コンテンツへスキップ
Read this post in: de_DEen_USes_ESfr_FRid_IDjapl_PLpt_PTru_RUvizh_TW
Home » Data Modeling / Database » 図書館システムの設計：ERDから正規化、データベーススキーマへ

図書館システムの設計：ERDから正規化、データベーススキーマへ

はじめに

堅牢で効率的なデータベースシステムの設計は、図書館管理システムを開発する上で重要なステップです。このプロセスには、エンティティ関係図（ERD）の設計から始まり、正規化を経て、最終的にデータベーススキーマの作成に至る複数の段階が含まれます。本記事では、これらの各段階を順を追って説明し、コンセプトを整然とした最適化された図書館システムのデータベースに変換する方法を示します。

ERD、正規化、データベーススキーマによるデータモデリングプロセス

  1. エンティティ関係図（ERD）

図書館システムのデータベースを設計する最初のステップは、エンティティ関係図（ERD）を作成することです。ERDは、システム内のデータエンティティおよびそれらの関係を視覚的に表現したものです。以下の要素を検討することが重要です：

a. エンティティ：図書館システム内の主要なエンティティを特定します。これらには、書籍、著者、利用者、職員、取引などが含まれます。

b. 属性：各エンティティについて、属性またはプロパティを定義します。たとえば、「書籍」エンティティには、ISBN、タイトル、著者、出版日などといった属性が含まれます。

c. 関係：エンティティ間の関係を決定します。たとえば、「利用者」エンティティと「書籍」エンティティの間に「貸出」関係を設けることで、書籍の貸出を表現できます。

d. 卡多シティ：関係のカドシティを指定し、あるエンティティのインスタンスが別のエンティティと何個関連しているかを示します。たとえば、1人の利用者は複数の書籍を借りることができますが、1つの書籍は同時に1人の利用者にしか貸し出されません。

  1. 正規化

正規化とは、データベース内のデータを整理して重複を排除し、データの整合性を向上させるプロセスです。その目的は、データの重複を最小限に抑え、各情報が最も適切な場所に格納されることを保証することです。図書館システムのデータベースを正規化するためのステップは以下の通りです：

a. 関数的依存関係の特定：エンティティ内の属性を分析し、どの属性が他の属性に依存しているかを特定します。たとえば、「書籍」エンティティでは、著者の名前は書籍のISBNに依存しています。

b. 正規化ルールの適用：正規化ルール（例：第一正規形、第二正規形、第三正規形）を使用して、複雑なエンティティを単純なものに分割し、関連する情報を別々のテーブルに作成します。

c. 関係の作成：主キーと外部キーを使用して、正規化されたテーブル間の関係を確立し、データの整合性を維持します。

d. 重複の排除：各データが唯一の場所に格納されることを確認します。たとえば、著者情報は各書籍のエントリに重複して保存されるのではなく、別途「著者」テーブルに格納すべきです。

  1. データベーススキーマ

データベースを完全に正規化した後、データベーススキーマの作成に進むことができます。スキーマは、データベースの構造、すなわちテーブル、列、データ型、制約などを定義します。図書館システムのデータベーススキーマを作成する手順は以下の通りです：

a. テーブルの定義：ERDで特定したエンティティおよび正規化されたデータに基づいてテーブルを作成します。各テーブルは特定のエンティティ（例：「書籍」、「著者」、「利用者」）を表すべきです。

b. 列の定義：各テーブルの列を指定し、ERDで特定された属性を表します。データ型および制約（例：主キー、外部キー、一意制約）が正しく定義されていることを確認してください。

c. 関係の確立：外部キーを使用してテーブル間の関係を確立し、関連するデータをリンクします。たとえば、「書籍」テーブルには「著者」テーブルを参照する外部キーが含まれる可能性があります。

d. インデックス化：検索に頻繁に使用される列にインデックスを設けることで、クエリの実行性能を向上させます。

事例研究：図書館システム

エンティティ関係図

4つのテーブルを定義しました：著者、書籍、利用者、取引。それぞれのテーブルが表す内容は以下の通りです：

  1. 著者：書籍の著者に関する情報を格納します。主キーとしてAuthorIDを持ち、Name属性を備えています。
  2. 書籍：書籍の詳細を表します。ISBN（主キー）、タイトル、出版日、および著者を参照する外部キーであるAuthorIDを含みます。これにより、書籍と著者の関係が確立されます。
  3. 利用者：図書館の利用者に関する情報を格納します。主キーとしてPatronIDを持ち、Name属性を備えています。
  4. 取引：利用者が書籍を借りる際の取引を記録するテーブルです。TransactionID（主キー）、BookID（書籍を参照する外部キー）、PatronID（利用者を参照する外部キー）、DueDateを含みます。

これらのテーブル間の関係は以下の通り表現されます：

  • 著者と本は1対多の関係でリンクされており、1人の著者が複数の本を執筆できることを示しています。
  • 本と取引はリンクされており、各本が複数の取引に含まれ得ること、一方で各取引は1つの本に対応することを表しています。
  • 利用者と取引は接続されており、各利用者は複数の取引を持つことができるが、各取引は1人の利用者に属することを示しています。

正規化プロセス

テーブルを用いて、図書館システムのデータベースの正規化プロセスを順を追って説明します。初期のテーブル群から始め、第1正規形（1NF）、第2正規形（2NF）、第3正規形（3NF）へと段階的に正規化していきます。

初期テーブル：

  1. 本
    • ISBN（主キー）
    • タイトル
    • 出版日
    • 著者ID（外部キー）
  2. 著者
    • 著者ID（主キー）
    • 名前
  3. 利用者
    • 利用者ID（主キー）
    • 名前
  4. 取引
    • 取引ID（主キー）
    • 本ID（外部キー）
    • 利用者ID（外部キー）
    • 返却日

第1正規形（1NF）：

第1正規形では、各テーブルに主キーがあり、どの列にも繰り返しグループや配列があってはなりません。初期のテーブルはすでに主キーを持ち、各セルに単一の値が含まれているため、1NFを満たしています。

第2正規形（2NF）：

2NFを達成するためには、非キー属性が主キー全体に依存していることを確認する必要があります。初期のテーブルでは、Booksテーブルは部分的依存関係を持っています。なぜなら、TitleとPublicationDateはISBNにのみ依存しており、主キー全体に依存していないからです。そこで、Booksテーブルを2つのテーブルに分割します：

Books（2NF）：

  • ISBN（主キー）
  • 著者ID（外部キー）

BookDetails（2NF）：

  • ISBN (外部キー)
  • タイトル
  • 出版日

今、各テーブルの属性は、完全な主キーに依存しています。

第三正規形 (3NF):

3NFでは、推移的依存関係を排除します。Patronsテーブルには推移的依存関係がありませんが、TransactionsテーブルはBookIDを介してBooksに推移的依存関係を持っています。この依存関係を削除するため、トランザクション用の新しいテーブルを作成します：

トランザクション (3NF):

  • トランザクションID (主キー)
  • 利用者ID (外部キー)
  • 返却日

貸出書籍 (3NF):

  • トランザクションID (外部キー)
  • 書籍ID (外部キー)

今、Transactionsテーブルは利用者IDにのみ依存し、BorrowedBooksテーブルはトランザクションと書籍の関係を管理しています。

3NFにおける正規化されたテーブルは以下の通りです：

書籍 (3NF):

  • ISBN (主キー)
  • 著者ID (外部キー)

書籍詳細 (3NF):

  • ISBN (外部キー)
  • タイトル
  • 出版日

著者 (3NF):

  • 著者ID (主キー)
  • 名前

利用者 (3NF):

  • 利用者ID (主キー)
  • 名前

トランザクション (3NF):

  • トランザクションID (主キー)
  • 利用者ID (外部キー)
  • 返却日

貸出図書 (3NF):

  • 取引ID (外部キー)
  • 図書ID (外部キー)

3NFまで正規化プロセスを適用することで、データの整合性を向上させ、重複を削減し、望ましくない依存関係を排除し、構造が整えられ、正規化された図書館システムのデータベースを実現しました。

データベーススキーマ

— 著者用テーブル
CREATE TABLE 著者 (
著者ID INT PRIMARY KEY,
名前 VARCHAR(255)
);

— 図書用テーブル
CREATE TABLE 図書 (
ISBN VARCHAR(13) PRIMARY KEY,
著者ID INT,
外部キー (著者ID) REFERENCES 著者(著者ID)
);

— 図書詳細用テーブル
CREATE TABLE 図書詳細 (
ISBN VARCHAR(13),
タイトル VARCHAR(255),
出版日 DATE,
外部キー (ISBN) REFERENCES 図書(ISBN)
);

— 利用者用テーブル
CREATE TABLE 利用者 (
利用者ID INT PRIMARY KEY,
名前 VARCHAR(255)
);

— 取引用テーブル
CREATE TABLE 取引 (
取引ID INT PRIMARY KEY,
利用者ID INT,
返却日 DATE,
外部キー (利用者ID) REFERENCES 利用者(利用者ID)
);

— 借りた本用テーブル（取引と本の多対多の関係を表すため）
CREATE TABLE 借りた本 (
取引ID INT,
ISBN VARCHAR(13),
外部キー (取引ID) REFERENCES 取引(取引ID),
外部キー (ISBN) REFERENCES 本(ISBN)
);

結論

図書館管理システムのデータベースを設計することは、複雑ではあるが必須の作業である。ERDから始め、データを正規化し、その後適切に構造化されたデータベーススキーマを作成することで、データの整合性を確保し、重複を減らし、データベースのパフォーマンスを最適化できる。この構造的なアプローチにより、本、著者、利用者、取引を効果的に管理できる信頼性と効率性に優れた図書館システムの基盤が築かれる。

コメントを残す