一步一步设计你的数据库之看看基础ER模型

引言：一步一步设计你的数据库二发表之后，笔者收到了一些邮件，还有朋友直接电话笔者询问为什么不包含数据库物理设计方面的内容。笔者在这里解释一下，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

图1 实体、关系、属性的ER构图

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。

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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）。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。

图5 部门与经理之间的一对一管理关系

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。

图6 关系中实体的存在性

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其他概念数据模型标记法

前文中使用的ER构图方法是Peter Chen 1976年提出的。在现代数据库设计领域，还有其他多种ER模型标记法。

我们来看一下另一种使用较多的标记法，“crow’s-foot”（鱼尾纹）标记法，并与前面介绍的标记法进行一个简单对比。

学习每一种标记法没有意义。在你的组织中推广应用一种标记法，使其成为大家共通的“语言”。

图7 Chen式标记法与crow’s-foot标记法对照

主要内容回顾

1. 组成ER模型的基本元素包括：实体、关系、属性

2. 深入理解关系中包含的语义：关系的度、关系的连通数、关系的存在性

3. 了解ER模型的不同标记法，掌握其中一种标记法，并在你的项目中推广使用

实体关系模型参考

1. Entity-relationship model（http://en.wikipedia.org/wiki/Entity-relationship_model）

2. Entity-relationship modelling（http://www.inf.unibz.it/~franconi/teaching/2000/ct481/er-modelling/）