Käsitteellinen mallintaminen

Tässä alaluvussa tarkastellaan käsitteellistä mallintamista käyttäen ER-mallia (Entity-Relationship model). ER-notaatio on suosittu tietokantojen alustavan suunnittelun työkalu. Käsitteellistä mallintaminen voidaan mieltää kuuluvaksi tietojärjestelmän elinkaaren analyysi- ja suunnitteluvaiheisiin. Luvussa oletetaan, että lukija tuntee analyysivaiheen UML-luokkakaavion (Unified Modeling Language) perusperiaatteet ja osaa luoda sellaisen. Tämä alaluku perustuu lähteisiin Chen (1976) ja Elmasri & Navathe (2007, s. 61-81 ja 101-111).

2.2.1 Kohdetyypit ja attribuutit

ER-malli koostuu kohdetyypeistä (entity set), suhdetyypeistä (relationship) ja attribuuteista. Kohdetyypit muistuttavat luokkakaavion luokkia: ne kuvaavat jotakin itsenäistä, reaalimaailman konkreettista tai käsitteellistä asiaa eli kohdetta, esimerkiksi opiskelijaa, kurssia tai opintosuoritusta. Kohdetyyppi ei kuitenkaan ole yksi reaalimaailman asia, vaan kuvaa abstrahoidun asioiden joukon ominaisuuksineen kuten luokkakaavion luokka.

Kohde- ja suhdetyypeillä on attribuutteja, jotka ovat kohteiden tai suhteiden kohdealueen kannalta mielenkiintoisia ominaisuuksia, esimerkiksi opiskelijalla voi olla opiskelijatunnus, nimi ja syntymäaika. Attribuutin arvo on yksittäisen kohteen tai suhteen ominaispiirre. Kohdetyyppien attribuuteista ja niiden arvoista muodostetaan lopulta tietokannan data.

Kohdetyyppiä merkitään suorakulmiolla, jonka sisällä on kohdetyypin nimi. Kohdetyypin attribuutteja merkitään soikiolla, jonka sisällä on attribuutin nimi.

Yllä olevassa kuviossa kohdetyyppi opiskelija kuvaa opiskelijoiden joukon ominaisuuksineen.

2.2.1.1 Avainattribuutti

Jokaisen kohdetyypin kuvaaman kohteen on oltava yksiselitteisesti tunnistettavissa toisistaan. Tunnistaminen tehdään tavallisesti jonkin sellaisen attribuutin perusteella, jonka arvo on jokaisella kohteella uniikki. Tällaista attribuuttia kutsutaan avainattribuutiksi (key attribute). Jos yhden attribuutin arvo ei riitä tunnistamaan kohteita toisistaan, voidaan käyttää useampaa kuin yhtä attribuuttia kuitenkin niin, että avainattribuuttien aito osajoukko ei riitä tunnistamaan kohteita toisistaan.

Avainattribuutin arvo ei voi olla tyhjäarvo. Kohdetyypin avainattribuutit tunnistetaan niiden nimien alleviivauksesta.

2.2.1.2 Koottu attribuutti

Kootulla (composite) attribuutilla tarkoitetaan attribuuttia, jonka arvo voidaan jakaa tunnistettaviin osiin, esimerkiksi attribuutti osoite voidaan alla olevan kuvion mukaan jakaa osiin katu, postinro ja kaup. Osiin jakaminen on erityisen perusteltua silloin, kun attribuuttiin viitataan sekä kokonaisuutena että osina. Jos esimerkiksi osoitteeseen viitattaisiin aina kokonaisuutena, ei osiin jakaminen olisi perusteltua.

Jos attribuutti ei ole koottu, se on yksinkertainen (simple). Kootut attribuutit voivat muodostaa syvempiäkin hierarkioita.

2.2.1.3 Johdettu attribuutti

Johdetulla (derived) attribuutilla tarkoitetaan attribuuttia, jonka arvo on johdettu joko

1. toisen attribuutin tai attribuuttien arvoista tai
2. siihen liittyvän kohdetyypin kohteiden lukumäärästä.

Johdettua attribuuttia merkitään katkoviivaisella soikiolla yllä olevan kuvion mukaisesti. Attribuutti ikä on johdettu attribuutista synt_aika ja attribuutti opisk_lkm kohteiden lukumäärästä. Jos attribuutti ei ole johdettu, se on tallennettu (stored).

2.2.1.4 Moniarvoinen attribuutti

Tavallisesti attribuuteilla on yksi arvo, ja tällaisia attribuutteja kutsutaan atomisiksi (atomic). On kuitenkin mahdollista, että kohdetyypin kohteiden attribuuteilla voi olla useampia arvoja, esimerkiksi opiskelijalla voi olla useita puhelinnumeroita tai sähköpostiosoitteita. Jos attribuutilla voi olla useampia arvoja, sitä kutsutaan moniarvoiseksi (multivalued).

Moniarvoista attribuuttia merkitään yllä olevan kuvion mukaisesti kaksinkertaisella soikiolla. Opiskelija-kohdetyypillä on kaksi moniarvoista attribuuttia.

2.2.2 Suhdetyypit

Kohteilla kuten reaalimaailman asioillakin on tyypillisesti jonkinlaisia suhteita keskenään. Suhde (relationship) on mikä tahansa 1..n kohteen välillä vallitseva riippuvuus tai muu kiinnostava asiayhteys. Suhteiden joukot muodostavat suhdetyyppejä. Tietokantaa suunnitellessa relevantit suhteet kohdetyyppien välillä on tunnistettava ja kuvattava ne ER-kaavioon. Suhdetyyppejä kuvataan ER-notaatiossa kulmallaan seisovalla neliöllä, joka on liitetty suhteeseen osallistuviin kohdetyyppeihin. Suhdetta kuvataan tavallisesti jollakin yksikön 3. persoonan verbillä.

Myös suhdetyypeillä voi olla attribuutteja. Suhdetyypin attribuutit kuvaavat jotakin suhteen ominaisuutta, esimerkiksi yllä olevan esimerkin suorituspvm. Suorituspäivämäärä ei liity kohdetyyppiin kurssi, eikä kohdetyyppiin opiskelija, vaan kohdetyyppien väliseen suhteeseen. Suhdetyypin, johon osallistuu n kohdetyyppiä, sanotaan olevan asteluvultaan (degree) n. Yllä kuvatun suhdetyypin asteluku on 2, ts. suhdetyyppi on binäärinen. Kahdella kohdetyypillä voi olla keskenään useampi kuin yksi binäärinen suhdetyyppi.

2.2.2.1 Muut kuin binääriset suhteet

Suhdetyypin asteluku voi olla 1..n. Alla on kuvattu unaarinen (asteluku 1) ja tertiäärinen (asteluku 3) suhdetyyppi.

Yllä olevan kuvion mukaan työntekijä voi olla esimies muille työntekijöille. Toisessa esimerkissä kohdealueen kannalta on tärkeää, että tiedetään kuka opettaja opiskelijan kurssisuorituksen on arvostellut.

Asteluvultaan kahta korkeammilla suhdetyypeillä on omat ongelmansa, mutta aina niitä ei voida välttää. Yllä olevan esimerkin voisi toteuttaa myös heikolla kohdetyypillä arvostelu. Heikkoa kohdetyyppiä käsitellään hieman myöhemmin.

2.2.2.2 Kardinaliteetti

Suhdetyyppeihin merkitään lisäksi suhteeseen osallistuvien kohteiden minimi- ja maksimimäärät, joista käytetään yhteisnimitystä kardinaliteetti. Joskus minimikardinaalisuudesta käytetään nimitystä suhteen pakollisuus. Tällä kurssilla käsitellään Chenin notaatio, jossa minimikardinaalisuus on joko 0 tai 1 ja maksimikardinaalisuus joko 1 tai N. Binääriseen suhteeseen liittyy siis aina yhteensä neljä kardinaalisuusmerkintää: kaksi minimiä ja kaksi maksimia. Jos yhteen suhdetyyppiin liittyy useampi kuin yksi maksimikardinaalisuus N, yleinen käytäntö on käyttää muita kirjaimia kuvaamaan muita maksimikardinaalisuuksia N, esim. kirjaimia M, P, Q jne.

Minimikardinaalisuus merkitään suhteeseen liittyvillä viivoilla: yhdellä viivalla tarkoitetaan minimikardinaalisuutta 0 (ts. suhteeseen osallistuminen ei ole pakollista) ja kaksoisviivalla minimikardinaalisuutta 1 (ts. suhteeseen osallistuminen on pakollista). Maksimikardinaalisuus merkitään merkillä sille puolelle suhdetta, johon päin luetaan (ks. esimerkki alla).

Yllä olevassa kuviossa on kuvattu kuvitteellinen kohdealue, jossa kuvatut liiketoimintasäännöt pätevät. Kuvion voisi lukea auki kahdella tavalla:

• Vasemmalta oikealle: henkilö ei välttämättä omista autoa, mutta voi omistaa useita (0..n).
• Oikealta vasemmalle: auton omistaa yksi ja vain yksi henkilö (1..1).

Muita yleisesti käytettyjä kardinaalisuusnotaatiota on kuvattu alla: vasemmalla tällä kurssilla käsiteltävä Chenin notaatio, keskellä Martinin UML:ää muistuttava notaatio ja oikealla notaatio Hoffer, Prescott & McFaddenin mukaan, joka on suosittu monissa tietokannanhallintajärjestelmien rinnalla käytetyissä 3. osapuolen suunnittelutyökaluissa.

2.2.2.3 Tunnistava suhdetyyppi

Jos kohdetyypin mukaisia kohteita ei voida tunnistaa sen omien attribuuttien avulla, sitä sanotaan heikoksi kohdetyypiksi. Heikkoa kohdetyyppiä merkitään kaksoissuorakulmiolla. Heikon kohdetyypin mukaiset kohteet tunnistetaan toisen kohdetyypin avainattribuutteja hyväksi käyttäen, ja tällaista kohdetyyppiä kutsutaan tunnistavaksi kohdetyypiksi. Tunnistava kohdetyyppi kuvataan tunnistavan suhdetyypin avulla. Tunnistava suhdetyyppi kuvataan kaksoistimantilla.

Yllä olevassa kuviossa heikko kohdetyyppi osasto tunnistetaan vahvan kohdetyypin yritys avulla. Heikon kohdetyypin avainattribuutin nimi alleviivataan katkoviivalla. Yllä kuvatun kohdealueen osastot tunnistetaan siis osaston tunnuksen ja yritystunnuksen yhdistelmällä.

2.2.3 Abstraktiorakenteet

ER-notaatiota on myöhemmin täydennetty. Yksi tällaisista täydennyksistä on nk. EER-notaatio (extended tai enhanced ER), joka lisää notaatioon mm. abstraktiorakenteet. Abstraktiorakenteiden avulla voidaan mallintaa hierarkioita ja oliosuuntautuneisuuden mukaista perintää: alikohdetyypit perivät ylikohdetyyppinsä attribuutit. Kohdetyyppien välistä perintää merkitään seuraavan kuvion mukaisesti.

Ylikohdetyyppinä on kuviossa henkilö, alikohdetyyppeinä opiskelija ja henkilökunta. U-kirjaimen muotoiset merkinnät osoittavat alikohdetyyppeihin. Ympyrän yhdistää ylikohdetyyppiin joko yksi tai kaksi viivaa. Ympyrän sisälle on merkitty joko kirjain d tai o. Abstraktiorakenteet voivat muodostaa monimutkaisempiakin hierarkioita. Tarkastellaan seuraavaksi kahta erilaista EER-notaation mukaista yleistysrakennetta.

2.2.3.1 Erillinen

Erillisellä (disjoint) abstraktiorakenteella tarkoitetaan, että kohteet ovat korkeintaan yhden alikohtetyypin mukaisia kohteita, esimerkiksi puu on lehti- tai havupuu. Erillistä abstrahointia merkitään ympyrän sisälle sijoitetulla kirjaimella d.

Alikohdetyyppijoukon kattavuutta kuvataan yhdellä tai kahdella viivalla ympyrän ja ylikohdetyypin välillä. Kahdella viivalla kuvataan alityyppijoukon olevan kattava. Kattavuudella tarkoitetaan, että kaikki reaalimaailman kohdetyypit on kuvattu abstraktiorakenteessa. Esim. alla olevan vasemman puoleisen kuvion mukaisesti, jos kohdealueen kannalta mielenkiintoisia ajoneuvoja (kuviossa vastaava kohdetyyppi A) ovat vain henkilöautot ja moottoripyörät (kuviossa vastaavat kohdetyypit B ja C), kattava abstraktiorakenne kertoo, että ajoneuvo on joko henkilöauto tai moottoripyörä.

Yhdellä viivalla kuvataan alityyppijoukon olevan osittainen: kohteen ei tarvitse olla yhdenkään alikohdetyypin mukainen kohde. Esim. yllä olevan oikean puoleisen kuvion mukaisesti kohdealueen kannalta on tarpeen eriyttää ajoneuvot (A) henkilöautoihin (B) ja moottoripyöriin (C). Osittainen yleistysrakenne kuitenkin kertoo, että kohdealue tunnustaa myös muiden, geneeristen ajoneuvojen olemassaolon ja on valmis tallentamaan tietoa myös niistä.

2.2.3.2 Leikkaava

Leikkaavalla (overlapping) abstraktiorakenteella tarkoitetaan, että kohteet voivat olla useamman kuin yhden alikohdetyypin mukaisia kohteita, esimerkiksi huone on keittiö ja ruokasali. Leikkaavaa abstraktiorakennetta kuvataan ympyrän sisään sijoitetulla kirjaimella o. Kuten erillinen, myös leikkaava abstraktiorakenne on joko kattava tai osittainen.

Monivalintatehtävät liittyvät seuraavaan ER-kaavioon: