Sistemas de Banco de Dados

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1 Sistemas de Banco de Dados Brasília-DF, 2011.

2 Elaboração: Taylor Montedo Machado Produção: Equipe Técnica de Avaliação, Revisão Linguística e Editoração Sistemas de Banco de Dados 2

3 Sumário Apresentação Organização do Caderno de Estudos e Pesquisa Organização da Disciplina Introdução Unidade I Introdução à Modelagem Conceitual Capítulo 1 Bancos de Dados e seus Usuários Capítulo 2 Conceitos e Arquiteturas de um SGBD Capítulo 3 Modelagem de Dados Utilizando o MER Unidade II Introdução à Modelagem Conceitual Capítulo 4 Modelo de Dados Relacional Capítulo 5 Projeto de Banco de Dados Relacional Utilizando o MER Capítulo 6 SQL Structured Query Language Unidade III Teoria e Metodologia do Projeto de Banco de Dados Capítulo 7 Dependência Funcional e Normalização Capítulo 8 Metodologia para Projeto Prático de Banco de Dados Unidade IV Armazenagem de Dados, Indexação, Processamento de Consultas e Projeto Físico.. 95 Capítulo 9 Algoritmos para Processamento e Otimização de Consultas Capítulo 10 Técnicas de Controle de Concorrência Capítulo 11 Técnicas de Recuperação de Dados Para (não) Finalizar Referências Apêndice I Palavras-Chave do SQL Apêndice II Expressões de Valor Apêndice III Comandos SQL Pós-Graduação a Distância 3

4 Apresentação Caro aluno, Bem-vindo ao estudo da disciplina Sistemas de Banco de Dados. Este é o nosso Caderno de Estudos e Pesquisa, material elaborado com o objetivo de contribuir para a realização e o desenvolvimento de seus estudos, assim como para a ampliação de seus conhecimentos. Para que você se informe sobre o conteúdo a ser estudado nas próximas semanas, conheça os objetivos da disciplina, a organização dos temas e o número aproximado de horas de estudo que devem ser dedicadas a cada unidade. A carga horária desta disciplina é de 80 (oitenta) horas, cabendo a você administrar o tempo conforme a sua disponibilidade. Mas, lembre-se, há uma data-limite para a conclusão do curso, incluindo a apresentação ao seu tutor das atividades avaliativas indicadas. Os conteúdos foram organizados em unidades de estudo, subdivididas em capítulos, de forma didática, objetiva e coerente. Eles serão abordados por meio de textos básicos, com questões para reflexão, que farão parte das atividades avaliativas do curso; serão indicadas, também, fontes de consulta para aprofundar os estudos com leituras e pesquisas complementares. Desejamos a você um trabalho proveitoso sobre os temas abordados nesta disciplina. Lembre-se de que, apesar de distantes, podemos estar muito próximos. A Coordenação Sistemas de Banco de Dados 4

5 Organização do Caderno de Estudos e Pesquisa Apresentação: Mensagem da Coordenação. Organização da Disciplina: Apresentação dos objetivos e da carga horária das unidades. Introdução: Contextualização do estudo a ser desenvolvido por você na disciplina, indicando a importância desta para sua formação acadêmica. Ícones utilizados no material didático Provocação: Pensamentos inseridos no material didático para provocar a reflexão sobre sua prática e seus sentimentos ao desenvolver os estudos em cada disciplina. Para refletir: Questões inseridas durante o estudo da disciplina para estimulá-lo a pensar a respeito do assunto proposto. Registre sua visão sem se preocupar com o conteúdo do texto. O importante é verificar seus conhecimentos, suas experiências e seus sentimentos. É fundamental que você reflita sobre as questões propostas. Elas são o ponto de partida de nosso trabalho. Textos para leitura complementar: Novos textos, trechos de textos referenciais, conceitos de dicionários, exemplos e sugestões, para lhe apresentar novas visões sobre o tema abordado no texto básico. Sintetizando e enriquecendo nossas informações: Espaço para você fazer uma síntese dos textos e enriquecê-los com sua contribuição pessoal. Sugestão de leituras, filmes, sites e pesquisas: Aprofundamento das discussões. Praticando: Atividades sugeridas, no decorrer das leituras, com o objetivo pedagógico de fortalecer o processo de aprendizagem. Para (não) finalizar: Texto, ao final do Caderno, com a intenção de instigá-lo a prosseguir com a reflexão. Referências: Bibliografia consultada na elaboração da disciplina. Pós-Graduação a Distância 5

6 Organização da Disciplina Ementa: Sistemas de banco de dados. Sistemas de gerenciamento de banco de dados. Modelagem de dados. Modelos conceituais. O modelo relacional. Normalização. A linguagem SQL. Projeto de banco de dados. Implementação de SGBDs. Armazenamento de dados. Estruturas de índices. Processamento e otimização de consultas. Processamento de transações. Controle de concorrência. Recuperação. Objetivos: Contribuir para a capacitação do participante quanto à análise, planejamento, estruturação e implementação de sistemas de gerenciamento de banco de dados. Apresentar aos participantes os principais conceitos sobre modelagem, projeto, implementação de sistemas de gerenciamento de banco de dados. Estimular a conscientização das potencialidades e restrições inerentes aos sistemas de gerenciamento de banco de dados. Unidade I Introdução à Modelagem Conceitual Carga horária: 20 horas Conteúdo Capítulo Banco de Dados e seus Usuários 1 Conceitos e Arquiteturas de um SGBD 2 Modelagem de Dados Usando o MER 3 Unidade II Introdução à Modelagem Conceitual Carga horária: 20 horas Conteúdo Capítulo O Modelo de Dados Relacional 4 Projeto de Banco de Dados Relacional Utilizando o MER 5 SQL Structured Query Language 6 Unidade III Teoria e Metodologia do Projeto de Banco de Dados Carga horária: 20 horas Conteúdo Capítulo Dependência Funcional e Normalização 7 Metodologia para Projeto Prático de Banco de Dados 8 Sistemas de Banco de Dados Unidade IV Armazenamento de Dados, Indexação, Processamento de Consultas e Projeto Físico Carga horária: 20 horas Conteúdo Capítulo Algoritmos para processamento e Otimização de Consultas 9 Técnicas de Controle de Concorrência 10 Técnicas de Recuperação de Dados 11 6

7 Introdução Ao olharmos para os processos modernos que nos prestam serviços ou mesmo nos que somos os próprios prestadores de serviços, é possível inferir que existem gigantescas bases de dados que dão suporte ou até mesmo gerenciam nossas vidas. Questões como a nossa conta bancária. As instituições bancárias mantêm bancos de dados que permitem o gerenciamento de todas as transações financeiras realizados. São esses registros que permitem que seja possível acompanhar saldos, aplicações, saques e manter todo histórico de cada conta de cada cliente. Processos como a apuração das eleições ou mesmo o processamento da declaração do imposto de renda também são suportados por bancos de dados mantidos pelo governo e que permitem que seja possível, como no caso deste último, acompanhar o histórico de cada cidadão. Pós-Graduação a Distância 7

8 Sistemas de Banco de Dados 8

9 Unidade I Introdução à Modelagem Conceitual Capítulo 1 Bancos de Dados e seus Usuários Hoje em dia o termo banco de dados é bastante popular em diversas áreas de atuação. Com o aumento da utilização de computadores na manipulação de dados que envolvem diversas aplicações, os bancos de dados estão sendo desenvolvidos e aplicados nas diferentes áreas que envolvem o comércio, a indústria, a pesquisa acadêmica, entre outras. 1. Introdução Segundo Silberschatz (2006), um banco de dados é um conjunto de dados inter-relacionados. Podemos afirmar que esses bancos possuem informações que representam o dia a dia de uma empresa, de uma loja, de uma locadora de vídeo, enfim, de qualquer ambiente que possa ter suas informações coletadas e representadas de uma forma organizada. Tais bancos de dados, além de manter todo esse volume de dados organizado, também devem permitir atualizações, inclusões e exclusões de dados, sem nunca perder a consistência. E, além disso, é necessário considerar que muitas vezes estaremos lidando com vários acessos simultâneos e concorrentes em várias partes diferentes de nosso banco de dados. Heuser (2001) define dado como sendo um fato do mundo real que está registrado e possui um significado implícito no contexto de um domínio de aplicação. Um banco de dados possui as seguintes propriedades: é uma coleção lógica coerente de dados com um significado inerente; uma disposição desordenada dos dados não pode ser referenciada como um banco de dados; é projetado, construído e populado com dados para um propósito específico; um banco de dados possui um conjunto pré-definido de usuários e aplicações; é representado por algum aspecto do mundo real, o qual é chamado de minimundo; qualquer alteração efetuada no minimundo é automaticamente refletida no banco de dados. Um banco de dados pode ser criado e mantido por um conjunto de aplicações desenvolvidas especialmente para a tarefa, denominada Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados (SGBD). Um SGBD permite aos usuários criar e manipular bancos de dados de propósitos gerais. Silberschatz (2006) define SGBD como sendo uma coleção de dados inter-relacionados e um conjunto de programas para acessar esses dados. Pós-Graduação a Distância 9

10 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I 1.1. Metadados Uma característica importante da abordagem Banco de Dados é que o SGBD mantém não somente os dados, mas também a forma como esses são armazenados, uma vez que contém uma descrição completa do banco de dados. Essas informações são armazenadas no catálogo do SGBD, o qual contém informações como a estrutura de cada arquivo, o tipo e o formato de armazenamento de cada tipo de dado, restrições. Segundo Heuser (2001), o conjunto de informações armazenadas no catálogo de dados é denominado Metadados. No processamento tradicional de arquivos, o programa que irá manipular os dados deve conter este tipo de informação, ficando limitado a manipular as informações que ele conhece. Por outro lado, utilizando a abordagem banco de dados, a aplicação pode manipular diversas bases de dados diferentes Programas versus Dados O processamento tradicional de arquivos pressupõe que a estrutura de dados está incorporada ao próprio programa de acesso. Assim sendo, uma alteração na estrutura de arquivos resulta na alteração do código fonte de todos os programas. Porém, a abordagem de banco de dados permite que as alterações sejam efetuadas apenas no catálogo de dados, sem necessitar alterações nos programas de acesso Abstração de Dados Uma das funções de um SGBD é fornecer aos usuários uma representação conceitual dos dados sem que, para tanto, necessite fornecer muitos detalhes de como os dados estão armazenados. Um Modelo de Dados é uma forma de abstração dos dados que é utilizada para fornecer essa representação conceitual, utilizando conceitos lógicos como objetos, suas propriedades e seus relacionamentos (ALVES, 2004). Os níveis de abstração têm como função, inclusive, ocultar a complexidade e simplificar o processo de interação com os usuários. Sob esse ponto de vista, podemos classificar a abstração em três níveis (SILBERSCHATZ, 2006). Físico: é o nível de abstração mais baixo e descreve como os dados são realmente armazenados no banco de dados. Nesse nível, um registro de dado pode ser descrito como um bloco consecutivo de memória. Lógico: é nível de abstração intermediário, que descreve que os dados estão armazenados no banco de dados e quais são as relações existentes entre eles. Nesse nível, um registro de dado é descrito por um tipo definido (como um tipo em linguagem de programação) e as inter-relações entre dados são definidas. Visualização: é o nível de abstração mais alto, que descreve a parte do banco de dados de maior interesse para o usuário final. Nesse nível, podemos dizer que se trata de subconjunto de dados que podem existir apenas durante a execução de uma operação Múltiplas Visões de Dados Sistemas de Banco de Dados Uma vez que um banco de dados deve permitir o acesso de um conjunto diverso de usuários a todo o seu conteúdo, é possível inferir que cada usuário, ou grupo de usuários, pode ter uma necessidade específica. Desse modo, é necessário que cada conjunto de usuário tenha a possibilidade de ter visões diferentes da base de dados. Assim, uma visão é definida como um subconjunto de uma base de dados, formando desse modo, um conjunto virtual de informações (SILBERSCHATZ, 2006). 10

11 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I 2. Usuários Em todo grande banco de dados existe um grande número de pessoas envolvidas que varia desde sua concepção e seu projeto até sua manutenção Administrador de Banco de Dados (DBA) Um ambiente de banco de dados envolve vários recursos que vão desde o banco de dados em si até o SGBD e outros softwares. Cabe ao Administrador de Banco de Dados (DBA) o seu gerenciamento, envolvendo tarefas como a autorização de acesso a ele, a sua coordenação e a monitoração de seu uso Projetista de Banco de Dados Cabe ao Projetista de Banco de Dados a identificação dos dados que devem ser armazenados, bem como a definição da estrutura adequada para representá-los e armazená-los. É função do projetista também avaliar as necessidades de cada grupo de usuários para definir as visões que serão necessárias, integrando-as, fazendo com que o banco de dados seja capaz de atender a todas as necessidades dos usuários Usuários Finais Os usuários finais são as pessoas que utilizam o banco de dados fazendo consultas, atualizações e gerando documentos. Podemos agrupar esses usuários em três categorias: casuais: acessam o banco de dados casualmente, mas podem necessitar de diferentes informações a cada acesso; utilizam sofisticadas linguagens de consulta para especificar suas necessidades; novatos ou paramétricos: utilizam porções predefinidas do banco de dados, valendo-se de consultas preestabelecidas que já foram exaustivamente testadas; usuários avançados: são usuários que estão familiarizados com o SGBD e realizam consultas complexas Analistas de Sistemas e Programadores de Aplicações Os Analistas de Sistemas são responsáveis pela determinação dos requisitos dos usuários finais e pelo desenvolvimento das especificações para atender aos requisitos mapeados. Por sua vez, os Programadores são responsáveis pela implementação das especificações definidas na forma de programas, testando, depurando, documentando e dando manutenção. 3. Esquemas de Dados Segundo Silberschatz (2006), os esquemas de dados dizem respeito ao projeto geral do banco de dados e é um aspecto que raramente é modificado. Um esquema de base de dados é especificado durante o projeto da base de dados e a forma de visualização de um esquema é chamada Diagrama do Esquema. Os SGBDs possuem vários esquemas de banco de dados que variam em função do nível de abstração dos dados: esquema físico: tem como objetivo descrever o projeto do banco de dados no nível físico; esquema lógico: diz respeito à descrição do banco de dados no nível lógico; subesquema de visualização: diz respeito à descrição das visualizações possíveis para um banco de dados. Muitos modelos de dados têm certas convenções para, diagramaticamente, mostrar esquemas especificados neles. Pós-Graduação a Distância 11

12 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I Alguns autores defendem que uma das maiores contribuições dos primeiros SGBDs foi introduzir a separação entre os dados armazenados e a descrição da estrutura dos dados, o esquema de dados. 4. Vantagens e desvantagens do uso de um SGBD Como toda e qualquer ferramenta, o uso de banco de dados apresenta um conjunto de vantagens e desvantagens quanto ao seu uso Desvantagens Altos Custos As organizações têm se tornado cada vez mais complexas e os processos de negócio, por sua vez, refletem a necessidade da disponibilidade de dados de forma rápida, precisa e flexível. Como conseqüência, os bancos de dados acabam por se tornar cada vez mais complexos, volumosos e onerosos. Apesar dos custos relativos ao armazenamento de dados estarem sendo reduzidos em ritmo acelerado, juntamente com a popularização do hardware necessário, aspectos como a concepção, o gerenciamento e a manutenção de bancos de dados cada vez mais pesam no orçamento de seu projeto. Por vezes, os custos podem se tornar um empecilho para a adoção de um banco de dados Gerenciamento e Manutenção A par e passo com a evolução da necessidade de informações, os bancos de dados também necessitam de manutenção evolutiva e/ou corretiva. Uma vez que um processo na organização, que é suportado por um banco de dados, sofre alguma mudança, a necessidade de informações para geri-lo adequadamente também muda. Além disso, a evolução tecnológica dos SGBDs imprime a necessidade de ajustes de versão de software e/ou upgrades para que seja possível usufruir dos benefícios que estes sistemas oferecem. Desse modo, a necessidade de uma estrutura para gerenciar o banco de dados, bem como a necessidade de mantê-lo, gera custos que podem tornar o seu uso proibitivo Vantagens Controle de Redundância No processamento tradicional de tratamento de arquivos, é necessário que cada grupo de usuários mantenha seu próprio conjunto de arquivos e dados, o que pode fazer com que acabe ocorrendo redundâncias que prejudiquem o sistema com problemas como: toda vez que for necessário atualizar um arquivo de um grupo, todos os grupos devem ser atualizados para manter a integridade dos dados no ambiente como um todo; Sistemas de Banco de Dados a redundância desnecessária de dados leva ao armazenamento excessivo de informações, ocupando espaço que poderia estar sendo utilizado com outras informações Compartilhamento de Dados A utilização de um SGBD permite que múltiplos usuários acessem o banco de dados ao mesmo tempo, permitindo que múltiplas aplicações integradas possam acessá-lo. O SGBD multiusuário necessita manter o controle de acessos simultâneos (concorrência) para assegurar a qualidade do resultado de atualizações, bem como fornecer recursos que permitam a construção de múltiplas visões. 12

13 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I Restrição a Acesso não Autorizado Um SGBD permite que seja criado um subsistema de autorização e segurança, o qual é utilizado pelo DBA para criar contas de acesso e especificar as restrições de cada conta, sendo estendido tanto para acesso aos dados quanto ao uso de softwares inerentes ao SGBD Representação de Relacionamentos Complexos entre Dados Um banco de dados permite que seja catalogada uma variedade de dados que estão inter-relacionados de várias formas. Por sua vez, um SGBD fornece uma série de recursos para representar uma grande variedade de relacionamentos entre os dados, bem como recuperá-los e atualizá-los de maneira prática e eficiente Padronização A abordagem de base de dados permite que o DBA defina e obrigue a padronização entre os usuários da base de dados em grandes organizações. Isso facilita a comunicação e a cooperação entre vários departamentos, projetos e usuários. Padrões podem ser definidos para formatos de nomes, elementos de dados, telas, relatórios, terminologias. É possível utilizar esse recurso, com maior facilidade, em um ambiente de base de dados centralizado, em comparação com um ambiente onde cada usuário ou grupo tem o controle de seus próprios arquivos e programas de aplicação Flexibilidade Mudanças nos requisitos podem acarretar a necessidade de modificações na estrutura de um banco de dados. Por exemplo, um novo grupo de usuários pode surgir com necessidade de informações adicionais, ainda não disponíveis na base de dados. Alguns SGBDs permitem que tais mudanças na estrutura da base de dados sejam realizadas sem afetar a maioria dos programas de aplicações existentes Redução do Tempo de Desenvolvimento de Aplicações Uma das características mais significativas da abordagem de base de dados é o tempo reduzido para o desenvolvimento de novas aplicações, como a recuperação de certos dados da base de dados para a impressão de novos relatórios. Projetar e implementar uma nova base de dados pode tomar mais tempo do que escrever uma simples aplicação especializada de arquivos. Porém, uma vez que a base de dados esteja em uso, geralmente é bastante reduzidoo tempo para se criar novas aplicações, usando-se os recursos de um SGBD. O tempo para se desenvolver uma nova aplicação em um SGBD é estimado em 1/4 a 1/6 do tempo de desenvolvimento, usando-se apenas o sistema de arquivos tradicional, devido às facilidades de interfaces disponíveis em um SGBD Disponibilidade de Informações Atualizadas A abordagem de banco de dados permite que tão logo um usuário modifique uma base de dados, todos os outros usuários podem usufruir imediatamente dessa modificação. Essa disponibilidade de informações atualizadas é essencial para muitas aplicações, tais como sistemas de reservas de passagens aéreas ou bases de dados bancárias Economia de Escala A abordagem de banco de dados permite a consolidação de dados e de aplicações, reduzindo-se, desse modo, o desperdício em atividades redundantes de processamento em diferentes projetos ou departamentos Quando não Utilizar um SGBD Não raro, o uso de um SGBD pode representar um acréscimo desnecessário de custos, se comparado à abordagem de processamento tradicional de arquivos. Exemplificando, podemos ter: Pós-Graduação a Distância 13

14 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I alto investimento inicial na compra de software e hardware adicionais; generalidade que um SGBD fornece na definição e processamento de dados; sobrecarga na provisão de controle de segurança, de controle de concorrência, na recuperação e na integração de funções. É necessário reconhecer que problemas adicionais podem ocorrer como da resultado especificação inadequada do projeto e/ou da implementação das aplicações de forma não apropriada. Caso o DBA não administre o banco de dados de forma adequada, tanto a segurança quanto a integridade dos sistemas podem ser comprometidas. A sobrecarga causada pelo uso de um SGBD e a má administração justificam a utilização da abordagem de processamento tradicional de arquivos em casos como: o banco de dados e as aplicações sejam simples, bem-definidos e não sejam esperadas mudanças no projeto; sejá necessário processamento em tempo real de certas aplicações, que são terrivelmente prejudicadas pela sobrecarga causada pelo uso de um SGBD; não haja múltiplo acesso ao banco de dados. 5. Um Breve Histórico da Aplicação de Banco de Dados Entre a década de 1950 e o início dos anos 1960, as fitas magnéticas eram utilizadas para o armazenamento de dados e as tarefas de processamento de dados eram efetuadas quase que de forma mecanizada. Os registros também podiam ser alimentados por decks de cartão perfurado e necessitavam que fossem carregados seqüencialmente, na mesma ordem em que estavam gravados nas fitas magnéticas. No final dos anos 1960, a tecnologia de armazenamento em discos rígidos levou a uma mudança radical no cenário do processamento de dados, pois permitiam o acesso direto aos dados, independentemente de sua posição no disco. Entre as décadas de 1960 e 1970, várias pesquisas foram desenvolvidas no sentido de desenvolver tecnologias que permitissem a simplificação dos processos de escritório que conduziram à automação. Tarefas como armazenar e organizar arquivos, que dependiam única e exclusivamente de mão-de-obra intensiva, poderiam ser simplificadas com o uso de soluções mecânicas mais eficientes e mais baratas. Desse modo, muitas pesquisas foram desenvolvidas e resultaram na criação dos modelos hierárquicos, de rede e relacionais. Nesse cenário, empresas, como a IBM, tomaram a dianteira e, em 1970, um pesquisador daquela empresa, Ted Codd, publicou o primeiro artigo sobre bancos de dados relacionais, que tratava de um método que permitia que usuários não técnicos pudessem armazenar e recuperar grande quantidade de dados, a partir da utilização de comandos que manipulassem dados armazenados em tabelas. Sistemas de Banco de Dados 14 Na década de 1980, com base nesse estudom, a IBM montou um grupo de pesquisa conhecido como Sistema R (System R) que objetivava a criação de um banco de dados relacional que tivesse viabilidade comercial. O primeiro sistema comercial baseado no conceito desenvolvido pela IBM, foi lançado em 1976 pela Honeywell Information Systems Inc. No entanto, o primeiro SGBD construído nos padrões SQL só começou a surgir no mercado a partir do início da década de 1980 com o Oracle 2, da empresa Oracle, e, posteriormente, com o SQL/DS, da IBM. No início da década de 1990, um dos produtos do Sistema R foi a criação de uma linguagem denominada SQL Structured Query Language (Linguagem de Consulta Estruturada). A linguagem SQL tornou-se um padrão na indústria para bancos de dados relacionais e hoje em dia, é um padrão ISO (International Organization for Standardization 1 ), o que permitiu o desenvolvimento e refinamento de softwares de banco de dados relacionais. Outros aspectos relevantes que contribuíram para o refinamento e popularização dos bancos de dados relacionais foram: o retorno que os usuários desses sistemas davam para o aprimoramento da linguagem, o desenvolvimento de sistemas para novas indústrias e 1 A ISO é a organização internacional de padronização responsável pelos padrões técnicos internacionais

15 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I aumento do uso de computadores pessoais e sistemas distribuídos. O padrão SQL passou da IBM para a ANSI (American National Standards Institute) Instituto Nacional Americano para Padrões que, juntamente com a ISO, formaram um grupo de trabalho para continuar o desenvolvimento. Este desenvolvimento ainda acontece com outras novas versões dos padrões definidos até os dias atuais. O final da década de 1990 foi marcado pela massificação do uso da World Wide Web (WWW), fazendo com que os sistemas de banco de dados tivessem de trabalhar com taxas de processamento de transação cada vez maiores e disponibilidade de 24x7, ou seja, disponibilidade 24 horas por dia, 7 dias por semana. Em meados de 2000, surge a Linguagem Extensível de Formatação ou Extended Markup Language (XML) como uma nova tecnologia de banco de dados. O XML é uma especificação técnica desenvolvida pela W3C World Wide Web Consortium 1. Pós-Graduação a Distância 1 A W3C é a entidade responsável pela definição da área gráfica da internet. (http://www.w3.org). 15

16 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I Capítulo 2 Conceitos e Arquiteturas de um SGBD Tenha certeza da completa compreensão das informações organizacionais durante o estudo de Modelagem Conceitual, pois inseguranças durante os estágios posteriores da disciplina podem ser extremamente caras, prejudicando a aprendizagem. 1. Modelos de Dados, Esquemas e Instâncias 1.1. Esquemas e Instâncias Uma distinção importante para qualquer modelo de dados é a que deve ser feita entre a descrição do banco de dados e o próprio banco. A descrição de um banco de dados é chamada de esquema de um banco de dados e é especificada durante o projeto do banco de dados. Geralmente, poucas mudanças ocorrem no esquema do banco de dados. Uma instância 1 do banco de dados diz respeito à coleção de dados armazenados em um banco de dados em um determinado momento (SILBERSCHATZ, 2006). A instância modifica toda vez que uma alteração no banco de dados é feita. O SGBD é responsável por garantir que toda instância do banco de dados satisfaça o seu esquema do banco de dados, respeitando sua estrutura e suas restrições. O esquema de um banco de dados também pode ser chamado de intensão de um banco de dados e a instância, de extensão de um banco de dados. A diferenciação entre esquema e instância de um banco de dados pode ser melhor compreendida fazendo uma analogia com um programa, conforme ilustrado na Figura 2.1. Figura 2.1 Analogia entre um Programa e um Banco de Dados Sistemas de Banco de Dados 1.2. Modelos de Dados Declaração da Variável PROGRAMA Valor da Variável Esquema do Banco de Dados BANCO DE DADOS Instância do Banco de Dados Uma das vantagens mais relevantes de um banco de dados é a possibilidade de fornecer alguns níveis de abstração de dados para o usuário final, omitindo os detalhes de como estes são armazenados. 1 Também pode ser chamada de ocorrência ou estado de um banco de dados 16

17 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I Segundo Silberschatz, um Modelo de Dados é uma coleção de ferramentas conceituais para descrever dados, relações de dados, semântica de dados e restrições de consistência. Um modelo de dados permite descrever a estrutura 1 de um banco de dados de forma lógica e física. Além disso, vários Modelos de Dados também definem um conjunto de operações para especificar como recuperar e modificar a base de dados. Desse modo, podemos dizer que o Modelo de Dados é a principal ferramenta que fornece a abstração a um BD. Os modelos de dados podem ser basicamente de dois tipos: alto nível: ou modelo conceitual de dados, que fornece uma visão mais próxima do modo como os usuários realmente visualizam os dados; baixo nível: ou modelo físico de dados, que fornece uma visão mais detalhada do modo como os dados estão realmente armazenados no computador Modelo de Dados Hierárquico O primeiro modelo de dados a ser reconhecido foi o modelo hierárquico, que só pôde ser desenvolvido devido à consolidação dos discos de armazenamento endereçáveis. Esses discos possibilitaram a exploração de sua estrutura de endereçamento físico para viabilizar a representação hierárquica das informações. No modelo hierárquico, os dados são estruturados em hierarquias ou árvores. Os nós das hierarquias contêm ocorrências de registros, onde cada registro é uma coleção de campos (atributos), cada um contendo apenas uma informação. O registro-pai é o registro da hierarquia que precede a outros, sendo esses outros denominados registros-filhos. Uma ligação é uma associação entre dois registros. Possui cardinalidade 1:N o relacionamento entre um registro-pai e vários registros-filhos. Organizando os dados segundo o modelo hierárquico, esses podem ser acessados por meio de uma seqüência hierárquica com uma navegação do topo para as folhas e da esquerda para a direita. Um registro pode estar associado a vários registros diferentes, desde que seja replicado. O Information Management System da IBM Corp (IMS) foi o sistema comercial mais divulgado no modelo hierárquico. Uma boa parte das restrições e consistências de dados estava contida dentro dos programas escritos para as aplicações Para acessar o banco de dados, era necessário escrever os programas na ordem. O esquema de um banco de dados hierárquico é descrito por meio de um diagrama de estrutura de árvore. Tal diagrama consiste em dois componentes básicos: Caixas, as quais correspondem aos tipos de registros, e Linhas, que correspondem às ligações entre os tipos de registros. Como exemplo do modelo hierárquico, considere a Figura 2.2. Figura 2.2. Diagrama de Estrutura de Árvore Cliente-Conta Corrente Nome Rua Cidade N o Conta Corrente Saldo João R121 Brasília ,00 Pedro R231 Guará ,00 Fonte: Adaptado de Silberschatz (2006). Pós-Graduação a Distância 1 Por estrutura podemos compreender o tipo dos dados, os relacionamentos e as restrições que podem recair sobre os dados. 17

18 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I O Modelo Hierárquico apresenta algumas restrições devido a: complexidade dos diagramas de estrutura de árvore; não permitir ciclos no gráfico básico de um diagrama de estrutura de árvore; existência de restrições à cardinalidade dos links (de muitos para muitos (N:M) e de muitos para um (N:1)); ausência de facilidades de consultas declarativas; necessidade de navegação por ponteiros para acesso à informações; alta complexidade das consultas. Além disso, a replicação possui duas grandes desvantagens: pode causar inconsistência de dados, quando houver atualização, e o desperdício de espaço é inevitável Modelo de Dados de Rede O surgimento do modelo de rede deu-se como uma extensão ao modelo hierárquico; dessa forma, foi eliminando o conceito de hierarquia e permitindo que um mesmo registro estivesse envolvido em várias associações. Os registros, no modelo em rede, são organizados em grafos onde aparece um único tipo de associação (set) que define uma relação 1:N entre 2 tipos de registros: proprietário e membro. Nesse sentido, é possível construir um relacionamento M:N entre A e D, dados dois relacionamentos 1:N entre os registros A e D e entre os registros C e D. Com linguagem própria para definição e manipulação de dados, o gerenciador Data Base Task Group (DBTG) da CODASYL (Committee on Data Systems and Languages) estabeleceu uma norma para esse modelo de banco de dados. Como os dados tinham uma forma limitada de independência física, a única garantia era que o sistema deveria recuperar os dados para as aplicações como se eles estivessem armazenados na maneira indicada nos esquemas. Concorrência e segurança foram definidas, pelos geradores de relatórios da CODASYL, como dois aspectos chaves dos sistemas gerenciadores de dados. Para cada um desses aspectos foram definidas sintaxes. O mecanismo de segurança fornecia uma facilidade em que parte do banco de dados (ou área) pudesse ser bloqueada para prevenir acessos simultâneos, quando necessário. A sintaxe da segurança permitia que uma senha fosse associada a cada objeto descrito no esquema. Ao contrário do modelo hierárquico, o modelo em rede possibilita acesso a qualquer nó da rede sem passar pela raiz. O CAIDMS da Computer Associates é o sistema comercial mais divulgado do modelo em rede. O diagrama para representar os conceitos do modelo em redes consiste em dois componentes básicos: Caixas, que correspondem aos registros, e Linhas, que correspondem às associações. A Figura 2.3 ilustra um exemplo de diagrama do modelo em rede. Figura 2.3. Diagrama Esquemático da Estrutura de Dados Cliente-Conta Corrente Cliente Conta Nome Rua Cidade N o Conta Corrente Saldo Sistemas de Banco de Dados R_Link Cliente Conta Pedro R231 Guará ,00 João R121 Brasília ,00 R_Link Fonte: Adaptado de Silberschatz (2006). 18

19 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I O Modelo de Rede apresenta algumas restrições devido: forte dependência da implementação; necessidade de criação de registros artificiais para implementar relacionamentos muitos para muitos; alta complexidade das consultas, pois o programador é forçado a pensar em termos de links e como percorrêlos para obter as informações necessárias (manipulação de dados navegacional) Modelo de Dados Relacional O modelo relacional surgiu devido às necessidades de aumentar a independência de dados nos sistemas gerenciadores de banco de dados; de prover um conjunto de funções apoiadas em álgebra relacional para armazenamento e recuperação de dados, de permitir o processamento ad hoc1. Esse modelo, tendo por base a teoria dos conjuntos e a álgebra relacional, foi resultado de um estudo teórico realizado por CODD[1]2. Esse modelo foi o que revelou ser o mais flexível e adequado ao solucionar os vários problemas que se colocam no nível da concepção e implementação da base de dados. Sua estrutura fundamental é a relação (tabela). Uma relação é constituída por um ou mais atributos (campos) que traduzem o tipo de dados a armazenar. Tupla (registro) é o nome dado a cada instância do esquema (linha). O modelo relacional não tem caminhos pré-definidos para se fazer acesso aos dados como nos modelos que o precederam e implementa estruturas de dados, organizadas em relações. Figura 2.4. Diagrama de Estrutura Relacional Cliente-Conta Corrente Cód_Cliente Nome Rua Cidade Cód_Cliente N o Conta Corrente N o Conta Corrente Saldo Cód_Cliente Nome Rua Cidade 1 João R121 Brasília 2 Pedro R231 Guará Cód_Cliente N o Conta Corrente N o Conta Corrente Saldo , ,00 Fonte: Adaptado de Silberschatz (2006). Algumas restrições devem ser impostas para que se trabalhe com essas tabelas e evitar aspectos indesejáveis como: repetição de informação, incapacidade de representar parte da informação e perda de informação. Essas restrições são: integridade referencial, chaves e integridade de junções de relações. A Figura 2.4 traz exemplos de tabelas sob o modelo relacional Modelo de Dados Orientado a Objetos Em meados de 1980, começaram a se tornar comercialmente viáveis os bancos de dados orientados a objeto. Seu surgimento foi motivado em função dos limites de armazenamento e representação semântica impostas no modelo relacional. Os sistemas de informações geográficas (SIG), os sistemas CAD e CAM, que são mais facilmente construídos usando tipos complexos de dados, são alguns dos exemplos que podem ser citados. Pós-Graduação a Distância 19

20 Introdução à Modelagem Conceitual Unidade I Uma característica das linguagens de programação orientadas a objetos é a habilidade para criar os tipos de dados necessários. Contudo, esses sistemas necessitam guardar representações das estruturas de dados que utilizam no armazenamento permanente. O ODMG (Object Database Management Group) foi quem criou a estrutura padrão para os bancos de dados orientados a objetos. Esse grupo é formado por representantes dos principais fabricantes desses bancos disponíveis comercialmente. Os membros do grupo têm o compromisso de incorporar o padrão em seus produtos. Modelo Orientado a Objetos é um termo usado para documentar o padrão que contém a descrição geral das facilidades de um conjunto de linguagens de programação orientadas a objetos e a biblioteca de classes que pode formar a base para o Sistema de Banco de Dados. Algumas das falhas perceptíveis do modelo relacional pareceram ter sido solucionadas quando os bancos de dados orientados a objetos foram introduzidos e acreditava-se que tais bancos de dados ganhariam grande parcela do mercado. Acredita-se que nos dias atuais, enquanto os sistemas relacionais continuarão a sustentar os negócios tradicionais, onde as estruturas de dados baseadas em relações são suficientes, os Bancos de Dados Orientados a Objetos serão usados em aplicações especializadas. O diagrama de classes UML serve geralmente como o esquema para o modelo de dados orientado a objetos. Observe o exemplo da Figura 2.5. e compare as diferenças com o modelo anterior. Cliente Nome: String Rua: String Cidade: String Figura 2.5. Diagrama UML Cliente-Conta Corrente 1..* 1..* Conta N o Conta Corrente: Inteiro Saldo: Real Fonte: Adaptado de Silberschatz (2006) Modelo de Dados para Sistemas Objeto-Relacionais Os sistemas relacionais convencionais têm dificuldade de representar e manipular dados complexos, visando ser mais representativos em semântica e construções de modelagens; com isso, a área de atuação dos sistemas Objeto-Relacional tenta suprir essas dificuldades. A solução proposta é a adição de facilidades para manusear tais dados utilizando-se das facilidades SQL (Structured Query Language) existentes. Para isso, foi necessário adicionar: extensões dos tipos básicos no contexto SQL; representações para objetos complexos no contexto SQL; herança no contexto SQL e sistema para produção de regras A Arquitetura Três Esquemas Sistemas de Banco de Dados O principal objetivo da arquitetura três esquemas é permitir a separação das aplicações do usuário do banco de dados físico. Uma representação gráfica da arquitetura três esquemas é apresentada na Figura 2.6. Com base nessa arquitetura, é possível classificar os esquemas: nível interno: ou esquema interno, que descreve a estrutura de armazenamento físico do banco de dados; utiliza um modelo de dados e descreve detalhadamente os dados armazenados e os caminhos de acesso ao banco de dados; nível conceitual: ou esquema conceitual, que descreve a estrutura do banco de dados como um todo; é uma descrição global do banco de dados, que não fornece detalhes do modo como os dados estão fisicamente armazenados; 20

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