E-R模型：在现实与数据之间架起一座沟通的桥梁

当我们着手为一个真实的业务系统设计数据库时常常会面临一个棘手的难题。现实世界纷繁复杂充满了形形色色的事物和盘根错节的关系而计算机里的数据库最终却要落实为一张张规整的二维表。从生动鲜活的现实世界到冷峻规整的数据表格这中间隔着一道不小的鸿沟。我们该如何跨越这道鸿沟把现实世界中那些复杂的人、事、物以及它们之间的关系准确而清晰地转化为数据库能够承载的形式呢如果一上来就直接去设计二维表往往会顾此失彼越设计越乱因为现实世界的复杂性会让我们在一堆表格中迷失方向。聪明的人们想到了一个绝妙的办法那就是不要急于求成而是先在现实世界和数据库之间搭建一个过渡的桥梁用一种既贴近现实、又便于理解、还易于转化为数据库的方式先把现实世界描绘清楚。这座桥梁就是大名鼎鼎的E-R模型。它是数据库概念设计的核心工具也是每一位数据库设计者都必须熟练掌握的看家本领。今天就让我们用最生动形象的方式去认识这座架在现实与数据之间的沟通桥梁。一、E-R模型的使命搭建概念世界要理解E-R模型首先要明白它在整个数据库设计过程中所处的位置和肩负的使命。数据库设计通常不是一蹴而就的而是分阶段、由浅入深地进行的。在正式动手设计具体的数据表之前有一个至关重要的阶段叫做概念设计阶段。这个阶段的任务是抛开一切具体数据库技术的细节纯粹从用户和业务的角度出发去深入理解和分析现实世界把现实世界中需要管理的事物以及它们之间的联系提炼和描绘成一个清晰的概念模型。这个概念模型是对现实世界的一种高度抽象和概括它不依赖于任何具体的数据库产品只关心业务的本质。而E-R模型正是用来完成这个概念设计任务的最主要、最经典的工具。E-R这两个字母分别代表两个英文单词的首字母一个是实体一个是联系。所以E-R模型的全称就是实体联系模型。顾名思义它就是用实体和联系这两个核心要素来描绘现实世界的一种模型。E-R模型的使命就是充当现实世界与数据库世界之间的翻译官和桥梁。它一头连着现实世界能够用贴近人类思维的方式把业务需求描绘得清晰直观让设计者、用户、开发者都能看得懂、聊得来另一头又连着数据库世界它所描绘的概念模型可以比较方便地按照一定的规则转换成数据库中的二维表。有了E-R模型这座桥梁我们就能从容地完成从现实到数据的跨越先用E-R模型把现实想清楚、画明白再把它顺顺当当地落实为数据库。这就是E-R模型的核心价值所在。二、E-R模型的三大基本要素E-R模型之所以能够胜任描绘现实世界的重任靠的是它三个简洁而有力的基本要素分别是实体、属性和联系。这三个要素就像三种基本的积木用它们就能搭建出对现实世界的完整描述。下面我们逐一来认识。实体现实世界中的事物第一个要素是实体。所谓实体指的是现实世界中可以相互区分的、客观存在的事物。这个事物可以是具体的比如一个学生、一位老师、一本书、一件商品也可以是抽象的比如一门课程、一次考试、一个部门。只要是我们需要在数据库中加以记录和管理的事物都可以被抽象为一个实体。举个例子在学生选课这个场景中我们关心学生和课程这两类事物那么学生就是一个实体课程也是一个实体。需要注意的是我们说实体时往往指的是同一类事物的总称比如学生这个实体代表的是所有学生这一类而其中某一个具体的学生比如学号为某某的张三同学则是这个实体的一个具体个体。实体是E-R模型中最基本的描述对象它对应着现实世界中我们要管理的那些主角。属性描述实体的特征第二个要素是属性。光有实体还不够因为实体本身还需要用一些具体的特征来加以描述。这些用来刻画实体特征的项目就是属性。每个实体都拥有若干个属性这些属性共同描绘出这个实体的样貌。还是以学生这个实体为例要描述一个学生我们需要知道他的学号、姓名、年龄、所在院系等等那么学号、姓名、年龄、所在院系就都是学生这个实体的属性。同样课程这个实体也有它的属性比如课程编号、课程名称、学分等等。属性的作用就是给实体填充上具体的内容让原本笼统的实体变得有血有肉、可识别、可描述。在实体的诸多属性中往往有一个或一组特殊的属性能够唯一地标识出实体的每一个个体这就是实体的标识属性也叫码或键。比如学生的学号每个学生的学号都是独一无二的因此学号就可以作为学生实体的标识属性。标识属性非常重要它保证了我们能够准确地区分和指认每一个具体的实体个体。联系实体之间的关系第三个要素也是E-R模型中最为精彩、最能体现其威力的要素那就是联系。现实世界中的事物从来都不是孤立的它们之间总是存在着这样那样的关系而联系正是用来描述实体与实体之间这种关系的。回到学生选课的例子。学生和课程这两个实体之间显然存在着一种关系那就是学生要选修课程。这个选修就是学生实体和课程实体之间的一个联系。正是通过联系原本孤立的实体被关联了起来现实世界中事物之间错综复杂的关系才得以在模型中被真实地反映出来。可以说联系是E-R模型的灵魂它让模型从一堆孤立的实体变成了一个有机关联的整体从而能够忠实地映射现实世界的本来面貌。值得一提的是联系本身有时也可以拥有属性。比如学生选修课程这个联系可能需要记录学生选这门课的成绩那么这个成绩就是依附于选修这个联系的属性因为成绩既不单纯属于学生也不单纯属于课程而是属于某个学生选修某门课程这一具体的关联。三、联系的类型一对一、一对多与多对多联系作为E-R模型的灵魂还有着更为细致的讲究。实体之间的联系并不是千篇一律的而是根据数量上的对应关系分成了三种不同的类型。准确地辨认联系的类型是用好E-R模型的关键也是后续将其转换为数据表的重要依据。这三种类型分别是一对一、一对多和多对多。一对一联系第一种是一对一联系。它指的是一方的一个实体个体至多只与另一方的一个实体个体相对应反之亦然。打个比方在一夫一妻制的前提下丈夫和妻子之间就是一对一的联系一个丈夫对应一个妻子一个妻子也对应一个丈夫。又比如一个班级和它的班长之间一个班级只有一个班长一个班长也只担任一个班级的班长这也是一对一的联系。一对一联系在现实中相对少见但也确实存在。一对多联系第二种是一对多联系。它指的是一方的一个实体个体可以与另一方的多个实体个体相对应但反过来另一方的一个实体个体却只能与这一方的一个实体个体相对应。这种联系在现实中非常常见。比如一个班级和它的学生之间就是一对多的联系一个班级有许多个学生但每一个学生只属于一个班级。再比如一个部门和它的员工之间一个部门有多名员工而每名员工只隶属于一个部门这也是典型的一对多联系。多对多联系第三种是多对多联系这也是最为复杂、最值得关注的一种联系。它指的是一方的一个实体个体可以与另一方的多个实体个体相对应同时另一方的一个实体个体也可以与这一方的多个实体个体相对应。我们前面反复提到的学生选课就是一个典型的多对多联系。一个学生可以选修多门课程而一门课程也可以被多个学生选修双方都是多。多对多联系充分体现了现实世界关系的复杂性它在后续转换为数据表时也需要特别的处理这一点我们后面会提到。正确地判断一个联系到底属于哪种类型需要我们仔细地分析业务的实际情况搞清楚双方在数量上究竟是怎样对应的。这是运用E-R模型时一项需要格外用心的工作。四、E-R图把概念模型画出来认识了实体、属性、联系这三大要素以及联系的三种类型我们还需要一种方式把它们直观地表达出来让人一目了然。这种表达方式就是E-R图。E-R图是E-R模型的图形化表示它用一套约定俗成的图形符号把实体、属性、联系生动地描绘在一张图上使得整个概念模型变得清晰可见。在E-R图中不同的要素用不同的图形来表示。通常实体用矩形框来表示在框里写上实体的名称。属性用椭圆形来表示并用线条连接到它所属的实体上。联系则用菱形框来表示在菱形里写上联系的名称并用线条把这个菱形和参与联系的各个实体连接起来。此外为了表明联系的类型人们还会在连接联系与实体的线条旁边标注上数字或字母用来说明这究竟是一对一、一对多还是多对多的联系。通过这样一套简单而规范的符号系统我们就能把对现实世界的分析结果画成一张直观的E-R图。在这张图上有哪些实体每个实体有哪些属性实体之间有哪些联系这些联系又是什么类型统统一目了然。E-R图就像是数据库的设计草图它把抽象的概念模型变成了看得见、摸得着的图形极大地方便了设计者之间的交流和沟通。无论是技术人员还是业务人员对着一张清晰的E-R图都能比较容易地理解和讨论系统的数据结构这正是E-R图的巨大价值所在。五、从E-R图到数据表桥梁的另一端我们说E-R模型是架在现实与数据之间的桥梁那么它的价值就不仅在于能贴近现实地描绘概念更在于它能比较方便地转换为数据库中的二维表从而落实到桥梁的另一端。这种转换是有章可循的遵循着一套相对固定的规则。大体上说每一个实体通常会转换成一张二维表实体的属性就成为表的列实体的标识属性就成为表的主键。比如学生这个实体就转换成一张学生表学号、姓名、年龄、院系成为表的列学号成为主键。对于联系的转换则要看联系的类型而定。一对一和一对多的联系往往可以通过在相关的表中增加一些用于关联的列来处理而不必单独建表。而多对多的联系则通常需要单独转换成一张表这张表中会包含参与联系的双方实体的标识属性用来记录双方的对应关系如果联系本身还有属性这些属性也会成为这张表的列。比如学生和课程之间的选修这个多对多联系就会单独转换成一张选课表里面包含学号、课程编号以及选修这个联系的属性成绩。正是借助这样一套清晰的转换规则我们就能把精心设计好的E-R图顺顺当当地翻译成数据库中一张张具体的二维表。至此从现实世界到概念模型再从概念模型到数据库表整个跨越鸿沟的旅程就圆满完成了。E-R模型作为中间桥梁的作用也就发挥得淋漓尽致。六、结语行文至此E-R模型这座架在现实与数据之间的沟通桥梁已经在我们面前清晰地展现出来。它以实体、属性、联系为三大基本要素用实体来表示现实世界中的事物用属性来描述实体的特征用联系来刻画实体之间的关系。它又把联系细分为一对一、一对多、多对多三种类型以准确地反映现实关系的不同形态。它还通过E-R图这种直观的图形化方式把抽象的概念模型描绘得一目了然方便了各方的交流与沟通。最终它又能依照一套清晰的规则转换成数据库中的二维表落实为可以实际运行的数据库。E-R模型的伟大之处在于它找到了一种恰到好处的中间表达方式。这种表达既足够贴近现实世界、贴近人类的自然思维让人容易理解和把握又足够规整有序、有章可循便于转换为严谨的数据库结构。它巧妙地化解了从生动复杂的现实到冷峻规整的数据之间的那道鸿沟让数据库设计这件原本可能千头万绪的工作变得条理清晰、循序渐进。当我们今天面对一个新的业务系统能够从容地分析出其中的实体、理清它们的属性、辨明它们之间的联系画出一张清晰的E-R图进而设计出合理的数据库结构时我们所依靠的正是E-R模型这一概念设计的核心利器。理解了E-R模型掌握了用实体和联系去观察和抽象现实世界的方法我们也就握住了开启数据库设计大门的金钥匙。这座架设在现实与数据之间、连接业务与技术的智慧桥梁正是人类在驾驭数据、认识世界的征途上留下的一件思虑精巧、历久弥新的不朽杰作。