Il modello Entity-Relationship per il progetto delle basi di dati

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1 1 Il modello Entity-Relationship per il progetto delle basi di dati Massimo Paolucci DIST Università di Genova Le metodologie di progettazione delle Basi di Dati 2 Una metodologia di progettazione consiste generalmente in: Generare una decomposizione in passi successivi e indipendenti dell'intera attività di progetto. Stabilire una serie di strategie da seguire nei vari passi. Stabilire alcuni modelli di riferimento, per descrivere i dati in ingresso e in uscita dalle varie fasi.

2 Ciclo di vita di un S.I. 3 Studio di fattibilità Raccolta ed analisi dei requisiti Progettazione Implementazione Validazione e collaudo Funzionamento Le tre fasi in cui si deve articolare un progetto di database sono: 4 La progettazione concettuale. Rappresentare le specifiche con una descrizione formale e completa senza preoccuparsi né della modalità con cui queste informazioni verranno definite in un sistema reale. La progettazione logica. Traduzione dello schema concettuale in termini del modello di dati proprio del tipo di DBMS a disposizione. In questa fase si tiene conto anche dei criteri di ottimizzazione delle rappresentazioni, in base alle operazioni da effettuare sui dati. La progettazione fisica. Lo schema logico è completato con la specifica dei parametri di memorizzazione dei dati.

3 Requisiti della base di dati 5 Progettazione di basi di dati Progettazione concettuale SCHEMA CONCETTUALE Progettazione logica SCHEMA LOGICO Progettazione fisica SCHEMA FISICO I diagrammi Entità-Relazione (ER Diagram) 6 Sono uno strumento per la progettazione concettuale di DB. Da essi può essere agevolmente ricavato lo schema fisico di DB relazionali. Sono utilizzati in strumenti di progettazione assistita (CASE) La sintassi utilizzata è semplice ed intuitiva.

4 I diagrammi Entità-Relazione (ER Diagram) (cont.) 7 La specifica del DB definita è composta da: Un insieme di diagrammi ER Rappresentano i dati operativi che devono essere strutturati nel SI Un insieme di dizionari dei dati associati ai diagrammi ER Descrivono verbalmente i diagrammi per mezzo di tabelle riassuntive Un insieme di vincoli di integrità sui dati Specificano condizioni particolari che non possono essere desunte dai diagrammi. Le componenti dei diagrammi ER 8 Entità: Classi/insiemi di oggetti riguardo i quali si ha interesse a raccogliere informazioni. Entità Esempi Impiegato Città Fornitore

5 Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 9 Relazione: Legame logico tra entità riguardo il quale si ha interesse raccogliere informazioni. Relazione Esempio Residenza Città Esempi di relazione 10 Sede lavoro Due relazioni binarie tra le stesse entità Residenza Città Componente Una relazione ricorsiva main Parte sub Dipartimento Una relazione ternaria Fornitore Fornitura Prodotto

6 Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 11 Attributi: Specificano le informazioni che devono essere raccolte riguardo entità e relazioni. Entità Attributo 1 Attributo 2... Attributo 1... Relazione identificatore Esempio Studente Matricola Nome Esame Voto Data esame Corso Nome Anno di corso Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 12 Gli attributi possono anche essere composti. Entità Attributo 1 Attributo Composto [Comp1, Comp2,...]... Esempio C.F Nome Indirizzo [Via, CAP, Città]...

7 Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 13 Gli attributi possono essere obbligatori oppure opzionali. Entità Attributo obb (obbligatorio - default) Attributo obb (1) (obbligatorio - esplicito) Attributo opz (0) (opzionale) Esempio C.F Nome Targa auto (0) Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 14 Nota Gli attributi che possiedono una molteplicità il più delle volte rappresentano entità. Esempio C.F Nome Targa auto (0, N) C.F Nome Possesso Auto Targa auto

8 Un esempio di diagramma ER 15 Direzione codice cognome stipendio età Impiegato Afferenza data afferenza Dipartimento telefono Partecipazione data inizio Composizione budget data consegna Progetto Sede città indirizzo [civico, via, CAP] Nota: esempi di notazioni alternative Sede città indirizzo civico via CAP Possesso Auto Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 16 Cardinalità delle relazione: Specifica il numero minimo e massimo delle occorrenze delle entità nelle relazioni. (min 1, max 1 ) (min 2, max 2 ) Entità 1 Relaz. R Entità 2 min 1 : max 1 : R il numero minimo di volte in cui Entità 1 partecipa alla Relaz. R il numero massimo di volte in cui Entità 1 partecipa alla Relaz. min può valere: 0 la relazione è opzionale per l entità 1 la relazione è obbligatoria per l entità max può valere: 1 l entità può partecipare una sola volta alla relazione N l entità può partecipare più volte alla relazione

9 Esempio di cardinalità 17 Impiegato (1, N) (0, N) Assegnamento Incarico Significato: ad un impiegato viene sempre assegnato un incarico ad un impiegato possono essere assegnati più incarichi un incarico può anche non essere (ancora) assegnato ad un impiegato uno stesso incarico può essere assegnato a tanti impiegati Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 18 Tipi di cardinalità delle relazione: Sono possibili tre tipi di relazioni in funzione della cardinalità massima: Relazioni 1-1 uno a uno Relazioni 1-N (oppure N-1) uno a molti Relazioni N-N molti a molti Esempi Relazione 1-1 Ordine (0, 1) (1, 1) Vendita Fattura Relazione 1-N (1, 1) (0, N) Residenza Città Relazione N-N Turista (1, N) (0, N) Prenotazione Viaggio

10 Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 19 Identificatori: Sono attributi che individuano univocamente un entità. L identificatore può essere: Singolo Entità Attributo 1 Attributo 2... identificatore Multiplo (composto) Entità Attributo 1 Attributo 2 Attributo 3... identificatori Esterno Studente Matricola Nome (1, 1) (0, N) Iscrizione identificatori Università Nome Città Un esempio di diagramma ER (cont.) 20 (0, 1) Direzione (1, 1) codice cognome stipendio età Impiegato (0, N) (0, 1) (1, N) Afferenza data afferenza Dipartimento (1, 1) telefono Partecipazione data inizio Composizione budget data consegna Progetto (1, N) (1, N) Sede città indirizzo [civico, via, CAP]

11 Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 21 Gerarchie: Specificano legami gerarchici tra entità, ossia generalizzazioni (bottom-up) o specializzazioni (top-down). Per mezzo delle gerarchie si esprimono: Generalizzazioni totali Generalizzazioni parziali Uomo Donna Professionista Sottinsiemi Avvocato Ingegnere Studente Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 22 Gli attibuti nelle gerarchie vengono ereditati dalle entità superiori a quelle inferiori. Esempi CF cognome età situazione militare Uomo Donna CF cognome età stipendio matricola situazion e militare Uomo Donna Impiegato Studente Segretario orario Direttore Progettista Responsabile di progetto

12 Le componenti dei diagrammi ER (cont.) 23 Il dizionario del dati: E composto da due tabelle: Tabella delle Entità Entità Descrizione Attributi Identificatore Tabella delle Relazioni Relazione Descrizione Entità coinvolte Attributi Le componenti dei diagrammi ER (cont.) Il vincoli di integrità sui dati dati: 24 Corrisponde all insieme delle regole che non sono deducibili dal diagramma. Esempio (0, 1) Direzione (1, 1) codice cognome stipendio età Impiegato (0, N) (0, 1) (1, N) Afferenza data afferenza Dipartimento (1, 1) telefono Partecipazione Composizione data inizio (1, N) (1, N) budget Progetto Sede città data consegna indirizzo [civico, via, CAP] un impiegato può dirigere solo un dipartimento alla volta un impiegato non può avere un salario maggiore del direttore il budget di un progetto deve essere maggiore della somma degli stipendi degli impiegati coinvolti

13 Modellazione dei dati con UML 25 Unified Modeling Language Un linguaggio (e notazione) universale, per rappresentare sistemi software Uno standard OMG (Object Management Group) Autori: Grady Booch Ivar Jacobson Jim Rumbaugh Co-proponenti: Microsoft, IBM, Oracle, HP, Platinum, Sterling, Unysis (e tanti altri) Modellazione dei dati con UML 26 Il diagramma delle classi Le componenti principali nei diagrammi delle classi sono le classi e le associazioni che corrispondono sostanzialmente alle entità e alle relazioni del modello Le classi vengono rappresentate da rettangoli contenenti, in alto, il nome della classe e, al loro interno, gli attributi ad essa associati Le associazioni binarie si presentano con delle linee che congiungono le classi coinvolte nell associazione, mentre per le associazioni n-arie, la notazione grafica e la stessa del modello E-R Gli attributi di una associazione vengono indicati attraverso le classi di associazione che descrivono appunto le relative proprietà La relazione di aggregazione è un associazione speciale che aggrega uno o più concetti che in un singolo concetto composito Le generalizzazioni, in modo similare ai diagrammi E-R, sono indicate con opportune frecce, linee continue che terminano in un triangolo vuoto, che collegano i concetti figli al padre

14 Modellazione dei dati con UML 27 Direzione Impiegato Codice {id} Cognome Stipendio Eta 1..* Partecipazione * Data Inizio 1..* 0..1 Afferenza -Data Afferenza Dipartimento Nome {id}[1] Telefono[1..*] <<identificante>> 1 Progetto Nome {id} Budget Data Consegna Sede Citta' {id} Indirizzo 1..* Modellazione dei dati con UML 28 Codice fiscale {id} Cognome Eta' Professionista -Partita IVA {id} -Indirizzo Uomo Situazione militare Donna Avvocato Ingegnere Dottore Specializzazione

15 La progettazione concettuale 29 La raccolta dei requisiti Le principali fonti per d informazione per l acquisizione delle specifiche sono: Gli utenti delle applicazioni La documentazione esistente Eventuali realizzazioni preesistenti Strumenti Uso del linguaggio naturale Interviste con il cliente e gli utenti finali Questionari Workshop La progettazione concettuale 30 La raccolta dei requisiti L attività di specifica è atta a formalizzare un documento illustrante le informazioni raccolte Scegliere il corretto livello di astrazione Standardizzare la struttura delle frasi Evitare frasi contorte Unificare i termini (possibilmente evitando sinonimi) Rendere esplicito il contesto di riferimento Costruire un glossario dei termini

16 La progettazione concettuale 31 Criteri di rappresentazione Un concetto che ha proprietà significative atte a descrivere classi di oggetti deve essere rappresentato con una entità Un concetto senza caratteristiche proprie rilevanti e avente struttura semplice verrà rappresentato come attributo di un concetto cui si riferisce L associazione tra due o più concetti del dominio applicativo è rappresentata con una relazione tra le rispettive entità Entità aventi caratteristiche comuni possono essere associate facendo uso della struttura di generalizzazione La progettazione concettuale 32 Strategie di progetto Top-down - Lo schema concettuale è il frutto di una serie di raffinamenti successivi a partire da uno schema generale in cui sono presenti pochi concetti ad un alto livello di astrazione Bottom-up - Lo schema concettuale è costruito attraverso una serie di fusioni successive a partire da un insieme di schemi elementari in cui vengono rappresentati singoli frammenti della realtà di interesse Inside-out - Si basa sulla strategia bottom-up avendo però come base di partenza gli schemi dei concetti più rilevanti nel dominio applicativo Mista - Lo scheletro dello schema viene costruito con una strategia bottom-up che mantiene però un alto livello di astrazione dei concetti rappresentati. Lo schema risultante è poi raffinato con strategia topdown

17 La progettazione logica: dai diagrammi ER alla struttura del DB relazionale 33 Il modello ER viene sviluppato dall analisi dei requisiti procedendo generalmente in modo top-down. La progettazione logica consiste nel definire la struttura del DB relazionale partendo dal modello relazionale. Prima della traduzione il diagramma ER va riorganizzato: Eliminare le ridondanze Eliminare le generalizzazioni Partizionare/accorpare entità e/o associazioni Scegliere gli identificatori primari Questo passaggio da struttura concettuale a struttura logica non è necessario con modelli object-oriented. Ristrutturazione dei diagrammi ER 34 Eliminazione delle ridondanze Le ridondanze sono causate da dati derivabili (che dovrebbero essere aggiornati). L eliminazione può essere fatta valutando i singoli casi. Esempi: Fattura Importo netto IVA Importo lordo importo totale Acquisto (1, N) (1, N) Composizione Prodotto prezzo

18 Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.) 35 Eliminazione delle generalizzazioni A01 A02 E0 R1 E3 E1 E2 (x, y) R2 E4 Tre possibilità: A11 A21 1. Accorpamento delle entità figlie con l entità madre A01 A02 A11 A21 Tipo E0 R1 (0, y) R2 E3 E4 Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.) 2. Suddivisione delle caratteristiche dell entità madre nelle entità figlie 36 R11 R12 E3 A01 A02 A11 E1 A01 A02 A21 E2 (x, y) R2 E4 3. Sostituzione delle generalizzazioni con associazioni. A01 A02 E0 (0,1) (0,1) R1 E3 Rg1 Rg2 (1,1) (1,1) E1 E2 (x, y) R2 E4 A11 A21

19 Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.) 37 Partizionare/accorpare entità o associazioni Questo significa: a. Suddividere in più entità distinte gruppi di dati che sono usati separatamente da diverse procedure. Esempio Impiegato codice cognome stipendio data nascita indirizzo livello ritenute codice cognome data nascita indirizzo Dati Anag. (1, 1) (1, 1) Dati impiegato Dati Lavor. codice stipendio livello ritenute Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.) 38 b. Suddividere associazioni che contengono informazioni che vengono utilizzate separatamente. Esempio cognome ruolo Giocatore (1, N) (1, N) composizione Squadra città data acquisto data cessione (0,1) data acquisto comp. attuale (1, 1) (1, N) cognome ruolo Giocatore (0, N) (1, N) comp. precedente Squadra città data acquisto data cessione

20 Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.) 39 c. Eliminare attributi multivalore. Esempio Agenzia indirizzo città telefono (1,N) numero Telefono (1, 1) (1, N) Recapito Agenzia indirizzo città Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.) 40 d. Accorpare entità (associazioni). Esempio CF cognome nome età (0, 1) (1, 1) Intestazione Appartamento indirizzo interno CF cognome nome età indirizzo (0,1) interno (0,1)

21 Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale 41 Definire le tabelle specificando le chiavi primarie ed esterne. Le regole di traduzione 1. Entità: diventano tabelle ed i loro identificatori chiavi primarie. 2. Associazioni N-N: diventano tabelle con chiave primaria formata dall unione delle chiavi delle entità coinvolte. 3. Associazioni 1-N: gli attributi dell associazione e la chiave primaria della tabella relativa all entità dal lato N sono inclusi nella tabella relativa all entità dal lato 1. Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) 42 Le regole di traduzione 4. Entità con identificatori esterni: si procede come per le associazioni 1-N ma la chiave primaria risulta composta. 5. Associazioni 1-1: se obbligatorie si procede come per le 1-N scegliendo il lato in cui includere gli attributi e la chiave esterna; se una opzionale si includono gli attributi e la chiave esterna sul lato obbligatorio ; se entrambe opzionali si costruisce una tabella autonoma come per il caso N-N.

22 Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) Esempi di regole di traduzione: associazioni molti a molti 43 matricola cognome stipendio (0, N) (0, N) Impiegato Partecipazione Progetto data inizio codice budget nome Schema Relazionale IMPIEGATI (Matricola, Cognome, Stipendio) PROGETTI (Codice, Nome, Budget) PARTECIPAZIONI (Matricola, Codice, DataInizio) PARTECIPAZIONI (Impiegato, Progetto, DataInizio) Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) Esempi di regole di traduzione: associazioni molti a molti ricorsiva 44 (0, N) (0, N) Composizione quantità Composto Prodotto codice costo nome Componente Schema Relazionale PRODOTTI (Codice, Nome, Costo) COMPOSIZIONI (Composto, Componente, Quantità)

23 Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) Esempi di regole di traduzione: associazioni molti a molti ternaria 45 Dipartimento telefono P.IVA Nome ditta Fornitore (0, N) (1, N) Fornitura (1, N) Prodotto codice genere quantità Schema Relazionale PRODOTTI (Codice, Genere) FORNITORI (P_IVA, NomeDitta) DIPARTIMENTI (Nome, Telefono) FORNITURE (Fornitore, Prodotto, Dipartimento, Quantità) Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) Esempi di regole di traduzione: associazioni uno a molti 46 data nascita cognome ruolo (1,1) (0, N) Giocatore Contratto Squadra ingaggio città colori sociali Schema Relazionale SQUADRE (Nome, Città, ColoriSociali) GIOCATORI (DataNascita, Cognome, NomeSquadra, Ruolo, Ingaggio) Foreig n Key

24 Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) 47 Esempi di regole di traduzione: entità con identificatore esterno matricola cognome anno iscizione (1,1) (1,N Studente Iscrizione ) Università città indirizzo Schema Relazionale STUDENTI (Matricola, NomeUniversità, Cognome, AnnoIscrizione) UNIVERSITA (Nome, Città, Indirizzo) Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) Esempi di regole di traduzione: associazioni uno a uno (obbligatoria) 48 codice cognome stipendio (1,1) (0, 1) Direttore Direzione Dipartimento data inizio telefono sede Schema Relazionale DIRETTORI (Codice, Cognome, Stipendio, DipartimentoDiretto, InizioDirezione) DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede) in alternativa DIRETTORI (Codice, Cognome, Stipendio) DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede, Direttore, InizioDirezione)

25 Traduzione dei diagrammi ER nel modello relazionale (cont.) Esempi di regole di traduzione: associazioni uno a uno (opzionale) 49 codice cognome stipendio (0,1) (0, 1) Impiegato Direzione Dipartimento data inizio telefono sede Schema Relazionale IMPIEGATI (Codice, Cognome, Stipendio) DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede, Direttore, InizioDirezione) in alternativa IMPIEGATI (Codice, Cognome, Stipendio) DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede) DIREZIONI (Direttore, Dipartimento, DataInizioDirezione)