形式的聚合，表示实体之间的关联，其中“整体”和“部分”之间存在强大的所有权和巧合的生命周期。

例如实体报纸和实体广告之间存在的展示联系，而报纸和广告之间存在和强烈的生命周期联系，所以他们属于组成。

在ER图中，我们使用实心菱形来代表组成关系。