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1 I DATABASE o basi di dati possono essere definiti come una collezione di dati gestita dai DBMS. Tali basi di dati devono possedere determinati requisiti, definiti come specifiche, necessarie per il processo di progettazione. Tali specifiche possono essere: sui dati: riguardano il contenuto della base di dati; sulle operazioni: riguardano l uso che utenti e applicazioni faranno della base di dati; sui vincoli di integrità: riguardano le proprietà che i dati e le operazioni su di essi dovrebbero avere. Il processo di progettazione si sviluppa su diversi livelli: Progettazione concettuale Consiste nella rappresentazione formale del contento informativo della base di dati, che possa essere utilizzata per le fasi successive. Il prodotto è lo schema concettuale che descrive l organizzazione dei dati ad un alto livello di astrazione, del tutto indipendente dagli aspetti implementativi. In questa fase il progettista, facendo uso delle specifiche sui dati, deve cercare di rappresentare il contenuto informativo della base di dati, senza preoccuparsi né delle modalità con cui tali dati saranno codificati, né delle modalità con cui i dati saranno utilizzati. Progettazione logica Consiste nella traduzione dello schema concettuale nel modello di rappresentazione dei dati utilizzato dal DBMS scelto. Il risultato è uno schema logico dei dati che fa riferimento ad un modello logico degli stessi. Il modello logico consente di descrivere i dati secondo una rappresentazione ancora indipendente dai dettagli fisici, ma concreta perché disponibile nei sistemi di gestione delle basi di dati. Progettazione fisica Consiste nella scelta delle caratteristiche fisiche di memorizzazione dei dati. Il prodotto è lo schema fisico della base di dati. I livelli di progettazione possono essere così schematizzati: SPECIFICHE PROGETTAZIONE CONCETTUALE SCHEMA CONCETTUALE (E-R) PROGETTAZIONE LOGICA FASE RISTRUTTURAZIONE FASE TRADUZIONE SCHEMA LOGICO (RELAZIONALE) PROGETTAZIONE FISICA BASE DI DATI Esistono tre tipi diversi di modelli logici: Modello gerarchico: 1

2 004 Torino TO RADICE 007 Giacomo Verdi 003 Mulazzano LO 006 Paolo Rossi Modello reticolare: 004 Torino TO 003 Mulazzano LO 001 Daniele Ferrari 007 Giacomo Verdi 006 Paolo Rossi Modello relazionale: Persone CODICE COGNOME NOME CODICE_COMUNE (chiave esterna per la tabella COMUNI) Comune CODICE_COMUNE DENOMINAZIONE PROVINCIA Torino Milano Mulazzano Lodi Brembio Tribiano Paullo oppure RELAZIONE ATTRIBUTO CHIAVE FORMATO DIMENSIONE Comune Persone Codice_comune Denominazione Provincia Codice Cog Nome Codice_comune PK (Primary Key) PK FK Numerico Carattere Carattere Numerico Carattere Carattere Numerico I DBMS o sistemi di gestione delle basi di dati sono dei programmi che si occupano di gestire, creare ed elaborare le basi di dati. Questi software vengono introdotti perché la gestione dei dati mediante archivi presenta diversi problemi. Gli inconvenienti sono: 2

3 Ridondanza e inconsistenza dei dati I progetti dei dati da memorizzare e dei programmi applicativi vengono sviluppati in tempi diversi da progettisti diversi e spesso non esiste una descrizione centralizzata dei dati. Così uno stesso dato può essere replicato in archivi differenti (è quindi ridondante). La presenza dello stesso dato in archivi diversi, che prende il di ridondanza, può causare l inconsistenza dei dati stessi. Ciò vuol dire che, in caso di modifica del dato in uno degli archivi, si arriverebbe ad avere valori differenti dello stesso stato. Difficoltà nell accesso ai dati La mancanza di una descrizione ad alto livello e centralizzata dei dati ne rende estremamente difficoltoso l uso, al fine di rispondere a nuove esigenze applicative. Problemi nell accesso concorrente dei dati Per migliorare le prestazioni, tutti i sistemi permettono a più utenti di eseguire modifiche ai dati simultaneamente. L interazione di modifiche concorrenti, se non opportunamente controllate, può causare inconsistenze dei dati. Problemi di protezione dei dati Non tutti gli utenti delle applicazioni possono accedere a tutti i dati. Occorre che il sistema dia in grado di associare ad ogni utente l insieme delle risorse che può utilizzare; il sistema deve anche poster specificare le operazioni permesse (lettura, scrittura, variazione, cancellazione) su ogni campo dei record degli archivi che di desiderano controllare. Problemi di integrità dei dati Per descrivere correttamente una certa realtà occorre che i dati rispettino determinate condizioni, noti come vincoli di integrità logica o semantica. Le caratteristiche dei DBMS, invece, sono: Controllo della concorrenza Consente ad utente diversi di accedere ai dati presenti all interno delle basi di dati. Le basi di dati sono infatti condivise, nel senso che applicazioni e utenti diversi devono poter accedere, secondo opportune modalità, a dati comuni. Indipendenza dei dati Permettono agli utenti e ai programmatori che utilizzano la base di dati di interagire ad un livello elevato, che prescinde dai dettagli realizzativi utilizzati nella costruzione della base di dati. È garantita non solo l indipendenza logica, che consente di interagire con il livello esterno della base di dati in modo indipendente dal livello logico, ma anche l indipendenza fisica. Quest ultima consente di interagire con il DBMS indipendentemente dalla struttura fisica dei dati, è quindi possibile apportare delle modifiche alla rappresentazione fisica dei dati, senza che questo influisca sui programmi che utilizzano tali dati. Privatezza dei dati Ciascun utente, riconosciuto sulla base di un utente, può eseguire soltanto azioni per le quali risulta essere abilitato, attraverso meccanismi di autorizzazione. Affidabilità È possibile conservare intatto il contenuto della base di dati in caso di malfunzionamenti di tipo hardware e software. Questo grazie alle funzionalità di salvataggio e ripristino. Efficienza Deve essere in grado di svolgere le operazioni richieste utilizzando un insieme di risorse, spazio temporali, che risultino accettabili per gli utenti. I DBMS presentano tre differenti livelli di rappresentazione dei dati, e sono: Livello fisico Descrive come sono effettivamente memorizzati i dati tramite strutture di memorizzazione. Livello logico Descrive quali sono i dati memorizzati nella base di dati, eventuali associazioni tra di essi e i vincoli di integrità semantica. Livello esterno o vista Descrive una porzione dell intero schema della base di dati. Le persone che, invece, entrano in contatto con la base di dati sono: 3

4 Amministratore È il responsabile della progettazione e dello sviluppo della base di dati. Deve occuparsi del controllo della base di dati stabilendo le regole per l utilizzo dei dati, le procedure che ne garantiscano la sicurezza e l integrità. Deve, inoltre, occuparsi di garantire l affidabilità e l efficienza del sistema. Progettisti e programmatori Definiscono e realizzano i programmi che accedono alla base di dati. Garantiscono, inoltre, la manutenzione di tali programmi. Utenti Sono gli utilizzatori della base di dati per le proprie attività. Si distinguono in: o utenti finali: utilizzano la base di dati come parte delle loro mansioni per realizzare attività predefinite e di frequenza elevata. L uso che tali utenti fanno dei dati è noto a priori; o utenti occasionali: utilizzano i linguaggi interattivi per l accesso alla base di dati, formulando interrogazioni di vario tipo. Le interrogazioni specificate da questi utenti non sono note a priori. I DATABASE RELAZIONALI si basano sulla teoria matematica delle relazioni tra insiemi. Sono caratterizzati da: schemi costituisce lo scheletro della base di dati, cioè è caratterizzato dalle tabelle e dai legami generati per effetto delle chiavi esterne. istanze è il contenuto della base di dati, istante per istante. Esistono delle istanze di basi di dati che non rappresentano informazioni possibili e sensate per l applicazione. Per questo, nel modello relazionale, vengono inseriti i vincoli di integrità. Essi sono delle proprietà che devono essere soddisfatte dalle istanze che devono, quindi, rappresentare informazioni corrette. Ogni vincolo può essere visto come una funzione logica che associa ad ogni istanza il valore vero oppure falso. I vincoli possono essere: intrarelazionali: se il loro soddisfacimento è definito rispetto a singole relazioni della base di dati; interrelazionali: se coinvolge più relazioni. Abbiamo, inoltre, i vincoli di chiave, che sono un insieme di attributi che identificano univocamente le tuple di una relazione, i vincoli di tupla, che esprimono condizioni sui valori di ciascuna tupla, indipendentemente dalle altre, e che coinvolgono un solo attributo, e i vincoli di integrità referenziale, usati quando i dati presenti in relazioni diverse sono correlati attraverso valori comuni, in particolare attraverso valori di chiavi primarie. I database relazionali si avvalgono del MODELLO E-R (Entity Relationship = Entità Relazioni) come schema concettuale. Il modello E-R permette di rappresentare le entità che costituiscono la base di dati e le relazioni esistenti tra di esse. Le entità sono un insieme di elementi che possiedono caratteristiche analoghe. Tali elementi prendono il di attributi, e permettono di dare delle informazioni aggiuntive circa l entità stessa. È importante ricordare di non aggiungere all interno dell entità degli attributi ridondanti. FATTURA imponibile aliquota_iva totale_fattura L attributo totale_fattura è ridondante perché, essendo dato dall imponibile più l aliquota_iva, provocherebbe una duplicazione dei dati. Inoltre, la modifica di uno dei primi due attributi, NON seguita dalla modifica del totale_fattura, porterebbe ad una rappresentazione dei dati non veritiera. 4

5 Gli attributi delle entità possono essere: opzionale: possono avere un determinato valore oppure non averne nessuno. Sono contrassegnati con l indicazione (0;1); multivalore: possono avere un solo valore oppure averne più di uno. Sono contrassegnati l indicazione (1;n); composti/multipli: sono composti da più attributi semplici. STUDENTE matricola telefono (1;N) cog datanascita patente (0;1) attributo MULTIVALORE attributo OPZIONALE indirizzo via citta provincia attributo COMPOSTO / MULTIPLO Il cerchio riempito di nero sta ad indicare che l attributo costituisce chiave primaria. Essa identifica in modo univoco un elemento dell entità, ciò vuol dire che ciascun valore assunto da tale attributo non può essere duplicato. Le relazioni, invece, permettono di stabilire il legame esistente tra due entità. Possono essere di tre tipi: uno a uno: a ciascun elemento di un entità corrisponde uno, e uno soltanto, degli elementi dell altra entità; a b c d e f g h CARDINALITÀ min=1 max=1 CARDINALITÀ min=1 max=1 uno a molti: a ciascun elemento di un entità corrispondono più elementi dell altra entità; a b c d e f g h i CARDINALITÀ min=1 max=3 (n) CARDINALITÀ min=1 max=1 5

6 molti a molti: a più elementi di un entità corrispondono più elementi dell altra entità. a b c d d e f g h CARDINALITÀ min=1 max=3 (n) CARDINALITÀ min=1 max=3 (n) Nel modello E-R è possibile fare uso delle così dette GENERALIZZAZIONI. Le generalizzazioni possono essere definite come dei legami logici esistenti tra due o più entità. Sono caratterizzate dalla due tipi di entità: padre; figlie: costituiscono casi particolari dell entità padre. Possono essere di diverso tipo: totale: ogni occorrenza dell entità padre è ALMENO un occorrenza de una delle entità figlie. Ciò vuol dire che l'unione dei sottoinsiemi dei figli costituisce l'insieme del padre; parziale: ogni occorrenza dell entità padre è AL PIÙ un occorrenza dell entità figlie. Ciò vuol dire che l'unione dei sottoinsiemi dei figli non identifica globalmente l'insieme del padre; con sovrapposizione: l'intersezione dei sottoinsiemi dei figli non è vuota; senza sovrapposizione o esclusiva: l'intersezione dei sottoinsiemi dei figli è vuota. Generalizzazione TOTALE ed ESCLUSIVA (t,e) PARLAMENTO SENATORE DEPUTATO Generalizzazione PARZIALE ed ESCLUSIVA (p,e) PROFESSIONISTA AVVOCATO MEDICO INGEGNERE È parziale perché esistono altri professionisti oltre agli avvocati, medici e ingegneri. 6

7 Generalizzazione con sovrapposizione PERSONA STUDENTE LAVORATORE senza sovrapposizione PERSONA STUDENTE LAVORATORE STUDENTE-LAVORATORE Dopo la costruzione del modello E-R, bisogna procedere con la traduzione al MODELLO RELAZIONALE. Questa traduzione consiste nel scrivere le varie entità sotto forma di tabelle, specificando le chiavi primarie. Per quanto riguarda le relazioni, la traduzione può essere differente a seconda del tipo di associazione. In ogni caso, comporta la creazione di chiavi esterne. Tipo Schema iniziale Possibile traduzione binaria molti a molti E 1 (A E11, A E12 ) R (A E11, A E21, A R ) Associazioni ternaria molti a molti E 1 (A E11, A E12 ) E 3 (A E32, A E32 ) R (A E11, A E21, A E31, A R ) uno a molti con partecipazione obbligatoria E 1 (A E11, A E12, A E21, A R ) 7

8 E 1 (A E11, A E12 ) uno a molti con partecipazione opzionale R (A E11, A E21, A R ) oppure E 1 (A E11, A E12, A E21 *, A R *) con identificatore esterno E 1 (A E12, A E21, A E11, A R ) E 1 (A E11, A E12, A E21, A R ) uno a uno con partecipazione obbligatoria per entrambe le entità oppure E 2 (A E21, A E22, A E11, A R ) E 1 (A E11, A E12 ) uno a uno con partecipazione opzionale per una delle entità E 1 (A E11, A E12, A E21, A R ) E 1 (A E11, A E12 ) E 2 (A E21, A E22, A E11 *, A R *) uno a uno con partecipazione opzionale per entrambe le entità oppure E 1 (A E11, A E12, A E21 *, A R *) oppure E 1 (A E11, A E12 ) R (A E11, A E21, A R ) 8

9 Note (1) I simboli X e Y indicano una qualunque tra le cardinalità ammesse; (2) Gli asterischi indicano la possibilità di avere valori nulli sugli attributi relativi; (3) La sottolineatura tratteggiata indica una chiave alternativa a quella indicata con sottolineatura piena. Come si può vedere dalla tabella, nel caso di una relazione uno a uno la chiave esterna può essere acquisita da una qualsiasi delle due entità. Nel caso di una relazione uno a molti, invece, la chiave esterna viene acquisita dall entità che si trova dal lato della relazione con cardinalità massima pari a uno, e corrisponde alla chiave primaria dell entità con cardinalità massima pari a n. La cosa cambia quando sia è di fronte ad una relazione molti a molti. Infatti, questo tipo di associazione porta alla creazione di una nuova tabella la quale avrà, come chiavi esterne, le chiavi primarie di entrambe le entità. In ogni caso, la traduzione nel modello relazionale delle chiavi esterne avviene mediante l utilizzo dell istruzione: FOREIGN KEY (chiaveesterna) REFERENCES tabella(chiaveprimaria) uno a uno matricola ruolo IMPIEGATO (0;1) (1;1) DIREZIONE DIPARTIMENTO codice sede IMPIEGATO (matricola,, ruolo) DIPARTIMENTO (codice,, sede, codicedirigente) FOREIGN KEY (codicedirigente) REFERENCES impiegato(codice) uno a molti matricola ruolo IMPIEGATO (1;1) (1;N) LAVORO DIPARTIMENTO codice sede IMPIEGATO (matricola,, ruolo, codicedipartimento) FOREIGN KEY (codicedipartimento) REFERENCES dipartimento(codice) DIPARTIMENTO (codice,, sede) molti a molti piatto prezzo descrizione PIATTO (1;N) RICETTA (1;N) INGREDIENTE ingred tipo calorie_etto quantitaingrammi PIATTO (piatto, prezzo, descrizione) INGREDIENTE (ingred, tipo, calorie_etto) 9

10 RICETTA (piatto, ingred, quantitaingrammi) FOREIGN KEY (piatto) REFERENCES piatto(piatto) FOREIGN KEY (ingred) REFERENCES ingrediente(ingred) Nella traduzione al modello relazionale bisogna, inoltre, procedere con la RISTRUTTURAZIONE. La ristrutturazione consiste nell eliminazione di: ridondanze; generalizzazioni; chiavi: - esterne; - multiple; - composte. Chiavi ESTERNE matricola STUDENTE ISCRI- ZIONE UNIVERSITA matricola universita ristrutturazione STUDENTE ISCRI- ZIONE UNIVERSITA Chiavi MULTIPLE e COMPOSTE PERSONA codice cog telefono (0;N) indirizzo via numerocivico citta ristrutturazione codice cog via PERSONA (0;N) (1;1) R1 TELEFONO numero numerocivico citta 10

11 Per quanto riguarda le generalizzazioni ci sono tre possibilità: A 01 A 02 E 0 R 1 E 3 A 11 A 21 E 1 E 2 (X;Y) R 2 E 4 1 Far COLLASSARE le entità figlie nell entità padre. Vuol dire eliminare le entità figlie, mantenendo soltanto l entità padre. L entità padre dovrà comunque conservare tutti gli attributi delle entità figlie. A 02 A 01 A 11 (0;1) A 21 (0;1) E 0 E 3 R 1 (0;Y) R 2 E 4 Questo tipo di ristrutturazione può essere sempre fatta, ma comporta uno spreco di spazio perché ci sono alcuni attributi che possono avere valore nullo. 2 Eliminare l entità padre. In questo caso saranno le entità figlie a dover conservare comunque gli attributi dell entità padre. A 01 A 02 A 11 A 01 A 02 A 21 E 1 E 2 (X;Y) R 2 E 4 R 12 R 11 E 3 Questo tipo di ristrutturazione può essere fatta solo se la generalizzazione fosse totale. 11

12 3 Sostituire la generalizzazione, andando a stabilire delle associazioni tra l entità padre e ciascuna delle entità figlie. A 01 A 02 E 0 R 1 E 3 (0;1) (0;1) RG 1 RG 2 A 11 (1;1) (1;1) A 21 E 1 E 2 E (X;Y) R 2 4 Questo tipo di ristrutturazione potrebbe essere utile se la generalizzazione non fosse totale. 12

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