Teoria sulle basi di dati

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1 Teoria sulle basi di dati Introduzione alle basi di dati Una base di dati (database) può essere considerata come una raccolta di dati logicamente correlati, utilizzata per modellare una realtà. I dati sono memorizzati su un supporto di memoria di massa e sono progettati per essere fruiti da diverse applicazioni e utenti. Una base di dati deve essere sicura (protetta contro interventi non autorizzati o danni accidentali), integra (deve garantire che le operazioni non provochino perdita di consistenza dei dati), consistente (i dati devono essere significativi ed effettivamente utilizzabili nelle applicazioni), condivisibile (diversi utenti e applicazioni devono poter accedere ai dati comuni), persistente (i dati devono essere salvati su memoria di massa e non in memoria centrale), scalabile (deve mantenere intatte le proprie performance all'aumentare della quantità di dati). Sistemi informativi e informatici Un sistema informativo è un insieme organizzato di strumenti e risorse umane e materiali orientato alla gestione delle informazioni rilevanti di un'organizzazione. Un sistema informativo non richiede necessariamente l'uso dei PC: l'anagrafe di un tempo era composta da registri cartacei; si trattava comunque di un sistema informativo. Il sistema informatico, invece, è l'insieme degli strumenti informatici (es. client, server...) utilizzati per il trattamento automatico delle informazioni, rappresentate mediante dati digitali. Definizioni di dato, schema, istanza, intensione, estensione, categoria, occorrenza dato: descrizione elementare di una cosa; rappresentazione dei fatti informazione: incremento di conoscenza a cui si perviene tramite i dati schema (o intensione): chiave di interpretazione dei dati istanza di uno schema (o estensione): insieme dei valori assunti da uno schema in un certo istante significato intensionale: contenuto informativo dei dati significato estensionale: valori che può assumere uno schema in un certo istante categoria: gruppo di dati aventi lo stesso schema (cioè la stessa chiave di interpretazione) occorrenza di una base di dati: insieme delle istanze delle categorie in un certo istante di tempo Gli schemi sono statici, ovvero non cambiano nel tempo. Il modello di dati Un modello di dati è un insieme di concetti e di costrutti utilizzati per organizzare i dati di interesse e descriverne la struttura e la dinamica (associazioni e vincoli che i dati devono rispettare). Nella teoria delle basi di dati, i modelli si distinguono in: concettuali: permettono di rappresentare i dati in modo totalmente indipendente dall'implementazione; il modello concettuale più usato è quello EA (entità-associazione, in inglese ER, entity-relationship) logici: sono strutture meno astratte delle precedenti, di livello intermedio tra ciò che l'utente finale può vedere e il livello dell'implementazione. Noi utilizziamo il modello relazionale; esistono anche modelli gerarchici, reticolari e a oggetti. Progettazione di una base di dati L'insieme di attività che si devono svolgere consiste di tre distinte fasi; l'output di una è l'input dell'altra. 1. Progettazione concettuale: a partire dalle specifiche formali della realtà di riferimento ottengo uno schema concettuale (diagramma E/A) il più astratto possibile. 2. Progettazione logica: trasforma il diagramma E/A in una rappresentazione efficiente rispetto all'implementazione scelta. A questo punto ho già deciso quale strumento informatico utilizzare. 3. Progettazione fisica: a partire dallo schema logico definisco gli aspetti fisici della memorizzazione e rappresentazione in memoria di massa.

2 Il DBMS Un DBMS (Data Base Management System) è un insieme di strumenti software in grado di gestire dati strutturati che sono tanti, importanti, condivisi, interrogati e aggiornati. Nel caso specifico dei database relazionali si parla di RDBMS (Relational Data Base Management System). Prima dei DBMS l'organizzazione di un archivio era strettamente dipendente dal'applicativo che lo sfruttava; in generale buona parte dei dati doveva essere memorizzata più volte (ridondanza) in diversi file, con lo svantaggio dell impossibilità di avere tutti gli archivi aggiornati allo stesso tempo (inconsistenza e incongruenza dei dati), inoltre numerosi erano i problemi legati alla concorrenza, ovvero alla possibilità di rendere disponibile i file a più applicativi e utenze contemporaneamente. Il DBMS deve garantire gestione della base dei dati (aggiornamenti, inserimenti), deve garantire persistenza e consistenza dei dati, la loro privatezza e integrità; deve supportare le transazioni (sequenze di operazioni annullate se non conclusesi correttamente, es. ordini e pagamenti online) e gestire il dizionario dei metadati (MySQL ad esempio ha un database che descrive gli altri database). Inoltre, un DBMS deve essere efficiente (utilizzare un insieme di risorse accettabile) ed efficace, cioè deve rendere produttive e semplici le operazioni effettuate dall'utente. Un DBMS si può pensare come suddiviso in tre livelli di astrazione; dall'alto verso il basso troviamo: livello esterno: è quello con cui interagiscono i singoli utenti tramite viste (sottoinsiemi del DB) livello logico: troviamo gli schemi, le strutture logiche astratte del database (DDL / DCL) livello fisico: troviamo l'implementazione del database logico su file gestiti dal DBMS (DMCL) Un DBMS garantisce l'indipendenza fisica e logica: posso alterare i dati senza che venga alterata la struttura degli stessi. Il linguaggio SQL Il linguaggio SQL (Structured Query Language) è un linguaggio di tipo non procedurale utilizzato per creare, manipolare e interrogare database relazionali. Del linguaggio esistono diverse versioni o dialetti, più o meno aderenti agli standard ANSI e ISO. SQL non è case sensitive e le istruzioni vengono separate usando il punto e virgola ;. Le istruzioni del linguaggio SQL si possono suddividere in tre macrocategorie: DML (data manipulation language): istruzioni per manipolare i dati contenuti nelle diverse tabelle (es. interrogazioni, inserimenti, cancellazioni, modifiche) DDL (data definition language): istruzioni per definire la struttura delle relazioni della base di dati (es. creazione e alterazione di tabelle e vincoli) DCL (data control language): istruzioni per controllare il modo in cui le operazioni vengono eseguite e per impostare autorizzazioni e permessi su singoli utenti SQL può essere utilizzato in modalità stand-alone, ovvero interagendo direttamente con l'interprete SQL, o in modalità embedded, cioè costruendo ed eseguendo query SQL all'interno di un linguaggio ospite che presenta il supporto alla connessione con i database, ad esempio: PHP, ASP, JSP, Java, C/C++ La progettazione concettuale La progettazione concettuale consiste nel riorganizzare tutti gli elementi ritrovati nelle specifiche della realtà di riferimento in una descrizione formale, completa e astratta, cioè indipendente dall'implementazione dei dati stessi. Il prodotto di tale attività è lo schema concettuale. Noi utilizziamo il modello concettuale E/A (Entità/Associazioni). Occorre quindi distinguere: entità: sono ciò che esiste all'interno della realtà che si vuole modellare attributi (proprietà): sono i fatti che si intende rappresentare e che descrivono caratteristiche (es. "Nome"). Ogni attributo è formato da nome, formato, dimensione, valore in un certo dominio, opzionalità (NULL o meno). Distinguiamo poi: o attributi composti o aggregati: sono costituiti mediante aggregazione di altri attributi (es. DataDiNascita è l'aggregato di Giorno/Mese/Anno) o attributi multipli: sono elenchi (stringhe) di attributi dello stesso tipo (es. attributo Hobby che contiene "pesca, ciclismo, collezionismo")

3 o attributi chiave/identificativi: sono le chiavi primarie (o candidate/superchiavi) che consentono l'identificazione univoca di un'istanza di entità dall'altra (es. CodiceFiscale per distinguere univocamente una persona, idutente per un utente, etc...) tipo di entità: descrive la struttura di tutte le entità di una certa natura (es. "Scrittori", "Libri") istanza: singolo esemplare che appartiene ad un tipo di entità associazioni: sono legami logici tra due o più entità, solitamente predicativi (es. X "possiede" Y). Le associazioni sono caratterizzate da: o grado: numero di entità che partecipano all'associazione (binarie, multiple...) o diretta: associazione da a o inversa: associazione da a o partecipazione: può essere totale o parziale a seconda dell opzionalità del legame tra le o entità molteplicità: indica il numero massimo di istanze dell'entità X che possono trovarsi in relazione con un'istanza dell'entità Y, e viceversa. Si parla di associazione univoca da X a Y se ogni istanza di X può trovarsi in relazione con al massimo un'istanza di Y. Se tale vincolo non esiste, si dice che l'associazione è multivalore o multipla. o cardinalità: descrive parallelamente la molteplicità dell'associazione diretta e della sua inversa. Può essere "a uno" o "a molti", si hanno tre casi: - biunivoca - / semplice - complessa Le gerarchie Le gerarchie permettono di particolarizzare o generalizzare un'entità. Una gerarchia ha struttura ad albero: vi è un'entità padre, che contiene le caratteristiche comuni a tutte le istanze e più entità figlie, che rappresentano le caratteristiche specifiche di alcuni gruppi. Per creare una gerarchia si attua dunque un procedimento di specializzazione dall'alto verso il basso, cioè si specializza l'entità padre creando entità figlie sempre più specifiche. Il processo inverso, dal basso verso l'alto, è quello di generalizzazione. Nel modello E/A un'associazione di generalizzazione è nota anche con il termine di associazione ISA. Distinguiamo casi in cui l'unione delle istanze delle entità figlie non coincide con quelle del padre: entità sottoinsieme non disgiunte (es. PersonaleScuola -> Docente / Maschi) entità sottoinsieme disgiunte (es. PersonaleScuola -> Docente / NonDocente) Altrimenti, nel caso in cui l'unione delle istanze delle entità figlie coincide con quelle del padre, abbiamo: entità copertura (non disgiunte, es. Persona -> MenoDi20Anni / PiuDi15Anni) entità partizione (disgiunte, es. Persona -> Maschio / Femmina) Disgiunte o non disgiunte indica la possibilità, per le entità figlie, di avere o meno elementi in comune. La progettazione logica La progettazione logica consiste nel "mapping", cioè nella mappatura del diagramma E/A in un insieme di tabelle detto schema logico relazionale e nella definizione delle operazioni da compiere su di esso. Una relazione su una sequenza di insiemi non necessariamente distinti è un sottoinsieme finito del prodotto cartesiano che possiamo esprimere con, dove: D sono i domini della relazione (insieme di tutti i valori che può assumere l'attributo) (con ) è detto grado della relazione ed è indicato con, è il numero di domini Gli elementi della relazione sono detti t-uple ( ); l'istanza di una relazione è l'insieme delle sue t-uple in un determinato istante di tempo. Il numero di t-uple presenti in un dato istante in una relazione viene detto cardinalità della relazione.

4 Si definisce schema di una relazione il suo nome e la lista dei suoi attributi, racchiusi tra parentesi tonde e separate da virgole, ad esempio: Una relazione, come accade per quelle matematiche, può essere rappresentata per elencazione, in forma tabellare e informa insiemistica. Le chiavi di una relazione Esattamente come per il modello E/A, si definisce "chiave candidata" o "superchiave" di una relazione un insieme non vuoto di attributi di attraverso i quali è possibile individuare univocamente una t-upla per ogni possibile istanza della relazione. In generale, una relazione può ammettere diverse chiavi candidate; solitamente fra queste ne viene scelta una con il minor numero di attributi, designata come "chiave primaria". I vincoli di integrità Si definisce vincolo di integrità una proprietà che deve essere soddisfatta dalle istanze al fine di mantenere la correttezza delle informazioni. Una prima distinzione può essere effettuata tra vincoli di integrità: impliciti: imposti dalla struttura stessa dei dati (es. univocità delle chiavi primarie, esistenza di una corrispondenza tra chiave esterna e chiave primaria nella tabella referenziata) espliciti: imposti dall utente; limitano il modo in cui i dati possono cambiare (es. ) Inoltre, possiamo classificare i vincoli di integrità in: interni: sono definito all'interno di una singola relazione, possono essere: o su singola ennupla: esprimono una condizione da rispettare sul dominio di un singolo attributo o su più attributi (es. o su più ennuple: coinvolgono i valori di più ennuple (es. i vincoli di chiave primaria) esterni: sono definiti tra più relazioni, es. i vincoli referenziali, i quali evitano che: o si possa immettere un valore di chiave esterna non presente nella tabella primaria (es. non posso inserire un prodotto con fornitore che non ho nella tabella primaria Fornitori) o si possa eliminare una t-upla dalla tabella primaria se esistono righe ancora legate ad essa (es. non possono eliminare un fornitore che fornisce ancora dei prodotti) o si possa modificare il valore della chiave primaria della tabella primaria se ad essa collegati elementi nella tabella correlata (es. non posso modificare l'idfornitore se fornisce dei prodotti, perché perderei l'integrità referenziale) con i vincoli di integrità referenziale si può così evitare che gli utenti del database interrompano accidentalmente associazioni tra tabelle correlate. Mappatura delle gerarchie Vi sono tre modi per mappare gerarchie nel modello E/A: relazione unica: si definisce un sola relazione e un certo attributo (es. un flag) discrimina l'appartenenza o meno ad un certo sottoinsieme partizionamento verticale: una relazione padre contiene gli attributi in comune a tutte le tuple, altre n relazioni specializzanti contengono gli attributi relativi alla specializzazione e la chiave esterna che punta alla relazione padre. È il partizionamento più comune. partizionamento orizzontale: una relazione padre contiene tutti gli attributi in comune a tutte le tuple, ed in essa sono memorizzati tutti gli elementi che non appartengono a nessuna delle entità figlie

5 Le operazioni relazionali Le operazioni relazionali sono in totale 7: 5 fondamentali e 2 derivate. Fondamentali: unione ( -> binaria differenza -> binaria prodotto cartesiano -> binaria proiezione -> unaria restrizione -> unaria Derivate: intersezione -> binaria giunzione naturale ( -> binaria Unione Si effettua tra due relazioni e compatibili (stesso numero di attributi e stesso tipo di attributi nelle stesse posizioni). Restituisce semplicemente l'unione insiemistica delle due relazioni: Intersezione Si effettua tra due relazioni e compatibili. Restituisce le t-uple in comune sia ad che ad Differenza Si effettua tra due relazioni e compatibili. Restituisce le t-uple di che non sono presenti anche in. Proiezione Data una relazione ed un sottoinsieme dei suoi attributi, la proiezione di su è la relazione di grado che si ottiene considerando solo le colonne di relative agli attributi contenuti in ed eliminando le t-uple duplicate. Restrizione Data una relazione ed un predicato, la restrizione restituisce tutte le t-uple di che soddisfano. Prodotto cartesiano Restituisce l'insieme di tutte le possibili t-uple ottenute concatenando ogni t-upla della relazione t-upla della relazione. con ogni

6 Giunzione naturale L'operazione di giunzione naturale (join) di e su un attributo di e un attributo di aventi lo stesso tipo restituisce una relazione di grado le cui t-uple si ottengono con il seguente procedimento: 1. effettuo il prodotto cartesiano 2. effettuo una restrizione sulle t-uple aventi gli attributi e dello stesso valore 3. la relazione così ottenuta ha le colonne e uguali, per cui se ne elimina una delle due Operatore: Lo scopo della giunzione naturale è quello di combinare due relazioni aventi uno o più attributi in comune, generando una nuova relazione che contiene le colonne della prima e della seconda relazione senza duplicazioni; inoltre le righe della prima sono concatenate a quella della seconda, secondo i valori uguali dell'attributo comune. L operazione di join merita un discorso a sé, poiché ne esistono numerosi tipi. Cross join: è il prodotto cartesiano Inner join (o natural join): restituisce solo le combinazioni delle t-uple della prima tabella che trovano una corrispondenza nell altra tabella per gli attributi specificati nella condizione È l equivalente di quanto facciamo normalmente con la per passare tra più tabelle. Left join: restituisce tutte le tuple della tabella a sinistra (prima dell operatore di join) concatenate a quelle della tabella di destra in base all attributo in comune. Le t-uple della tabella di sinistra compaiono tutte: se non hanno nulla in comune i campi della tabella di destra vengono settati a NULL. Right join: come la left join, ma restituisce tutte le t-uple della tabella a destra, anche se l attributo in comune non ha corrispondenza. Self join: è un join sulla tabella stessa, ad esempio: padri e figli nella stessa tabella. In generale, il vantaggio della join rispetto al semplice passare per le tabelle usando la condizione sta nella possibilità di ottenere all interno della relazione risultante anche gli elementi che non hanno corrispondenza con l altra tabella (es. vedere tutti i fornitori con eventuali prodotti forniti ). In breve, nella left join vengono ritornate tutte le tuple della tabella a sinistra dell operatore che non hanno corrispondenza, nella right join tutte quelle a destra. Conviene usare l operazione di join solo se realmente necessario, poiché il passaggio per numerose tabelle può richiedere complesse query annidate. La normalizzazione La normalizzazione è un procedimento graduale che realizza un'ottimizzazione progressiva a partire da relazioni non normalizzate, al fine di raggiungere un certo livello di normalizzazione. In particolare, la normalizzazione permette di verificare se la definizione dello schema corrisponde ad alcuni canoni standard di correttezza. Una forma normale è una proprietà di uno schema relazionale che ne garantisce la qualità, cioè l'assenza di determinati difetti; può capitare infatti che schemi mal progettato presentino anomalie, come ridondanze di dati e condizioni che violano la correttezza dei dati stessi.

7 È possibile riassumere la teoria della normalizzazione nelle seguenti regole: ogni tabella deve avere una chiave primaria ogni campo deve contenere un solo valore i campi di una tabella non devono dipendere da altri campi che non siano la chiave primaria bisogna evitare le ripetizioni e la ridondanza di dati Vediamo alcune forme normali: Prima forma normale (1FN), o forma atomica Una relazione si dice in prima forma normale se: o esiste una chiave primaria o ogni attributo è definito su un dominio di valori atomici (non vi sono cioè attributi composti o multipli) Seconda forma normale (2FN) Una relazione di si dice in seconda forma normale se: o è in prima forma normale o ogni attributo non chiave dipende funzionalmente e completamente dalla chiave primaria esempio: data una relazione con attributi con: che dipende da che dipende da che dipende da per normalizzarla in 2FN, devo scomporre la relazione in questo modo: ; ; Terza forma normale (3FN) Una relazione si dice in terza forma normale se: o è in seconda forma normale o ogni attributo non chiave dipende direttamente dalla chiave (non vi è dipendenza transitiva) esempio: se in una relazione un attributo dipende dalle chiavi e un attributo dipende da, ovvero: ;, per normalizzarla in 3FN devo scomporla in 2 nuove relazioni: ; Note Significato di "relazione" nel modello concettuale relazione = associazione, legame logico tra 2 o più entità nel modello logico relazione = generalizzazione di una relazione matematica tra insiemi nei DBMS relazione = tabella

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