Projektowanie systemu bibliotecznego: od diagramu ERD przez normalizację do schematu bazy danych

Wprowadzenie

Projektowanie solidnego i efektywnego systemu baz danych jest kluczowym krokiem w tworzeniu systemu zarządzania biblioteką. Ten proces obejmuje kilka etapów, zaczynając od projektowania diagramu encji i relacji (ERD), po normalizację, a na końcu tworzenie schematu bazy danych. W tym artykule przejdziemy przez każdy z tych etapów, pokazując, jak przekształcić koncepcję w dobrze zorganizowaną i zoptymalizowaną bazę danych systemu bibliotecznego.

Proces modelowania danych od ERD, przez normalizację do schematu bazy danych

Diagram encji i relacji (ERD)

Pierwszym krokiem w projektowaniu bazy danych systemu bibliotecznego jest stworzenie diagramu encji i relacji (ERD). Diagram ERD to wizualne przedstawienie encji danych i ich relacji w systemie. Oto kluczowe elementy do rozważenia:

a. Encje: Zidentyfikuj główne encje w systemie bibliotecznym. Mogą to być książki, autorzy, czytelnicy, pracownicy oraz transakcje.

b. Atrybuty: Dla każdej encji zdefiniuj atrybuty lub właściwości. Na przykład encja „Książka” może mieć atrybuty takie jak ISBN, tytuł, autor, data wydania itd.

c. Relacje: Określ relacje między encjami. Na przykład encja „Czytelnik” może mieć relację „Wypożyczyć” z encją „Książka”, aby przedstawić wypożyczenie książek.

d. Mocność relacji: Określ mocność relacji, wskazując, ile wystąpień jednej encji jest powiązanych z drugą. Na przykład jeden czytelnik może wypożyczyć wiele książek, ale każda książka może być wypożyczona tylko przez jednego czytelnika w danym momencie.

Normalizacja

Normalizacja to proces organizowania danych w bazie danych w celu usunięcia nadmiarowości i poprawy integralności danych. Celem jest minimalizacja powtarzania się danych oraz zapewnienie, że każda część informacji jest przechowywana w najbardziej odpowiednim miejscu. Oto kroki prowadzące do normalizacji bazy danych systemu bibliotecznego:

a. Zidentyfikuj zależności funkcyjne: przeanalizuj atrybuty w swoich encjach i określ, które atrybuty zależą od innych. Na przykład w encji „Książka” imię autora zależy od ISBN książki.

b. Zastosuj zasady normalizacji: użyj zasad normalizacji (np. Pierwsza Forma Normalna, Druga Forma Normalna, Trzecia Forma Normalna), aby rozłożyć złożone encje na proste i stworzyć osobne tabele dla powiązanych informacji.

c. Utwórz relacje: utwórz relacje między znormalizowanymi tabelami za pomocą kluczy głównych i obcych, aby zachować integralność danych.

d. Usuń nadmiarowość: upewnij się, że każda część danych jest przechowywana tylko w jednym miejscu. Na przykład informacje o autorze powinny być przechowywane w osobnej tabeli „Autor”, a nie powtarzać się w każdym wpisie książki.

Schemat bazy danych

Gdy Twoja baza danych zostanie w pełni znormalizowana, możesz przejść do tworzenia schematu bazy danych. Schemat definiuje strukturę bazy danych, w tym tabele, kolumny, typy danych i ograniczenia. Oto kroki tworzenia schematu bazy danych dla systemu bibliotecznego:

a. Zdefiniuj tabele: utwórz tabele na podstawie encji zidentyfikowanych w diagramie ERD i danych znormalizowanych. Każda tabela powinna reprezentować określoną encję (np. „Książki”, „Autorzy”, „Czytelnicy”).

b. Zdefiniuj kolumny: określ kolumny dla każdej tabeli, reprezentujące atrybuty zidentyfikowane w diagramie ERD. Upewnij się, że typy danych i ograniczenia (np. klucze główne, klucze obce, ograniczenia unikalności) są poprawnie zdefiniowane.

c. Ustal relacje: użyj kluczy obcych, aby utworzyć relacje między tabelami, łącząc powiązane dane. Na przykład tabela „Książki” może mieć klucz obcy odnoszący się do tabeli „Autorzy”.

d. Indeksowanie: zaimplementuj indeksowanie kolumn często używanych do wyszukiwania, aby poprawić wydajność zapytań.

Przykład studium przypadku: system biblioteczny

Diagram encji i relacji

Zdefiniowaliśmy cztery tabele: Autorzy, Książki, Czytelnicy i Transakcje. Oto co reprezentuje każda z nich:

Autorzy: zawiera informacje o autorach książek. Ma AuthorID jako klucz główny i atrybut Name.
Książki: reprezentuje szczegóły dotyczące książek. Zawiera ISBN (klucz główny), tytuł, datę wydania oraz AuthorID jako klucz obcy, odnoszący się do tabeli Autorzy, aby utworzyć relację między książkami a autorami.
Czytelnicy: przechowuje informacje o czytelnikach biblioteki. Ma PatronID jako klucz główny i atrybut Name.
Transakcje: ta tabela rejestruje transakcje, gdy czytelnicy wypożyczają książki. Zawiera TransactionID (klucz główny), BookID (klucz obcy odnoszący się do Książek), PatronID (klucz obcy odnoszący się do Czytelników) oraz DueDate.

Relacje między tymi tabelami są przedstawione następująco:

Autorzy i książki są ze sobą powiązani relacją jeden do wielu, co oznacza, że jeden autor może napisać wiele książek.
Książki i transakcje są ze sobą powiązane, co oznacza, że każda książka może być częścią wielu transakcji, ale każda transakcja odnosi się do jednej książki.
Czytelnicy i transakcje są ze sobą połączone, co oznacza, że każdy czytelnik może mieć wiele transakcji, ale każda transakcja należy do jednego czytelnika.

Proces normalizacji

Przejdźmy przez proces normalizacji dla bazy danych naszego systemu bibliotecznego przy użyciu tabel. Zaczniemy od początkowego zestawu tabel i stopniowo je normalizujemy przez Pierwszą Formę Normalną (1NF), Drugą Formę Normalną (2NF) i Trzecią Formę Normalną (3NF).

Początkowe tabele:

Książki
- ISBN (KLUCZ GŁÓWNY)
- Tytuł
- Data wydania
- AuthorID (KLUCZ OBCE)
Autorzy
- AuthorID (KLUCZ GŁÓWNY)
- Imię
Czytelnicy
- PatronID (KLUCZ GŁÓWNY)
- Imię
Transakcje
- TransactionID (KLUCZ GŁÓWNY)
- BookID (KLUCZ OBCE)
- PatronID (KLUCZ OBCE)
- Data zwrotu

Pierwsza Forma Normalna (1NF):

W Pierwszej Formie Normalnej każda tabela powinna mieć klucz główny, a w żadnej kolumnie nie powinno być powtarzających się grup ani tablic. Nasze początkowe tabele już spełniają 1NF, ponieważ mają klucze główne, a każdy komórkę zawiera jedną wartość.

Druga Forma Normalna (2NF):

Aby osiągnąć 2NF, musimy zapewnić, że atrybuty niekluczowe zależą od całego klucza głównego. W naszych początkowych tabelach tabela Książki ma zależność częściową, ponieważ Tytuł i Data wydania zależą tylko od ISBN, a nie od całego klucza głównego. Podzielimy tabelę Książki na dwie tabele:

Książki (2NF):

ISBN (KLUCZ GŁÓWNY)
AuthorID (KLUCZ OBCE)

Dane książki (2NF):

ISBN (Klucz obcy)
Tytuł
Data publikacji

Teraz każda tabela ma atrybuty zależne od całego klucza głównego.

Trzecia postać normalna (3NF):

W 3NF eliminujemy zależności przechodnie. Tabela Patrons nie ma zależności przechodnich, ale tabela Transactions ma zależność przechodnią od Books poprzez BookID. Aby usunąć tę zależność, stworzymy nową tabelę dla transakcji:

Transakcje (3NF):

ID_Transakcji (Klucz główny)
ID_Użytkownika (Klucz obcy)
Data zwrotu

Wypożyczone_Książki (3NF):

ID_Transakcji (Klucz obcy)
ID_Książki (Klucz obcy)

Teraz tabela Transakcje zależy tylko od ID_Użytkownika, a tabela Wypożyczone_Książki zarządza relacją między transakcjami a książkami.

Nasze znormalizowane tabele w 3NF są następujące:

Książki (3NF):

ISBN (Klucz główny)
ID_Autora (Klucz obcy)

Dane_Książki (3NF):

ISBN (Klucz obcy)
Tytuł
Data publikacji

Autorzy (3NF):

ID_Autora (Klucz główny)
Imię

Użytkownicy (3NF):

ID_Użytkownika (Klucz główny)
Imię

Transakcje (3NF):

ID_Transakcji (Klucz główny)
PatronID (Klucz obcy)
Data zwrotu

Wypożyczone książki (3NF):

TransactionID (Klucz obcy)
BookID (Klucz obcy)

Poprzez stosowanie procesu normalizacji do 3NF poprawiliśmy integralność danych, zmniejszyliśmy nadmiarowość i usunięto niepożądane zależności, co spowodowało powstanie dobrze zorganizowanej i znormalizowanej bazy danych systemu bibliotecznego.

Schemat bazy danych

— Tabela dla Autorów
CREATE TABLE Authors (
AuthorID INT PRIMARY KEY,
Name VARCHAR(255)
);

— Tabela dla Książek
CREATE TABLE Books (
ISBN VARCHAR(13) PRIMARY KEY,
AuthorID INT,
FOREIGN KEY (AuthorID) REFERENCES Authors(AuthorID)
);

— Tabela dla szczegółów książki
CREATE TABLE BookDetails (
ISBN VARCHAR(13),
Title VARCHAR(255),
PublicationDate DATE,
FOREIGN KEY (ISBN) REFERENCES Books(ISBN)
);

— Tabela dla Czytelników
CREATE TABLE Patrons (
PatronID INT PRIMARY KEY,
Name VARCHAR(255)
);

— Tabela transakcji
UTWÓRZ TABELĘ Transakcje (
IDTransakcji INT KLUCZ GŁÓWNY,
IDUżytkownika INT,
DataZwrotu DATE,
Klucz obcy (IDUżytkownika) ODNOŚI SIĘ DO Użytkownicy(IDUżytkownika)
);

— Tabela WypożyczoneKsiążki (do przedstawienia relacji wiele do wielu między Transakcjami a Książkami)
UTWÓRZ TABELĘ WypożyczoneKsiążki (
IDTransakcji INT,
ISBN VARCHAR(13),
Klucz obcy (IDTransakcji) ODNOŚI SIĘ DO Transakcje(IDTransakcji),
Klucz obcy (ISBN) ODNOŚI SIĘ DO Książki(ISBN)
);

Wnioski

Projektowanie bazy danych dla systemu zarządzania biblioteką to skomplikowane, ale niezbędne zadanie. Zaczynając od diagramu ERD, normalizując dane, a następnie tworząc dobrze zorganizowany schemat bazy danych, możesz zapewnić integralność danych, zmniejszyć nadmiarowość i zoptymalizować wydajność bazy danych. Ten systematyczny podejście tworzy fundamenty niezawodnego i wydajnego systemu bibliotecznego, który skutecznie zarządza książkami, autorami, użytkownikami i transakcjami.