Basi di dati Progettazione di basi di dati. Elena Baralis Politecnico di Torino

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1 Progettazione di basi di dati

2 Progettazione di basi di dati La progettazione di una base di dati è una delle attività del processo di sviluppo di un sistema informativo!va inquadrata nel contesto più ampio di ciclo di vita di un sistema informativo Modello E-R - 2

3 Ciclo di vita di un sistema informativo Studio di fattibilità Raccolta dei requisiti e analisi Progettazione Prototipazione Implementazione Validazione e testing Funzionamento Modello E-R - 3

4 Ciclo di vita di un sistema informativo Studio di fattibilità: determinazione dei costi delle diverse alternative e delle priorità di realizzazione delle componenti del sistema Raccolta e analisi dei requisiti:definizione delle proprietà e delle funzionalità del sistema informativo richiede interazione con l utente produce una descrizione completa, ma informale del sistema da realizzare Modello E-R - 4

5 Ciclo di vita di un sistema informativo Progettazione: suddivisa in progettazione dei dati e delle applicazioni. produce descrizioni formali Prototipazione: realizzazione rapida di una versione semplificata del sistema per valutarne le caratteristiche. può portare a modifica dei requisiti o revisione del progetto Modello E-R - 5

6 Ciclo di vita di un sistema informativo Implementazione: realizzazione del sistema informativo secondo le caratteristiche definite nella fase di progettazione Validazione e testing: verifica del corretto funzionamento e della qualità del sistema informativo Funzionamento: operatività del sistema richiede operazioni di gestione e manutenzione Modello E-R - 6

7 Progettazione di una base di dati La base di dati costituisce un componente importante del sistema complessivo!metodologia di progettazione basata sui dati: la progettazione della base di dati precede la progettazione delle applicazioni che la utilizzano attenzione maggiore alla fase di progettazione rispetto alle altre fasi Modello E-R - 7

8 Metodologia di progettazione Una metodologia di progettazione consiste in decomposizione dell attività di progetto in passi successivi indipendenti tra loro strategie da seguire nei vari passi e criteri per la scelta delle strategie modelli di riferimento per descrivere i dati d ingresso e di uscita delle varie fasi Modello E-R - 8

9 Progettazione basata sui dati Per le basi di dati, metodologia basata sulla separazione delle decisioni cosa rappresentare nella base di dati!progettazione concettuale come rappresentarlo!progettazione logica e fisica Modello E-R - 9

10 Fasi della progettazione di basi di dati Requisiti applicazione Progettazione concettuale Schema concettuale Progettazione logica Schema logico Progettazione fisica Schema fisico Modello E-R -10

11 Progettazione concettuale Rappresentazione delle specifiche informali sotto forma di schema concettuale descrizione formale e completa, che fa riferimento ad un modello concettuale indipendenza dagli aspetti implementativi (modello dei dati) obiettivo è la rappresentazione del contenuto informativo della base di dati Modello E-R -11

12 Progettazione logica Traduzione dello schema concettuale nello schema logico fa riferimento al modello logico dei dati prescelto si usano criteri di ottimizzazione delle operazioni da fare sui dati qualità dello schema verificata mediante tecniche formali (normalizzazione) Modello E-R -12

13 Progettazione fisica Specifica dei parametri fisici di memorizzazione dei dati (organizzazione dei file e degli indici) produce un modello fisico, che dipende dal DBMS prescelto Modello E-R -13

14 Il modello E-R (Entity-Relationship) E` il modello concettuale più diffuso Fornisce costrutti per descrivere le specifiche sulla struttura dei dati in modo semplice e comprensibile con un formalismo grafico in modo indipendente dal modello dei dati, che può essere scelto in seguito Ne esistono numerose varianti Modello E-R -14

15 Costrutti principali del modello E-R Entità Relationship Attributi Identificatori Generalizzazioni e sottoinsiemi Modello E-R -15

16 Entità Nome entità Rappresenta classi di oggetti del mondo reale (persone, cose, eventi,...), che hanno proprietà comuni esistenza autonoma Esempi: dipendente, vendita, articolo Un occorrenza di un entità è un oggetto della classe che l entità rappresenta Modello E-R -16

17 Relationship Nome relationship Rappresenta un legame logico tra due o più entità Esempi: esame tra studente e corso, residenza tra persona e città Da non confondere con la relazione del modello relazionale a volte tradotto con il termine associazione Modello E-R -17

18 Esempi di relationship Studente Esame Corso Persona Residenza Comune Nascita Modello E-R -18

19 Occorrenze di relationship Un occorrenza di una relationship è una n-upla (coppia nel caso di relazione binaria) costituita da occorrenze di entità, una per ciascuna delle entità coinvolte Non vi possono essere n-uple identiche Studente s 1 s 2 s 3 e 1 e 2 e 3 e 4 c1 c 2 c 3 e 5!Non è possibile che uno studente sostenga due volte lo stesso esame c 4 Corso Modello E-R -19

20 Relationship ternaria Studente Esame Corso Tempo Uno studente può ripetere lo stesso esame in tempi diversi Esempio di istanza di esame s 1 c 1 t 1 s 1 c 1 t 2... Modello E-R -20

21 Occorrenze di relationship ternaria Studente s 1 e 1 e 2 c 1 e3 Corso s 2 e 4 c 2 t 1 t 2 Tempo Modello E-R -21

22 Relationship ricorsiva Via Padre Persona Figlio Incrocio Genitore Relationship di un entità con se stessa Se la relationship non è simmetrica, occorre definire i due ruoli dell entità Modello E-R -22

23 Attributo Descrive una proprietà elementare di un entità o di una relazione Esempi: cognome, nome, matricola sono attributi che descrivono l entità studente voto è un attributo che descrive la relationship esame Ogni attributo è caratterizzato dal dominio, l insieme dei valori ammissibili per l attributo Nome attributo Modello E-R -23

24 Codice Fiscale Nome Cognome Persona Esempi di attributi Residenza Comune Data Trasferimento Nome Provincia Nome Cognome Matricola Studente Nascita Esame Tempo Data Nascita Voto Data Corso Nome Docente Codice Nome Modello E-R -24

25 Attributo composto Nome attr. 1 Nome attr. composto Nome attr. 2 Nome attr. i Raggruppamento di attributi affini per significato o per uso Esempio Via Indirizzo Numero Civico CAP Modello E-R -25

26 Cardinalità delle relationship Sono specificate per ogni entità che partecipa ad una relationship Descrivono numero minimo e massimo di occorrenze di una relationship a cui può partecipare una occorrenza di un entità minimo assume i valori 0 (partecipazione opzionale) o 1 (partecipazione obbligatoria) massimo varia tra 1 (al più una occorrenza) e N (numero arbitrario di occorrenze) Modello E-R -26

27 Cardinalità delle relationship Corrispondenza 1 a 1 Professore Rettore (0,1) (1,1) Università r 1 p 1 u1 Professore p 2 p 4 p 3 r 2 u2 Università Modello E-R -27

28 Cardinalità delle relationship Corrispondenza 1 a N Persona Residenza (1,1) (1,N) Comune r 1 p 1 r 2 c1 Persona p 2 p 4 p 3 r 3 c2 Comune r 4 Modello E-R -28

29 Cardinalità delle relationship Corrispondenza molti a molti Esame Superato Studente (0,N) (0,N) Corso e 1 Studente s 4 s 1 s 2 s 3 e 2 e 3 c1 c 2 c3 Corso e 4 Modello E-R -29

30 Relationship ternaria Esame Studente (0,N) (0,N) Corso (1,N) Tempo Modello E-R -30

31 Osservazioni Le cardinalità minime raramente sono 1 per tutte le entità coinvolte in una relationship Le cardinalità massime di una relationship n-aria sono (praticamente) sempre N!se la partecipazione di un entità E ha cardinalità massima 1, è possibile eliminare la relationship n-aria e legare l entità E con le altre mediante relationship binarie Modello E-R -31

32 Cardinalità di un attributo Può essere specificata per gli attributi di entità o relationship Descrive numero minimo e massimo di valori dell attributo associati ad una occorrenza di un entità o di una relationship se è omessa corrisponde ad (1,1) minima 0 corrisponde ad attributo che ammette il valore nullo massima N corrisponde ad attributo che può assumere più di un valore per la stessa occorrenza (attributo multivalore) Modello E-R -32

33 Cardinalità di un attributo Codice Fiscale Nome Cognome Persona Professione (0,1) Titolo Studio (0,N) Modello E-R -33

34 Identificatore E` specificato per ogni entità Descrive i concetti (attributi e/o entità) dello schema che permettono di individuare in modo univoco le occorrenze delle entità ogni entità deve avere almeno un identificatore può esistere più di un identificatore appropriato per un entità Modello E-R -34

35 Identificatore interno Semplice: costituito da un solo attributo Codice Fiscale Nome Cognome Persona Composto: costituito da più attributi Data Nascita Nome Cognome Persona Professione Modello E-R -35

36 Cognome Nome Identificatore esterno Matricola Iscrizione Studente (1,1) (0,N) Università Nome Città L entità che non dispone internamente di attributi sufficienti per definire un identificatore è denominata entità debole L entità debole deve partecipare con cardinalità (1,1) in ognuna delle relationship che forniscono parte dell identificatore Modello E-R -36

37 Identificatore esterno Numero Descrizione Data Ordine Prodotto Prezzo (0,N) (0,N) Codice Prodotto In (1,1) Linea Ordine (1,1) Quantità Per E` possibile rappresentare nello stesso ordine più linee ordine per lo stesso prodotto? Modello E-R -37

38 Osservazioni Un identificatore esterno può coinvolgere un entità a sua volta identificata esternamente!non si devono generare cicli di identificazione Le relationship non hanno identificatori Modello E-R -38

39 Generalizzazione E E 1 E 2... E n Descrive un collegamento logico tra un entità E, e una o più entità E 1, E 2,, E n, in cui E comprende come caso particolare E 1, E 2,, E n E, detta entità padre, è una generalizzazione di E 1, E 2,, E n E 1, E 2,, E n, dette entità figlie, sono una specializzazione di E Modello E-R -39

40 Generalizzazione: esempio Codice Fiscale Nome Cognome Persona Situazione Militare Uomo Donna Persona Uomo Donna Modello E-R -40

41 Generalizzazione: esempio Numero Tessera Nome Cognome Sportivo Specialità Sciatore Velista Ruolo né sciatore, né velista Sportivo Sciatore Velista sia sciatore, sia velista Modello E-R -41

42 Generalizzazione: proprietà Ogni occorrenza di un entità figlia è anche un occorrenza dell entità padre Ogni proprietà dell entità padre (attributi, identificatori, relationship, altre generalizzazioni) è anche una proprietà di ogni entità figlia!proprietà nota come ereditarietà Un entità può essere coinvolta in più generalizzazioni diverse Modello E-R -42

43 Generalizzazione: esempio non corretto Codice Fiscale Nome Situazione Militare (0,1) Persona Cognome Uomo Donna Cognome Modello E-R -43

44 Generalizzazione: proprietà Caratteristiche ortogonali: generalizzazione totale se ogni occorrenza dell entità padre è un occorrenza di almeno una delle entità figlie, parziale altrimenti esclusiva se ogni occorrenza dell entità padre è al più un occorrenza di una delle entità figlie, sovrapposta altrimenti Modello E-R -44

45 Generalizzazione: esempio Codice Fiscale Situazione Militare Nome Cognome Uomo Persona (t,e) Donna Persona Uomo Donna Modello E-R -45

46 Generalizzazione: esempio Numero Tessera Nome Cognome Sportivo (p,s) Specialità Sciatore Velista Ruolo né sciatore, né velista Sportivo Sciatore Velista sia sciatore, sia velista Modello E-R -46

47 Sottoinsieme Caso particolare di generalizzazione con una sola entità figlia la generalizzazione è sempre parziale e esclusiva Dipendente A Termine Data Fine Contratto Modello E-R -47

48 Documentazione di schemi E-R Dizionario dei dati: permette di arricchire lo schema E-R con descrizioni in linguaggio naturale di entità, relationship ed attributi Vincoli d integrità sui dati: non sempre possono essere indicati esplicitamente in uno schema E- R; possono essere descritti in linguaggio naturale Regole di derivazione dei dati: permettono di esplicitare che un concetto dello schema può essere ottenuto (mediante inferenza o calcolo aritmetico) da altri concetti dello schema Modello E-R -48

49 Fasi della progettazione di basi di dati Requisiti applicazione Progettazione concettuale Schema concettuale Progettazione logica Schema logico Progettazione fisica Schema fisico Modello E-R -49

50 Raccolta e analisi dei requisiti Raccolta dei requisiti: individuazione di problemi che l applicazione dovrà risolvere caratteristiche statiche e dinamiche dell applicazione Analisi dei requisiti: chiarimento ed organizzazione delle specifiche!attività interconnesse e difficilmente standardizzabili Modello E-R -50

51 Fonti di requisiti Utenti dell applicazione interviste documentazione scritta Documentazione esistente normative, regolamenti interni moduli Realizzazioni preesistenti applicazioni da sostituire o con cui è necessario interagire Modello E-R -51

52 Raccolta dei requisiti Gli utenti del sistema hanno un ruolo importante gli utenti di alto livello hanno una visione più generale, ma non conoscono i dettagli utenti diversi possono fornire informazioni diverse (complementari o contradditorie) Modello E-R -52

53 Raccolta dei requisiti Regole pratiche effettuare verifiche di comprensione e consistenza delle informazioni raccolte verificare anche per mezzo di esempi (generali e relativi a casi limite) richiedere definizioni e classificazioni individuare gli aspetti essenziali rispetto a quelli marginali procedere per raffinamenti successivi Modello E-R -53

54 Analisi dei requisiti Regole pratiche scegliere il livello di astrazione corretto standardizzare la struttura delle frasi evitare frasi contorte individuare sinonimi/omonimi e unificare i termini rendere esplicito il riferimento tra termini costruire un glossario dei termini Modello E-R -54

55 Progettazione concettuale Sono state proposte varie strategie di progetto La più efficace è una strategia ibrida si individuano i concetti fondamentali (entità e relazioni importanti) si raffina progressivamente il progetto iniziale, aggiungendo attributi, cardinalità delle relazioni, gerarchie, altre entità e relazioni Se il problema è molto complesso, può essere suddiviso in sottoproblemi, risolti separatamente ed integrati in seguito Modello E-R -55

56 Progettazione concettuale: criteri generali Se un concetto ha proprietà significative o descrive classi di oggetti con esistenza autonoma!entità Se un concetto ha struttura semplice e non possiede proprietà rilevanti!attributo (eventualmente multivalore) Se due o più concetti sono correlati!relationship Se un concetto è caso particolare di un altro!gerarchia Modello E-R -56

57 Qualità di uno schema concettuale Correttezza: uso appropriato dei costrutti del modello!verificare errori sintattici e semantici Completezza: rappresentazione di tutti i concetti di interesse Leggibilità Minimalità: tutte le specifiche sono rappresentate una volta sola nello schema!verifica e documentazione di eventuali ridondanze Modello E-R -57

58 Esempio di progettazione Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale. Per ogni madre si conosce il nome, l età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno). Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il personale è suddiviso in medici, ostetriche e infermiere. I medici possono essere ginecologi o pediatri. Modello E-R -58

59 Esempio di progettazione Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate). Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto. Modello E-R -59

60 Esempio di progettazione Analisi del testo volta ad individuare i concetti più importanti!le entità principali del diagramma E-R!eventuali collegamenti tra entità Modello E-R -60

61 Esempio di progettazione Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale. Per ogni madre si conosce il nome, l età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno). Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il personale è suddiviso in medici, ostetriche e infermiere. I medici possono essere ginecologi o pediatri. Modello E-R -61

62 Esempio di progettazione Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate). Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto. Modello E-R -62

63 Esempio di progettazione Concetti principali paziente (mamma, neonato) membro del personale (medico, ) turno Turno DiTurno Paziente Assiste Personale Modello E-R -63

64 Esempio di progettazione Raffinamento dei concetti introduzione delle gerarchie definizione degli attributi caratterizzazione delle relazioni mediante la cardinalità Modello E-R -64

65 Esempio di progettazione Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale. Per ogni madre si conosce il nome, l età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno). Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il personale è suddiviso in medici, ostetriche e infermiere. I medici possono essere ginecologi o pediatri. Modello E-R -65

66 Esempio di progettazione Madre Neonato (t,e) Paziente Personale (t,e) Medico Ostetrica Infermiera Modello E-R -66

67 Esempio di progettazione Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale. Per ogni madre si conosce il nome, l età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno). Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il personale è suddiviso in medici, ostetriche e infermiere. I medici possono essere ginecologi o pediatri. Modello E-R -67

68 Esempio di progettazione Malattia (0,N) DataNascita Dieta (0,1) Tipo Parto NumStanza Madre Letto Nome Nascita (t,e) Paziente Neonato Personale (t,e) Medico Ostetrica Infermiera Modello E-R -68

69 Esempio di progettazione Si vogliono rappresentare le informazioni relative al reparto maternità di un ospedale. Per ogni madre si conosce il nome, l età, il tipo di parto effettuato (cesareo o naturale), il numero di letto e di stanza, eventuali malattie. Per ogni neonato, si conosce il nome, la madre, il numero di lettino, la dieta (quantità di latte al giorno). Inoltre si rappresentano le informazioni relative al personale: nome e numero di matricola. Il personale è suddiviso in medici, ostetriche e infermiere. I medici possono essere ginecologi o pediatri. Modello E-R -69

70 Esempio di progettazione Malattia (0,N) DataNascita Dieta (0,1) Tipo Parto NumStanza Madre Letto Nome Nascita (t,e) Paziente Neonato Matricola Nome Personale (t,e) Specializz. Medico Ostetrica Infermiera Modello E-R -70

71 Esempio di progettazione Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate). Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto. Modello E-R -71

72 Esempio di progettazione Ora Inizio Ora Fine Malattia (0,N) DataNascita Dieta Turno Data CodT (0,1) Tipo Parto NumStanza Madre Letto Nome Nascita (t,e) Paziente Neonato Matricola Nome (t,e) Specializz. DiTurno Personale Medico Ostetrica Infermiera Modello E-R -72

73 Malattia (0,N) DataNascita Esempio di progettazione Dieta Numero Stanza Include Ora Inizio Ora Fine Turno Data CodT (0,1) Tipo Parto Madre Nascita Letto Nome (t,e) Paziente Neonato In Matricola Nome (t,e) Specializz. DiTurno Personale Medico Ostetrica Infermiera Modello E-R -73

74 Esempio di progettazione Per ogni componente del personale, si conosce il turno (per ogni giorno della settimana, la fascia oraria di presenza e le stanze assegnate). Inoltre, per i medici si conoscono i pazienti di cui si occupano, che possono anche essere indipendenti dalle stanze assegnate. Per ogni ostetrica si conoscono le mamme che ha assistito durante il parto. Modello E-R -74

75 Malattia (0,N) DataNascita Esempio di progettazione Dieta Numero Stanza Include Ora Inizio Ora Fine Turno Data CodT (0,1) Tipo Parto Assiste Madre Letto Nome Nascita (t,e) Paziente Cura Neonato In Matricola Nome (t,e) Specializz. DiTurno Personale Medico Ostetrica Infermiera Modello E-R -75

76 Malattia (0,N) (0,1) Tipo Parto Assiste DataNascita Madre (0,1) Letto Nome Esempio di progettazione (0,N) (1,1) Nascita Paziente (0,N) Cura (t,e) Dieta Neonato (1,1) Specializz. (0,N) Numero (0,N) In Stanza Matricola (1,N) (1,N) Include Personale (t,e) Turno Medico Ostetrica Infermiera (0,N) Nome Ora Inizio Ora Fine (0,N) Modello E-R -76 Data (1,N) CodT DiTurno