Modulo 10: Basi di dati e loro gestione

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1 Corso IFTS Tecnico Superiore per i rilevamenti territoriali informatizzati Codice: FP Modulo 10: Basi di dati e loro gestione Progettazione delle Basi di Dati dott.ssa D. Gubiani 16 novembre 2012 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 1

2 Metodologia di Progettazione 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 delle Basi di Dati 2

3 Ciclo di Vita Metodologia di Progettazione D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 3

4 Metodologia di Progettazione Ciclo di Vita e Progettazione di Basi di Dati D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 4

5 Metodologia di Progettazione Metodologia per Basi di Dati - 1 Una metodologia ormai consolidata nell ambito delle basi di dati distingue tre fasi fondamentali - progettazione concettuale - progettazione logica - progettazione fisica D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 5

6 Metodologia di Progettazione Metodologia per Basi di Dati - 2 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 6

7 Metodologia di Progettazione 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 7

8 Metodologia di Progettazione 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 delle Basi di Dati 8

9 Metodologia di Progettazione 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 delle Basi di Dati 9

10 Metodologia di Progettazione Metodologia per Basi di Dati e Modelli D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 10

11 Modello Entità-Relazioni 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 11

12 Modello Concettuale Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 12

13 Modello Entità-Relazioni Modello Entità-Relazioni (ER) 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 13

14 Entità Modello Entità-Relazioni Insieme di elementi/concetti (fatti, persone, cose) del dominio di interesse con proprietà comuni e con esistenza autonoma D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 14

15 Relazioni Modello Entità-Relazioni Legame logico fra due o più entità, di rilievo per il dominio di interesse D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 15

16 Modello Entità-Relazioni Relazioni di Grado Superiore al Secondo Possono essere definite relazioni fra più di due entità D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 16

17 Relazioni Ricorsive Modello Entità-Relazioni Possono essere definite relazioni che coinvolgono più volte la stessa entità In questo caso può essere utile indicare i ruoli D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 17

18 Attributi - 1 Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 18

19 Attributi - 2 Modello Entità-Relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 19

20 Attributi - 3 Modello Entità-Relazioni Possono essere di diversi tipi: - SEMPLICI: con valore atomico - COMPOSTI: con diverse componenti D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 20

21 Altri Costrutti Modello Entità-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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 21

22 Modello Entità-Relazioni Vincoli di Cardinalità e Partecipazione su Relazioni Indicano il numero minimo e massimo di istanze della relazione a cui può partecipare ogni istanza di ciascuna delle entità coinvolte D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 22

23 Tipi di Relazione Modello Entità-Relazioni - 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 delle Basi di Dati 23

24 Tipi di Relazione: Esempi Modello Entità-Relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 24

25 Modello Entità-Relazioni Vincoli di Cardinalità e Partecipazione su Attributi Indicano il numero minimo e massimo di valori che l attributo può assumere Tipologie di attributi: - opzionale - multivalore D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 25

26 Vincoli di chiave Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 26

27 Identificatore Interno Modello Entità-Relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 27

28 Identificatore Esterno Modello Entità-Relazioni La relazione che permette di identificare un entità prende il nome di relazione identificante D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 28

29 Osservazioni Modello Entità-Relazioni 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 29

30 Generalizzazione - 1 Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 30

31 Generalizzazione - 2 Modello Entità-Relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 31

32 Generalizzazione - 3 Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 32

33 Tipi di Generalizzazione Modello Entità-Relazioni Esistono diversi tipi di generalizzazione: - totale/parziale - disgiunta/sovrapposta D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 33

34 Modello Entità-Relazioni Tipi di Generalizzazione: Parziale (e Sovrapposta) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 34

35 Modello Entità-Relazioni Tipi di Generalizzazione: Totale (e Disgiunta) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 35

36 Modello Entità-Relazioni (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 delle Basi di Dati 36

37 Modello ChronoGeoGraph Modello Entità-Relazioni 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 37

38 Entità Spaziali Modello Entità-Relazioni Un entità spaziale è caratterizzata da un insieme di attributi descrittivi e una geometria che descrive le sue caratteristiche spaziali D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 38

39 Attributi Spaziali Modello Entità-Relazioni Un attributo spaziale è un attributo che assume su un determinato tipo di dato spaziale D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 39

40 Relazioni Spaziali Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 40

41 Modello Entità-Relazioni Specializzazione Cartografica La relazione di specializzazione cartografica permette di associare diverse rappresentazioni alla stessa entità spaziale D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 41

42 Territorio di Schema Modello Entità-Relazioni 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 delle Basi di Dati 42

43 Campi Modello Entità-Relazioni 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 43

44 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 44

45 Ristrutturazione di Schemi ER Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Motivazioni: - semplificare la traduzione - ottimizzare le prestazioni Uno schema E-R ristrutturato non è (più) uno schema concettuale nel senso stretto del termine D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 45

46 Ottimizzazione Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 46

47 Attività di Ristrutturazione Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Analisi delle ridondanze Eliminazione delle generalizzazioni Partizionamento/accorpamento di entità e relazioni Scelta degli identificatori primari D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 47

48 Analisi delle Ridondanze Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 48

49 Forme di Ridondanza Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 49

50 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Eliminazione delle Generalizzazioni 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 delle Basi di Dati 50

51 Tre Possibilità Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 51

52 Esempio di generalizzazione Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 52

53 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Accorpamento delle figlie della generalizzazione nel genitore (1) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 53

54 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Accorpamento del genitore della generalizzazione nelle figlie (2) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 54

55 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Sostituzione della generalizzazione con relazioni (3) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 55

56 Scelta fra le Alternative Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 56

57 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Partizionamento/Accoppiamento dei Concetti 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 57

58 Casi Particolari Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Partizionamento di entità Partizionamento di relazioni Eliminazione di attributi multivalore Accorpamento di entità/relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 58

59 Partizionamento di entità Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Analogamente per le relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 59

60 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Eliminazione di attributi multivalore D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 60

61 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Accorpamento di entità/relazioni D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 61

62 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 62

63 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 63

64 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 64

65 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Entità e Relazioni Molti a Molti 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 65

66 Relazioni Ricorsive Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Prodotto(Codice, Nome, Costo) Composizione(Composto, Componente, Quantità) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 66

67 Relazioni N-arie Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Fornitore(PartitaIVA, Nome) Prodotto(Codice, Genere) Dipartimento(Nome, Telefono) Fornitura(Fornitore, Prodotto, Dipartimento, Quantità) D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 67

68 Relazioni Uno a Molti Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Giocatore(Cognome, DataNascita, Ruolo) Contratto(CognomeG, DataNascitaG, Squadra, Ingaggio) Squadra(Nome, Città, ColoriSociali) Soluzione corretta, ma ne esiste una più compatta... D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 68

69 Soluzione Più Compatta Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 69

70 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Entità con Identificazione Esterna 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 delle Basi di Dati 70

71 Relazione Uno a Uno Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Esistono varie possibilità: - fondere da una parte o dall altra - fondere tutto? D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 71

72 una Possibilità Privilegiata Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale Impiegato (Codice, Cognome, Stipendio) Dipartimento (Nome, Sede, Telefono, Direttore, InizioD) con vincolo di integrità referenziale, senza valori nulli D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 72

73 Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 73

74 Esempio Spaziale Ristrutturazione di Schemi ER Traduzione verso il Modello Relazionale 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 delle Basi di Dati 74

75 Strutture di Indicizzazione 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 delle Basi di Dati 75

76 Strutture di Indicizzazione Strutture di Indicizzazione - 1 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 delle Basi di Dati 76

77 Strutture di Indicizzazione Strutture di Indicizzazione - 2 Gli indici sono strutture di accesso ai dati utilizzate per rendere più veloce il recupero di record in presenza di determinate condizioni di ricerca D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 77

78 Problematiche Spaziali Strutture di Indicizzazione 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 delle Basi di Dati 78

79 Indici Spaziali Strutture di Indicizzazione Diverse tipologie di indici spaziali: - space driven: quadtree - data driven: R-tree D. Gubiani Progettazione delle Basi di Dati 79