Progettazione Logica. Progettazione Concettuale. Metodologia per Basi di Dati e Modelli. Progettazione Fisica. Modello Concettuale

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1 Università degli Studi di Udine Facoltà di Agraria CORSO DI LAUREA IN SCIENZE E TECNOLOGIE DELL AMBIENTE E DEL TERRITORIO Sistemi di Elaborazione dell Informazione Progettazione D. Gubiani 16 ottobre 2012 La progettazione delle basi di dati costituisce solo una delle componenti del processo di sviluppo di un sistema informatico Il ciclo di vita dei sistemi informatici comprende una serie di attività - studio di fattibilità - raccolta e analisi dei requisiti - progettazione - implementazione - validazione e collaudo - funzionamento D. Gubiani Progettazione 1 D. Gubiani Progettazione 2 Ciclo di Vita Ciclo di Vita e Progettazione di Basi di Dati D. Gubiani Progettazione 3 D. Gubiani Progettazione 4 Metodologia per Basi di Dati - 1 Metodologia per Basi di Dati - 2 Una metodologia ormai consolidata nell ambito delle basi di dati distingue tre fasi fondamentali - progettazione concettuale - progettazione logica - progettazione fisica D. Gubiani Progettazione 5 D. Gubiani Progettazione 6

2 Ha lo scopo di trasformare la descrizione informale del dominio applicativo in una descrizione formale mediante un modello - conforme al dominio - indipendente dal sistema di gestione di base di dati che si andrà ad utilizzare e dalla struttura fisica dei dati Trasformazione dello schema concettuale ottenuto dalla progettazione concettuale in uno schema logico che rappresenti gli stessi dati in maniera corretta ed efficiente - deve essere conforme al modello logico sottostante il sistema di gestione della base di dati adottata - deve essere indipendente dalla struttura fisica dei dati D. Gubiani Progettazione 7 D. Gubiani Progettazione 8 Metodologia per Basi di Dati e Modelli Lo schema ottenuto dalla progettazione logica deve essere completato con la specifica dei parametri fisici di memorizzazione dei dati - dipende dallo specifico sistema di gestione della base di dati utilizzato - si basa sui criteri di organizzazione fisica dei dati definiti da tale sistema D. Gubiani Progettazione 9 D. Gubiani Progettazione 10 Modello Concettuale Ha lo scopo di trasformare la descrizione informale del dominio applicativo in una descrizione formale mediante un modello - conforme al dominio - indipendente dal sistema di gestione di base di dati che si andrà ad utilizzare e dalla struttura fisica dei dati Collezione di concetti che possono essere usati per descrivere un insieme di dati e, in taluni casi, le relative operazioni di manipolazione Permettono di rappresentare in modo strutturato (un astrazione di) la realtà I principali modelli concettuali: - modello Entità-Relazioni - diagramma delle classi di UML (Unified Modeling Language) D. Gubiani Progettazione 11 D. Gubiani Progettazione 12

3 (ER) Entità E un modello di alto livello (astratto) che svolge un ruolo fondamentale nella progettazione di una base di dati Caratterizzato da alcuni concetti fondamentali: - entità - relazione - attributo Insieme di elementi/concetti (fatti, persone, cose) del dominio di interesse con proprietà comuni e con esistenza autonoma D. Gubiani Progettazione 13 D. Gubiani Progettazione 14 Relazioni Istanze di Entità e di Relazioni Legame logico fra due o più entità, di rilievo per il dominio di interesse Istanza di entità Istanza di relazione fra n tipi di entità: ennupla di istanze, una per ogni tipo di entità coinvolta nella relazione D. Gubiani Progettazione 15 D. Gubiani Progettazione 16 Relazioni di Grado Superiore al Secondo Relazioni Ricorsive Possono essere definite relazioni fra più di due entità Possono essere definite relazioni che coinvolgono più volte la stessa entità In questo caso può essere utile indicare i ruoli D. Gubiani Progettazione 17 D. Gubiani Progettazione 18

4 Attributi - 1 Attributi - 2 Proprietà elementare di un entità o di una relazione, di interesse ai fini dell applicazione Associa ad ogni occorrenza di un entità o di una relazione un valore appartenente a un dato insieme di valori, detto dominio dell attributo D. Gubiani Progettazione 19 D. Gubiani Progettazione 20 Attributi - 3 Istanza vs. Schema Possono essere di diversi tipi: - SEMPLICI: con valore atomico - COMPOSTI: con diverse componenti Istanza di un entità: ennupla di valori associati ai diversi attributi Esempio. (AGTMRC66C60U962M,Marco) Schema di un entità: un nome, un insieme di attributi e, per ciascun attributo, il relativo dominio Esempio. Nome: Persona Attributi: codicefiscale stringa[16], nomeproprio stringa[30] OSSERVAZIONE: il dominio va esteso col valore NULL D. Gubiani Progettazione 21 D. Gubiani Progettazione 22 Altri Costrutti Vincoli di Cardinalità e Partecipazione su Relazioni Oltre ai costrutti fondamentali, sono presenti diversi altri costrutti Fra questi, assumono particolare importanza: - vincoli di cardinalità e partecipazione (su relazioni ed attributi) - vincolo di chiave (identificatore) - generalizzazione Indicano il numero minimo e massimo di istanze della relazione a cui può partecipare ogni istanza di ciascuna delle entità coinvolte D. Gubiani Progettazione 23 D. Gubiani Progettazione 24

5 Tipi di Relazione Tipi di Relazione: Esempi - TOTALE: ogni istanza di entità è coinvolta in almeno una istanza di relazione - PARZIALE: ci possono essere delle istanze di entità che non partecipano a nessuna istanza di relazione - UNO: ogni istanza di entità è coinvolta al più una istanza di relazione - MOLTI: ogni istanza di entità può essere coinvolta in più di una istanza di relazione D. Gubiani Progettazione 25 D. Gubiani Progettazione 26 Vincoli di Cardinalità e Partecipazione su Attributi Vincoli di chiave Indicano il numero minimo e massimo di valori che l attributo può assumere Tipologie di attributi: - opzionale - multivalore Il vincolo di chiave permette di indicare l attributo o l insieme di attributi il cui valore identifica univocamente ogni istanza di entità Possono essere di due tipi: - identificatore interno - identificatore esterno D. Gubiani Progettazione 27 D. Gubiani Progettazione 28 Identificatore Interno Identificatore Esterno La relazione che permette di identificare un entità prende il nome di relazione identificante D. Gubiani Progettazione 29 D. Gubiani Progettazione 30

6 Osservazioni Generalizzazione - 1 Ogni entità deve possedere almeno un identificatore Una identificazione esterna è possibile solo attraverso una relazione a cui l entità da identificare partecipa con cardinalità (1,1) Le relazioni non hanno identificatori La relazione di generalizzazione: mette in relazione una o più entità E 1,...,E n con una entità E di cui E 1,...,E n risultano essere casi particolari E è una generalizzazione di E 1,...,E n E 1,...,E n sono specializzazioni di E D. Gubiani Progettazione 31 D. Gubiani Progettazione 32 Generalizzazione - 2 Generalizzazione - 3 Se E (genitore) è una generalizzazione di E 1,...,E n (figlie): - ogni proprietà di E è significativa anche per E 1,...,E n - ogni occorrenza di E 1,...,E n è occorrenza di E Tutte le proprietà (attributi, relazioni e altre generalizzazioni) dell entità genitore vengono ereditate dalle entità figlie D. Gubiani Progettazione 33 D. Gubiani Progettazione 34 Tipi di Generalizzazione Tipi di Generalizzazione: Parziale (e Sovrapposta) Esistono diversi tipi di generalizzazione: - totale/parziale - disgiunta/sovrapposta D. Gubiani Progettazione 35 D. Gubiani Progettazione 36

7 Tipi di Generalizzazione: Totale (e Disgiunta) (Come visto in precedenza,) requisiti sostanzialmente diversi delle applicazioni tradizionali: - dati con estensione e posizione spaziale - dualità delle visioni ad oggetti e a campi - informazioni incomplete - diverse rappresentazioni degli oggetti - relazioni spaziali fra oggetti Soluzione: estendere i modelli dei dati tradizionali - diverse estensioni spazio-temporali: (ER) MODUL-R, GISER, GeoER, ChronoGeoGraph (OO) MGEO/MGEO+, GeoOOA, OMT-G, MADS D. Gubiani Progettazione 37 D. Gubiani Progettazione 38 Modello ChronoGeoGraph Entità Spaziali ChronoGeoGraph (CGG) è un modello spzio-temporale che estende il modello ER con un insieme di costrutti spaziali e/o temporali Caratteristiche distintive: - mantiene la semplicità del modello ER - permette la modellazione delle proprietà degli oggetti spaziali nello spazio bi-dimensionale - modella 4 diverse dimensioni temporali Un entità spaziale è caratterizzata da un insieme di attributi descrittivi e una geometria che descrive le sue caratteristiche spaziali D. Gubiani Progettazione 39 D. Gubiani Progettazione 40 Attributi Spaziali Relazioni Spaziali Un attributo spaziale è un attributo che assume su un determinato tipo di dato spaziale Le relazioni spaziali sono relazioni fra entità spaziali che impongono vincoli spaziali fra le geometrie delle entità che vi partecipano: - relazioni topologiche, metriche e direzionali - aggregazioni spaziali D. Gubiani Progettazione 41 D. Gubiani Progettazione 42

8 Specializzazione Cartografica Territorio di Schema La relazione di specializzazione cartografica permette di associare diverse rappresentazioni alla stessa entità spaziale Il territorio di schema descrive lo spazio in cui ogni elemento spaziale deve essere contenuto - diversamente dalle entità ammette una sola istanza D. Gubiani Progettazione 43 D. Gubiani Progettazione 44 Campi I campi rappresentano proprietà che variano nello spazio - possono essere associate all intero territorio di schema o a singole entità Sono caratterizzati da uno specifico tipo di campionamento (punti regolari o irregolari, isoline, celle regolari o irregolari, TIN) Possono essere definite funzioni di interpolazione spaziale Trasformazione dello schema concettuale ottenuto dalla progettazione concettuale in uno schema logico che rappresenti gli stessi dati in maniera corretta ed efficiente Non si tratta di una pura e semplice traduzione - alcuni aspetti non sono direttamente/naturalmente rappresentabili - è necessario considerare le prestazioni D. Gubiani Progettazione 45 D. Gubiani Progettazione 46 Ottimizzazione Motivazioni: - semplificare la traduzione - ottimizzare le prestazioni Uno schema E-R ristrutturato non è (più) uno schema concettuale nel senso stretto del termine Per ottimizzare il risultato abbiamo bisogno di analizzare le prestazioni a questo livello Le prestazioni non sono valutabili con precisione su uno schema concettuale! Indicatori di prestazione - spazio: numero di occorrenze previste - tempo: numero di occorrenze (di entità e relationship) visitate durante un operazione D. Gubiani Progettazione 47 D. Gubiani Progettazione 48

9 Attività di Ristrutturazione Analisi delle Ridondanze Analisi delle ridondanze Eliminazione delle generalizzazioni Partizionamento/accorpamento di entità e relazioni Scelta degli identificatori primari Una ridondanza in uno schema ER è un informazione significativa, ma derivabile da altre L analisi delle ridondanze consente di decidere se conviene eliminare le ridondanze eventualmente presenti o mantenerle Vantaggi: semplificazione delle interrogazioni Svantaggi: appesantimento degli aggiornamenti e maggiore occupazione di spazio D. Gubiani Progettazione 49 D. Gubiani Progettazione 50 Forme di Ridondanza Eliminazione delle Generalizzazioni Attributi derivabili: - da altri attributi della stessa entità (o relazione) - da attributi di altre entità (o relazioni) Relazioni derivabili dalla composizione di altre relazioni in presenza di cicli Il modello relazionale non può rappresentare direttamente le generalizzazioni Entità e relazioni sono, invece, direttamente rappresentabili Si eliminano le generalizzazioni, sostituendole con entità e relazioni D. Gubiani Progettazione 51 D. Gubiani Progettazione 52 Tre Possibilità Esempio di generalizzazione 1 Accorpamento delle figlie della generalizzazione nel genitore 2 Accorpamento del genitore della generalizzazione nelle figlie 3 Sostituzione della generalizzazione con relazioni D. Gubiani Progettazione 53 D. Gubiani Progettazione 54

10 Accorpamento delle figlie della generalizzazione nel genitore (1) Accorpamento del genitore della generalizzazione nelle figlie (2) D. Gubiani Progettazione 55 D. Gubiani Progettazione 56 Sostituzione della generalizzazione con relazioni (3) Scelta fra le Alternative È possibile seguire alcune semplici regole generali Tre scelte: 1 Conviene se gli accessi al padre e/o gli accessi congiunti alle figlie sono dominanti 2 Conviene se gli accessi separati alle figlie sono dominanti 3 Conviene se il numero degli accessi al padre e quello degli accessi alle figlie sono comparabili D. Gubiani Progettazione 57 D. Gubiani Progettazione 58 Partizionamento/Accoppiamento dei Concetti Casi Particolari Servono a rendere più efficienti le operazioni Gli accessi si riducono: - separando attributi di un concetto che vengono acceduti separatamente - raggruppando attributi di concetti diversi acceduti insieme Partizionamento di entità Partizionamento di relazioni Eliminazione di attributi multivalore Accorpamento di entità/relazioni D. Gubiani Progettazione 59 D. Gubiani Progettazione 60

11 Partizionamento di entità Eliminazione di attributi multivalore Analogamente per le relazioni D. Gubiani Progettazione 61 D. Gubiani Progettazione 62 Accorpamento di entità/relazioni Scelta degli Identificatori Principali - 1 Il modello relazionale richiede la specifica di una chiave primaria sulla quale vengono creati degli indici per il ripristino efficiente dei dati Nel caso in cui ci siano diversi identificatori bisogna scegliere fra di essi la chiave primaria D. Gubiani Progettazione 63 D. Gubiani Progettazione 64 Scelta degli Identificatori Principali - 2 Alcune regole: - attributi con valori nulli non possono partecipare alla formazione di una chiave primaria - sono da preferirsi identificatori con pochi attributi - sono da preferirsi identificatori interni ad identificatori esterni - sono da preferirsi identificatori utilizzati da molte operazioni per accedere alle occorrenze di altre entità Se non sono presenti identificatori che rispettano le regole precedenti si può pensare di introdurre un nuovo attributo (un codice) A partire dal modello ristrutturato si può effettuare la traduzione vera e propria Idea di base: - le entità diventano relazioni sugli stessi attributi - le relazioni (molti a molti) diventano relazioni sugli identificatori delle entità coinvolte (più gli eventuali attributi propri) D. Gubiani Progettazione 65 D. Gubiani Progettazione 66

12 Entità e Relazioni Molti a Molti Entità e Relazioni Molti a Molti Impiegato(Matricola, Cognome, Stipendio) D. Gubiani Progettazione 67 D. Gubiani Progettazione 68 Entità e Relazioni Molti a Molti Entità e Relazioni Molti a Molti Impiegato(Matricola, Cognome, Stipendio) Progetto(Codice, Nome, Budget) Impiegato(Matricola, Cognome, Stipendio) Progetto(Codice, Nome, Budget) Partecipazione(Matricola, Codice, DataInizio) D. Gubiani Progettazione 69 D. Gubiani Progettazione 70 Entità e Relazioni Molti a Molti Relazioni Ricorsive Impiegato(Matricola, Cognome, Stipendio) Progetto(Codice, Nome, Budget) Partecipazione(Matricola, Codice, DataInizio) con vincoli di integrità referenziale: - Matricola in Partecipazione e (la chiave di) Impiegato - Codice in Partecipazione e (la chiave di) Progetto Prodotto(Codice, Nome, Costo) Composizione(Composto, Componente, Quantità) D. Gubiani Progettazione 71 D. Gubiani Progettazione 72

13 Relazioni N-arie Relazioni Uno a Molti Fornitore(PartitaIVA, Nome) Prodotto(Codice, Genere) Dipartimento(Nome, Telefono) Fornitura(Fornitore, Prodotto, Dipartimento, Quantità) Giocatore(Cognome, DataNascita, Ruolo) Contratto(CognomeG, DataNascitaG, Squadra, Ingaggio) Squadra(Nome, Città, ColoriSociali) Soluzione corretta, ma ne esiste una più compatta... D. Gubiani Progettazione 73 D. Gubiani Progettazione 74 Soluzione Più Compatta Entità con Identificazione Esterna Osserviamo che a ogni istanza di giocatore corrisponde una e una sola squadra per cui... Giocatore(Cognome, DataNasc, Ruolo, Squadra, Ingaggio) Squadra(Nome, Città, ColoriSociali) con vincolo di integrità referenziale fra Squadra in Giocatore e la chiave di Squadra Se la cardinalità minima della relazione è 0, allora Squadra in Giocatore deve ammettere valore nullo Studente(Matricola, Universita, Cognome, AnnoDiCorso) Università(Nome, Città, Indirizzo) con vincolo di integrità referenziale fra Università in Studente e Nome in Università D. Gubiani Progettazione 75 D. Gubiani Progettazione 76 Relazione Uno a Uno una Possibilità Privilegiata Esistono varie possibilità: - fondere da una parte o dall altra - fondere tutto? Impiegato (Codice, Cognome, Stipendio) Dipartimento (Nome, Sede, Telefono, Direttore, InizioD) con vincolo di integrità referenziale, senza valori nulli D. Gubiani Progettazione 77 D. Gubiani Progettazione 78

14 Esempio Spaziale Per gli elementi non spaziali si continua a seguire il processo di traduzione dei modelli ER in modelli relazionali Costrutti spaziali: - le entità spaziali vengono modellate introducendo un attributo (colonna) di tipo spaziale nelle relazioni corrispondenti - le relazioni spaziali sono assimilate alle relazioni non spaziali con l aggiunta dei corrispondenti vincoli spaziali (trigger) D. Gubiani Progettazione 79 D. Gubiani Progettazione 80 Esempio Spaziale Esempio Spaziale Regione(nome, geometria) Città(nome, sindaco, geometria, regione) Regione(nome, geometria) Città(nome, sindaco, geometria, regione) con un vincolo not null sull attributo regione in Città un vincolo di chiave esterna da regione in Città a nome in Regione due trigger di topologia associati uno all attributo geometria della tabella Regione e uno all attributo geometria della tabella Città D. Gubiani Progettazione 81 D. Gubiani Progettazione 82 Strutture di Indicizzazione Strutture di Indicizzazione Strutture di Indicizzazione - 1 Lo schema ottenuto dalla progettazione logica deve essere completato con la specifica dei parametri fisici di memorizzazione dei dati - dipende dallo specifico sistema di gestione della base di dati utilizzato - si basa sui criteri di organizzazione fisica dei dati definiti da tale sistema I dati di una base di dati sono memorizzati in file come insiemi di record La dimensione della collezione dei dati è molto maggiore dello spazio disponibile in memoria principale Tempo di accesso in memoria secondaria (disco) è molto maggiore del tempo di accesso in memoria principale Gli oggetti sono raggruppati in pagine/blocchi, che costituiscono l unità di trasferimento tra memoria principale e disco D. Gubiani Progettazione 83 D. Gubiani Progettazione 84

15 Strutture di Indicizzazione Strutture di Indicizzazione - 2 Problematiche Spaziali Strutture di Indicizzazione Gli indici sono strutture di accesso ai dati utilizzate per rendere più veloce il recupero di record in presenza di determinate condizioni di ricerca Le strutture d accesso sviluppate per indicizzare i dati numerici o alfanumerici tradizionali si basano sull ordinamento totale del dominio del campo chiave Nell ambito dei dati spaziali n-dimensionali (n 2) non esiste un ordinamento totale: ne segue che non si adattano ai dati spaziali Desiderata: una relazione d ordine per oggetti geometrici bidimensionali deve preservare la prossimità degli oggetti (oggetti vicini nel piano devono risultare vicini anche nell indice) Una possibilità: inclusione di rettangoli D. Gubiani Progettazione 85 D. Gubiani Progettazione 86 Indici Spaziali Strutture di Indicizzazione Diverse tipologie di indici spaziali: - space driven: quadtree - data driven: R-tree D. Gubiani Progettazione 87