UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO (UFRPE)

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DE PERNAMBUCO (UFRPE) COORDENAÇÃO GERAL DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA (EAD/UFRPE) Banco de Dados Sandra de Albuquerque Siebra Volume 1 Recife, 2010

2 Universidade Federal Rural de Pernambuco Reitor: Prof. Valmar Corrêa de Andrade Vice-Reitor: Prof. Reginaldo Barros Pró-Reitor de Administração: Prof. Francisco Fernando Ramos Carvalho Pró-Reitor de Extensão: Prof. Paulo Donizeti Siepierski Pró-Reitor de Pesquisa e Pós-Graduação: Prof. Fernando José Freire Pró-Reitor de Planejamento: Prof. Rinaldo Luiz Caraciolo Ferreira Pró-Reitora de Ensino de Graduação: Profª. Maria José de Sena Coordenação Geral de Ensino a Distância: Profª Marizete Silva Santos Produção Gráfica e Editorial Capa e Editoração: Allyson Vila Nova, Rafael Lira, Italo Amorim e Arlinda Torres Revisão Ortográfica: Marcelo Melo Ilustrações: Noé Aprígio Coordenação de Produção: Marizete Silva Santos

3 Sumário Apresentação... 4 Conhecendo o Volume Capítulo 1 Banco de Dados: Por onde começar?... 7 Alguns Conceitos Básicos...8 Como era antes de surgirem os bancos de dados?...9 O Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD)...13 Estrutura Geral de um SGBD...16 Classes de Usuários de um Sistema de Banco de Dados...17 Alguns Exemplos de SGBDs...18 Capítulo 2 Evolução e Arquitetura dos Bancos de Dados E houve a evolução...26 Primeira Geração dos Bancos de Dados...27 Segunda Geração dos Bancos de Dados...29 Terceira Geração dos Bancos de Dados...30 Arquiteturas de Sistemas de Banco de Dados...32 Abstração de Dados...39 Capítulo 3 Novas Tendências e Perspectivas Classificação dos Bancos de Dados...46 O que mais há por aí?...50 Considerações Finais Conheça a Autora... 58

4 Apresentação Caro(a) Cursista, Seja bem-vindo(a) ao primeiro módulo do curso Banco de Dados. Neste primeiro módulo, vamos estudar os fundamentos necessários para compreender o assunto que será visto durante toda a disciplina. Além disso, o conteúdo deste primeiro módulo lhe ajudará a ter uma visão geral da disciplina como um todo e da importância da mesma no contexto do curso. Espero que goste e se empolgue com o assunto. Até porque, neste módulo, você vai perceber o quanto Banco de Dados é uma área que está muito presente na sua vida. Bons estudos! Sandra de Albuquerque Siebra Professora Autora 4

5 Conhecendo o Volume 1 Neste primeiro volume, você irá encontrar o Módulo 1 da disciplina de Banco de Dados. Para facilitar seus estudos, veja a organização deste primeiro módulo. Módulo 1 Fundamentos de Banco de Dados e Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados Carga horária do Módulo 1: 15 h/aula Objetivo do Módulo 1: Introduzir os principais conceitos e definições relacionados à área de Banco de Dados, além de dar uma visão geral da evolução dos SGBDs. Conteúdo Programático do Módulo 1» Conceitos Básicos» Sistemas de Banco de Dados» Evolução dos Bancos de Dados» Arquitetura dos Bancos de Dados» Classificação dos Bancos de Dados» Novas Tendências e Perspectivas 5

6 Capítulo 1 O que vamos estudar neste capítulo? Neste capítulo, vamos estudar os seguintes temas:» Conceitos Básicos sobre Banco de Dados» Conceitos Básicos sobre Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados Metas Após o estudo deste capítulo, esperamos que você consiga:» Identificar os principais conceitos relacionados à área de Banco de Dados» Diferenciar um sistema de arquivos de um sistema de banco de dados 6

7 Capítulo 1 Banco de Dados: Por onde começar? Vamos conversar sobre o assunto? Você sabe o que é um banco de dados? Você saberia mensurar o quanto essa área está presente na sua vida? Sabia que pode ser muito mais do que você imagina? Afinal, você tem o seu cadastro aqui na UFRPE que está em um banco de dados. Você foi estudante de outras instituições e deve estar no banco de dados delas. Se você tem uma conta bancária, você está no banco de dados do banco ao qual sua conta pertence. Você está no banco de dados da receita federal como contribuinte ou como isento, mas, se você é maior de 18 anos, você deve estar lá! Isso só para começo de conversa... porque deve haver muitos outros bancos de dados dos quais você faz parte. Logo, só por ser uma área tão presente na sua vida, a área de Banco de Dados já merece ser estudada, não acha? Fora isso, qualquer sistema que você pensar em desenvolver na sua vida, deverá fazer uso de um banco de dados e mesmo se você não desenvolver sistemas, mas utiliza-los no seu dia-a-dia, você será, com certeza, um usuário de Banco de Dados. Então, que tal conhecer esses tais Bancos de Dados mais a fundo? Começaremos a fazer isso nesse capítulo. Neste capítulo, vamos comentar sobre os conceitos básicos da área de Banco de Dados. Como comentado acima, essa é uma área muito presente no nosso dia-a-dia e que ganha ainda mais importância quando paramos para pensar que estamos vivendo na chamada Era da Informação, onde o conhecimento adquirido a partir da avaliação das informações é o maior bem de qualquer empresa ou instituição. E informações são obtidas a partir de dados que precisam estar armazenados em algum lugar. Você poderia me perguntar, mas dados e informações não seriam a mesma coisa? Não, não são. Vamos diferenciar. Dado é um elemento que mantém a sua forma bruta (texto, imagens, sons, vídeos, etc.) e ele sozinho não levará a compreender determinada situação. Ou seja, o termo Dado envolve fatos, imagens, sons que podem ou não serem úteis para determinado fim, eles apenas representam coisas do mundo real. Já a Informação é o conjunto de dados coletados de forma a se tornarem aplicáveis a determinada situação, ou seja, sua forma e conteúdo são apropriados para um uso específico. A informação não existe por si só, ela é obtida através de uma interpretação realizada sobre um grupo de dados. Além disso, ela necessita de uma situação ou objetivo que justifique a sua existência. Vamos dar alguns exemplos. O nome de um cliente, o número de peças em um estoque, o número de horas trabalhadas por um empregado e o valor total de um pedido são dados. Já o valor total das vendas por mês de uma loja é uma informação que para ser obtida, vai precisar considerar uma série de dados (tais como, o mês de cada pedido e o valor total do pedido) armazenados em algum lugar. O Banco de Dados, geralmente, será esse lugar onde os dados estarão armazenados e a partir do qual você irá extrair informações para finalidades diversas. Mas, finalmente, qual a definição de Banco de Dados? 7

8 Alguns Conceitos Básicos Um Banco de Dados (também chamado de Base de Dados) é uma coleção de dados relacionados, organizados e armazenados visando facilitar a manipulação dos dados armazenados, permitindo realizar alterações, inserções, remoções e consultas. Os tipos de coleções de dados são ilimitados (ex: dados de um produto, de um estudante, mapas, dados sobre genes humanos, etc), ou seja, quaisquer aplicações do mundo real que possam ser representadas através de dados computáveis poderão ser armazenadas em um banco de dados. Vamos ver agora, algumas definições mais formais: Um Banco de Dados é uma coleção de dados operacionais armazenados, sendo usados pelos sistemas de aplicação de uma determinada organização (DATE, 2000). Um Banco de dados é um conjunto de dados armazenados, cujo conteúdo informativo representa a cada instante, o estado atual de uma determinada aplicação (LAENDER, 1993). Um banco de dados é uma coleção de dados relacionados que representa alguns aspectos do mundo real, sendo chamado, às vezes, de minimundo. (ELMASRI e NAVATHE, 2005) Realmente, como definiram ELMASRI e NAVATHE, um banco de dados (abreviado como BD) é um modelo de uma determinada parte da realidade, geralmente denominada de Universo de Discurso ou minimundo. Isso porque só devemos colocar no banco de dados as informações do domínio que sejam relevantes para a resolução de um problema ou para obter determinadas informações. Vamos dar um exemplo. Suponha que precisamos criar um banco de dados para uma Livraria. O minimundo da Livraria englobaria diversas características que a definem como, por exemplo, o seu nome, a sua localização, os dados dos seus proprietários, os dados dos funcionários que trabalham lá, os dados dos livros disponíveis e de qualquer outro produto que esteja sendo comercializado. Isso porque essas informações são interessantes para serem armazenadas e, posteriormente recuperadas. Porém, por exemplo, as cores das paredes da livraria, o material de que é feito o chão, não são características relevantes para serem consultadas em um sistema, logo, não fariam parte dos dados a serem armazenados no banco de dados. Logo, o minimundo será justamente a especificação da parte do mundo real que é relevante para a implementação da livraria (vide Figura 1) e deverá conter informações que caracterizem o domínio do negócio. Figura 1 - O Mundo Real x MiniMundo Um banco de dados pode ser criado e mantido por um conjunto de aplicações desenvolvidas especialmente para esta tarefa (por exemplo, no caso da livraria, poderia existir um Sistema Controle de Livraria para gerenciar o acesso ao Banco de Dados) ou por um Sistema Gerenciador de Bancos de Dados (SGBDs ou DBMS Database Management System). Um SGBD é um pacote de software designado para guardar e gerenciar um banco de dados. É ele que realiza a manipulação dos dados armazenados em um BD. O SGBD tem uma gama de funções pré-implementadas que gerenciam as operações de inserção, 8

9 remoção, atualização e consulta dos dados armazenados. O conjunto formado por um banco de dados mais as aplicações que o manipulam (o SGBD) é chamado de Sistema de Banco de Dados (SBD). Pode-se definir esse sistema como um ambiente cujo objetivo global é registrar e manter informação. A Figura 2 representa o ambiente de um sistema de banco de dados, que interage com os programadores (as pessoas que o desenvolveram) e com os usuários finais (as pessoas que o utilizarão). Num primeiro nível as pessoas interagem com os programas de aplicação (programas desenvolvidos em uma linguagem de aplicação), que foram criados para os usuários finais utilizando-se uma linguagem de consulta (linguagem própria para acesso ao banco de dados). Esta aplicação interage com o SGBD, que possui programas responsáveis por processar as consultas e acessar os dados armazenados, dentre outras funções. Por fim, num nível mais interno, encontra-se a base de dados, separada em dois arquivos distintos, um contendo a definição dos dados e outro contendo os dados propriamente ditos, ou seja, os dados armazenados. Figura 2 - Sistema de Banco de Dados A separação da base de dados em dois arquivos distintos deve-se ao fato de que para um conjunto de dados é definida apenas uma estrutura, que por suas características próprias altera-se pouco. Por exemplo, define-se que o endereço do estudante deve ser um campo alfanumérico com capacidade para armazenar 80 caracteres. Já os dados armazenados mudam muito uma vez que a cada nova inserção, alteração ou remoção de dados, os dados são modificados. Por exemplo, o endereço da estudante Ana Maria é Rua das Flores, 320. Mas a qualquer instante esse dado pode ser modificado. Por exemplo, ela pode passar a morar na Av. Abdias de Carvalho, 52. Sendo assim, é uma vantagem manter separados estes dois arquivos com características distintas. O arquivo contendo a definição dos dados é o que podemos chamar de metadados, ou dados sobre os dados. Ou seja, são dados cujo significado reflete características dos próprios dados, como por exemplo: de que tipo são estes dados? Qual será o tamanho deles? Ele pode ficar em branco ou não? Etc. Como era antes de surgirem os bancos de dados? Antes de existirem os bancos de dados, qualquer sistema, programa ou aplicação que precisasse armazenar e manipular dados fazia uso de um sistema de arquivos. Ou seja, cada sistema, programa ou aplicação desenvolvido tinha seus próprios arquivos de armazenamento dos dados. Geralmente, naquela época, os programas eram escritos em respostas às necessidades, ou seja, iam sendo desenvolvidos na medida em que as necessidades apareciam e muitas vezes, eram desenvolvidos por programadores diferentes. Qual a implicação disso? Diferentes Programadores pensam e programam de forma diferente. Desse modo, os arquivos de cada programa desenvolvido poderiam estar em formatos diferentes e poderiam ter sido usadas linguagem de programação diferentes. Qual o problema com isso? O problema com isso é que entre os diversos sistemas desenvolvidos gradualmente para uma determinada empresa ou instituição poderiam haver dados em 9

10 comum. Vamos dar um exemplo: suponha uma fábrica que possui um Sistema de Vendas, um Sistema de Produção e um Sistema de Engenharia (vide Figura 3). Cada um deles teria seus próprios arquivos e nesses arquivos poderia existir em comum, por exemplo, os dados de um produto, que por causa dessa organização precisaria ser replicado em cada sistema de arquivos. E qual a consequência dessa replicação de dados dentro de uma mesma fábrica? Figura 3 - Exemplo de sistemas que fazem uso de um Sistema de Arquivos A consequência é que essa redundância poderia acarretar inconsistência dos dados, uma vez que a mesma informação poderia estar duplicada em diversos arquivos (no exemplo, os dados do produto). Vamos dar um exemplo. Vamos supor que nos arquivos de Vendas, eu atualizei o nome do produto 01 de Mesa para Cadeira. Se eu desejasse manter a consistência, eu teria de entrar nos arquivos de Produção e de Engenharia e fazer a mesma atualização. Se não fizesse, os dados do produto na fábrica ficariam inconsistentes, pois dependendo do sistema acessado o produto 01 poderia ser Mesa ou Cadeira. Ficou claro? Além disso, a duplicação de dados em diversos sistemas de arquivos leva a um maior custo de armazenamento (lembre, você está armazenando diversas vezes os mesmos dados) e a necessidade de redigitação de dados (e esse trabalho repetitivo pode levar a erros, que também geram inconsistências entre os dados). Adicionalmente, o uso de sistemas de arquivos possui outros problemas tais como:» Dificuldade do acesso a dados a geração de informação pode surgir, durante o tempo em que o sistema está em produção, sob diferentes aspectos. Cada requisição de informação diferente, no sistema de arquivos, vai gerar a necessidade da criação de um programa aplicativo, de uma nova consulta ou de um novo relatório. Dessa forma, a recuperação de informação não é atendida de modo eficiente. Haveria dificuldade em apagar informações dos sistemas. Poderia novamente ocorrer casos de incosistência, onde um produto poderia ser deletado dos arquivos de Vendas, mas não dos outros dois arquivos (Engenharia e Produção).» Isolamento dos dados os dados estão armazenados em arquivos distintos, que não possuem qualquer tipo de relacionamento direto, e ainda, podem conter diferentes formatos para o mesmo dado. Por exemplo, o código do produto nos arquivos de venda poderia ser representado só por números e nos arquivos de Produção por letras e números.» Problemas de integridade fica difícil manter restrições de integridade automaticamente. E o que são essas restrições de integridade? Seriam checagens de determinadas condições a serem feitas pelo sistema sobre os dados armazenados (por exemplo, a quantidade de produtos em estoque não pode ser inferior a um valor X). Essas restrições teriam de ser mantidas pelo sistema, implicando em implementação do código apropriado para fazer esse tipo de checagem em CADA UM dos sistemas afetados. O problema seria que a cada inclusão de uma nova restrição de integridade, um novo código deveria ser escrito EM CADA SISTEMA para poder mantê-la, já que cada sistema trabalha com um diferente sistema de arquivos. 10

11 » Problemas de segurança - Nem todos os usuários do sistema devem estar autorizados a ver/acessar todos os dados armazenados. Porém, uma vez que os programas de aplicação são inseridos no sistema como um todo, de forma aleatória (à medida que a necessidade surge, lembra?) é difícil implementar e garantir a efetividade de regras de segurança.» Anomalias no acesso concorrente - a melhora de desempenho em um sistema pode ocorrer pela execução simultânea de diversas operações. Geralmente, nos sistemas de arquivos, esta melhoria seria difícil de implementar sem levar a danos na consistência dos dados. Ou seja, seria difícil permitir que múltiplos usuários possam ter acesso aos dados ao MESMO TEMPO. Vamos dar um exemplo. Considere um sistema bancário (com a existência de contas correntes, agências, transações bancárias, etc) e a seguinte situação: suponha que o saldo de uma conta bancária C1 seja 500 reais. Se dois clientes retiram fundos desta conta C1 AO MESMO TEMPO (acesso concorrente à conta C1), um estado inconsistente pode ocorrer se na execução das duas instâncias do programa de débito, ambos os clientes lerem o saldo inicial original e retirarem, cada um, seu valor correspondente, e seja então armazenado o valor restante. Instanciando o problema: 1. Ambos leem o valor do saldo 500; 2. Um retira 50 reais (resultando 450 reais) e o outro 100 reais (resultado 400 reais) lembre que ambos estão realizando a operação em cima dos 500 reais iniciais que foi lido; 3. Dependendo de qual execução do programa de débito registre o saldo restante primeiro, o valor do saldo da conta será 450 ou 400 reais, quando, na verdade, deveria ser 350 reais. Outros problemas existentes são:» A definição das estruturas dos arquivos está inserida no próprio código dos programas, sistemas ou aplicativos, dificultando a manutenção;» Compartilhamento de um arquivo por vários programas fica comprometido. Há a necessidade de duplicar a definição das estruturas dos arquivos nos programas;» Podem existir arquivos e programas de um mesmo sistema desenvolvidos, de forma isolada, por diferentes programadores de forma diferentes e, até mesmo, em linguagens de programação diferentes. Justamente a necessidade de resolver diversos desses problemas motivou a criação dos bancos de dados e dos sistemas gerenciadores de banco de dados. Com eles, os dados só necessitam ser armazenados uma única vez e passam a ser acessados por todos os sistemas (vide Figura 4) Figura 4 - Exemplo de Sistemas fazendo uso de um Banco de Dados Que tal recapitular com outras palavras, de forma resumida, o que foi apresentado? No início da computação, os programas tinham o único objetivo de armazenar e 11

12 manipular dados. Esses programas gravavam seus dados em arquivos em disco, segundo estruturas de dados próprias (vide Figura 5). Programas que não conhecessem a estrutura dos dados não podiam utilizar os dados. Figura 5 - Programa acessando seu arquivo Se vários programas precisassem compartilhar os dados de um mesmo arquivo, eles todos teriam que conhecer e manipular as mesmas estruturas de dados (vide Figura 6). Ou seja, toda a definição dos dados deveria estar dentro dos programas que os manipulariam. Figura 6 - Vários programas acessando os dados tinham de conhecer sua estrutura Se um programa precisasse realizar alguma mudança na estrutura de dados, todos os programas que acessam os dados tinham que ser alterados, mesmo que a alteração ocorresse em dados não manipulados pelos outros programas. Isso gerava um grande problema: Como garantir a unicidade das estruturas de dados entre os diversos programas devido à existência de redundâncias? Para evitar esse problema, colocou-se um sistema intermediário que deveria conhecer a estrutura de dados do arquivo manipulado; que deveria fornecer apenas os dados que cada programa necessitasse e deveria armazenar adequadamente os dados de cada programa (vide Figura 7). Figura 7 - Acesso ao arquivo através de um sistema intermediário Agora, através do uso desse sistema intermediário:» Os programas passariam a enxergar apenas os dados que lhes interessam.» Os programas não precisariam conhecer os detalhes de como seus dados estão gravados fisicamente.» Os programas não precisariam ser modificados se a estrutura de dados que utilizam não for modificada.» As alterações ficariam concentradas nesse sistema intermediário. Com o tempo, esse sistema intermediário passou a gerenciar vários arquivos (vide Figura 8) e a essa coleção de arquivos foi dado o nome de Banco de Dados e ao sistema intermediário deu-se o nome de Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD). 12

13 Figura 8 - SGBD gerenciando o acesso aos arquivos usados pelos programas Que tal? Ficou mais claro? Espero que sim! Vamos detalhar agora os SGBDs... O Sistema Gerenciador de Banco de Dados (SGBD) Vimos anteriormente neste capítulo que um Sistema de Banco de Dados (SBD) é o conjunto formado por um banco de dados (BD) mais as aplicações que o manipulam (o SGBD). Assim, um SGBD é uma coleção de programas que habilitam usuários a criar e manter um banco de dados. Ele é um software de propósito geral, que facilita o processo de definição, construção e manipulação de um banco de dados. Definição do banco de dados envolve especificar estruturas e tipos de dados para serem gravados no banco de dados, com uma descrição detalhada de cada tipo de dado. Construção do banco de dados é o processo de consistir e gravar inicialmente dados no banco de dados. Manipulação de um banco de dados inclui funções como consulta por dados específicos e atualização para refletir as alterações no mundo real. Quais características esse software deve ter? Vamos apresentá-las a seguir:» Independência de Dados - consiste na capacidade de tornar as características físicas dos dados (como localização, estrutura e tamanho) transparentes para a aplicação. Ou seja, os SGBD devem ser dotados de recursos que possibilitem a descrição das estruturas de dados (layout de arquivos e/ou tabelas) de forma independente dos procedimentos de manipulação (leitura e gravação) de dados no BD. Isto possibilita tornar transparente para os programas que acessam o BD as alterações que, por ventura, venham a ocorrer nas estruturas de dados, como, por exemplo, o acréscimo de um novo campo de informação ao banco. Da mesma forma, alterações em lógicas de programas que acessam o BD não devem afetar as estruturas de dados definidas no BD. Os SGBDs conseguem isso por fazer uso de SQL (Structured Query Language), que possui grupos de comandos específicos e independentes para as tarefas de criação e alteração de tabelas (DDL - Data Definition Language) e leitura e atualização do BD (DML - Data Manipulation Language).» Redução ou Eliminação de Redundâncias Em um sistema tradicional de controle de arquivos cada usuário normalmente apresenta seus próprios arquivos armazenando o conjunto de dados que é de seu interesse e, nestes casos, é comum ocorrer redundância de dados. Esta redundância consiste no armazenamento de uma mesma informação em locais diferentes. Por exemplo, o nome do funcionário poderia estar nos arquivos dos Sistemas de Cadastro, de Folha de Pagamento e de Avaliação em uma empresa, se esses não tivessem uma única base de dados compartilhada. A redundância é danosa para o ambiente computacional, pois ela leva a um aumento de esforço computacional para realizar a atualização dos dados redundantes e aumento do espaço necessário para o armazenamento destes dados. Porém, o problema mais sério é que a representação dos dados desta forma pode 13

14 tornar-se inconsistente, pois duas informações podem aparecer em locais distintos, mas apresentando valores diferentes. Dessa forma, um SGBD deve prover meios para que seja possível o controle da redundância de dados nos diversos arquivos administrados por ele. Para isso, os dados que eventualmente são comuns a mais de um sistema devem ser compartilhados por eles, fazendo-os acessar um mesmo banco de dados. Além disso, deve haver uma centralização da definição dos dados num Dicionário de Dados ou Catálogo, que vai servir como base para a operação do SGBD.» Eliminação de Inconsistências Geralmente causada pela redundância de dados, a inconsistência ocorre quando um mesmo campo tem valores diferentes em sistemas diferentes. Por exemplo, o estado civil de um funcionário pode estar como solteiro no Sistema de Cadastro e como casado no Sistema de Folha de Pagamento. Isto pode ocorrer quando esta pessoa atualizou o campo em um sistema e não o atualizou em outro. Quando o dado é armazenado em um único local (no caso, o banco de dados) e compartilhado pelos sistemas, este problema não ocorre.» Compartilhamento dos Dados - Permite a utilização simultânea e segura de um dado, por mais de uma aplicação ou usuário (através do tratamento de concorrência), independente da operação que esteja sendo realizada. O compartilhamento de dados visa diminuir a redundância de dados. Para implementar o compartilhamento de dados é necessário que o SGBD possua um competente sistema de segurança, para que se estabeleça a privacidade de dados, através de mecanismos de restrição de acesso. Saiba Mais 1 Sistemas de LOG e AUDIT registram dados sobre as operações que são efetuadas no BD, tais como: data, hora, usuário, comando que foi utilizado, campo que foi afetado pelo comando, etc.» Tratamento de Concorrência para que seja possível um compartilhamento simultâneo dos dados armazenados no banco de dados, o SGBD implementa o tratamento de concorrência. Ou seja, o SGBD deve possuir mecanismos para a identificação e tratamento dos acessos concorrentes, para garantir a consistência das informações do BD no sentido de sua veracidade. Os sistemas de bloqueio (LOCK) e desbloqueio (UNLOCK) são os mecanismos utilizados para evitar que uma informação que está sendo manipulada por um determinado usuário U1, seja alterada por outro usuário U2. Enquanto o primeiro usuário U1 estiver acessando um dado no BD, o segundo usuário U2 não terá acesso ao mesmo ou o terá apenas para leitura e receberá um aviso do SGBD de que a informação está sendo acessada por outro usuário e pode estar sendo modificada.» Privacidade dos Dados um SGBD deve fornecer um subsistema de autorização e segurança (por exemplo, através de senhas e sistemas de LOG e AUDIT 1, o qual é utilizado pelo DBA para criar contas e especificar as restrições destas contas; o controle de restrições se aplica tanto ao acesso aos dados quanto ao uso de softwares inerentes ao SGBD. Dessa forma, torna-se possível definir, para cada usuário, o nível de acesso a ele concedido (leitura, leitura e gravação ou sem acesso) a tabela e/ou campo. Este recurso impede que pessoas não autorizadas utilizem ou atualizem uma determinada tabela ou campo, bem como que utilizem softwares inadequados ao seu perfil.» Segurança dos Dados - o SGBD deve oferecer meios que resguardem a base de dados nos casos de falha de programa, equipamento ou acidentes. Também deve ser possível que alterações indevidas feitas pelos usuários durante a operação dos aplicativos sejam desfeitas sem prejuízo da coerência dos dados. A segurança física dos dados poderá ser obtida a partir de utilitários e aplicativos que os fabricantes colocam em seus produtos, visando facilitar o trabalho de proteção aos dados contra danos físicos, que podem ser causados por falhas de hardware ou queda da rede. Nessa linha destacam-se as rotinas de backup (cópias de segurança dos 14

15 dados armazenados) e a gravação com espelhamento (você ter duas máquinas diferentes com o banco de dados instalado e periodicamente ele ser replicado de uma máquina para outra, para se uma sair do ar, a outra já assumir).» Padronização dos Dados - Permite que os campos armazenados na base de dados sejam padronizados segundo um determinado formato. Por exemplo, para o campo sexo poderia ser definido e apenas permitido usar os caracteres M ou F. Padronizar os dados pode facilitar 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, etc. O DBA pode obrigar a padronização em um ambiente de base de dados centralizado, muito mais facilmente que em um ambiente onde cada usuário ou grupo tem o controle de seus próprios arquivos e software;» Controle de Transações: Uma Transação é um conjunto de operações sobre o BD que devem ser executadas integralmente e sem falhas ou interrupções. Caso contrário, devem ser desfeitas. Todo SGBD deve realizar o controle das Transações. TRANSAÇÃO é uma coleção de operações que desempenha uma função lógica única dentro de uma aplicação do sistema de banco de dados. Uma transação deve ter as seguintes propriedades que formam a sigla ACID: A Atomicidade: ou todas as operações envolvidas na transação ocorrem, ou nenhuma delas deve ter efeito sobre o banco de dados. Assegurá-la é tarefa do SGBD. C Consistência: ao final da execução da transação a consistência dos dados no banco deve ter sido mantida. Assegurá-la é tarefa do programador. I Isolamento: uma transação deve ter sua execução realizada de forma isolada em relação à execução de outras transações. D Durabilidade: depois que uma transação é executada com sucesso, as modificações por ela realizadas devem ser mantidas no sistema, mesmo na ocorrência de falhas. Assegurá-la é tarefa do SGBD. O conceito de transação é importante porque qualquer sistema computacional está sujeito a falhas. Por isso, em muitas aplicações é crucial assegurar que, uma vez detectada uma falha, os dados sejam salvos em seu último estado consistente. Para exemplificar, suponha que você deseje transferir R$ 50 da conta A para a conta B. Se ocorrer falha durante sua execução, é possível que os R$ 50 sejam debitados da conta A sem serem creditados na conta B, criando um estado inconsistente no banco de dados. É essencial para a consistência do BD que ambos (débito e crédito) ocorram ou nenhum deles seja efetuado. Isto é, a transferência de fundos deve ser uma operação atômica (uma transação), ou seja, deve ocorrer por completo, ou não ocorrer.» Integridade dos Dados - A integridade de dados refere-se a mecanismos que estão disponíveis nos SGBD, que garantem a consistência dos dados armazenados no SGBD, segundo parâmetros de validação, especificados no momento de criação do BD, em conjunto com as estruturas de dados. Ou seja, esses mecanismos garantem que o conteúdo dos dados armazenados no Banco de Dados possua valores coerentes ao objetivo do campo, não permitindo que valores absurdos sejam cadastrados. Por exemplo: Não permite que uma data final seja menor do que uma data inicial.» Representação de Relacionamento Complexo entre Dados: uma base de dados pode possuir uma variedade de dados que estão interrelacionados de muitas 15

16 maneiras. Um SGBD deve ter a capacidade de representar uma variedade de relacionamentos complexos entre dados, bem como recuperar e modificar dados relacionados de maneira fácil e eficiente» Possibilidade de Múltiplas Interfaces: Vários usuários representam também necessidades diversas no que se refere aos tipos de interfaces fornecidas pelo SGBD. Interfaces para consultas de dados, programação, e interfaces baseadas em menus ou em linguagem natural são exemplos de alguns tipos que podem estar disponíveis. Estrutura Geral de um SGBD A estrutura geral de um SGBD envolve, em síntese, os componentes apresentados na Figura 9 e descritos a seguir. Saiba Mais 2 Comandos DML (Data Manipulation Language) incluem comandos para inserir, atualizar, consultar e excluir dados do banco de dados. Saiba Mais 3 DDL (Data Definition Language) ou linguagem de definição de dados inclui comandos para a criação e manutenção das bases de dados. Figura 9 - Estrutura Geral do SGBD Pré-compilador da DML - converte comandos da DML 2 embutidos em um aplicativo para chamadas de procedimentos normais na linguagem hospedeira do BD. O précompilador precisa interagir com o processador de consultas pra gerar o código apropriado. Compilador DDL 3 - converte comandos da DDL em um conjunto de tabelas contendo metadados ( dados sobre dados ), que são armazenados no Dicionário de Dados. Processador de consultas - traduz os comandos em uma linguagem de consulta para instruções de baixo nível que o gerenciador do banco de dados pode interpretar. Além disso, o processador de consultas tenta transformar uma requisição do usuário em uma forma compatível e mais eficiente com respeito ao banco de dados, encontrando uma boa estratégia para executar a consulta. Gerenciador do banco de dados - fornece a interface entre os dados de baixo nível armazenados no disco e os programas aplicativos e de consulta submetidos ao sistema. Gerenciador de arquivos - gerencia a alocação do espaço na armazenagem do disco e as estruturas de dados usadas para representar a informação armazenada no disco. É o gerenciador de memória quem traduz os diversos comandos DML em comandos de baixo nível para atuar sobre os dados armazenados na base de dados. Adicionalmente, diversas estruturas de dados são requeridas como parte da implementação do sistema físico, incluindo: Arquivos de dados - armazenam o banco de dados propriamente dito. Dicionário de dados - armazena informações sobre a estrutura do banco de dados. Também chamado de catálogo de dados, contém os metadados, isto é, as informações a respeito dos componentes do banco de dados: tabelas, índices, procedimentos, restrições 16

17 e outros. Índices - proporcionam acesso rápido aos itens de dados com valores específicos. São estruturas que permitem um acesso mais eficiente aos dados Classes de Usuários de um Sistema de Banco de Dados Um Banco de Dados pode apresentar diversos usuários cada qual com uma necessidade em particular, e com um envolvimento diferente com os dados do BD. Você sabe quais são eles? Não? Que tal conhecer um pouco mais? Os usuários podem ser classificados nas seguintes categorias:» Administrador de Bancos de Dados (DBA DataBase Administrator) - em qualquer organização onde muitas pessoas compartilham diversos recursos, existe a necessidade de um administrador chefe (sempre existe o que vai ficar à frente, não é?) para supervisionar e gerenciar estes recursos (em um ambiente de base de dados, o recurso primário é a própria base de dados e os recursos secundários são o próprio SGBD e software relacionados). A administração desses recursos é de responsabilidade do DBA. Ele é responsável, entre outras coisas, por autorizar acesso à base de dados e coordenar e monitorar seu uso. Adicionalmente, ele é responsável por problemas, tais como, quebra de segurança ou baixo desempenho do BD.» Projetista de Bancos de Dados também chamado de analista de banco de dados, possui a responsabilidade de identificar os dados a serem armazenados no BD e pela escolha da estrutura apropriada a ser utilizada para armazená-los. Ou seja, é a pessoa responsável pelo projeto de construção e utilização do BD, envolvendo as tarefas de definição de quais dados deverão ser construídos e como eles serão construídos. Pode existir um único projetista ou um grupo deles e ele(s) irá(ao) interagir com outras classes de usuários, tanto os analistas e programadores, como os chamados usuários finais do sistema, a fim de obter a visão dos dados que cada um possui, integrando-as de forma a se obter uma representação adequada de todos os dados.» Usuários Finais: existem profissionais que precisam ter acesso à base de dados para consultar, modificar e gerar relatórios. A base de dados existe para estes usuários. Existem algumas categorias de usuários finais: Usuários ocasionais: ocasionalmente fazem acesso à base de dados, mas eles podem necessitar de diferentes informações a cada vez que fazem acesso. Eles podem usar uma linguagem de consulta sofisticada para especificar suas requisições e são, tipicamente, gerentes de médio ou alto nível; Usuários comuns ou paramétricos: estes usuários realizam operações padrões de consultas e atualizações, chamadas transações permitidas, que foram cuidadosamente programadas e testadas. Estes usuários constantemente realizam recuperações e modificações na base de dados; Usuários sofisticados: incluem engenheiros, analistas de negócios e outros que procuraram familiarizar-se com as facilidades de um SGBD para atender aos seus complexos requisitos; Analistas de Sistemas e Programadores de Aplicações: são os Engenheiros de Software, aquelas pessoas que determinam as necessidades dos usuários 17

18 finais e desenvolvem as especificações para as transações que irão atender a estas necessidades. Os programadores das aplicações são as pessoas que irão realmente implementar estas especificações, criando os programas que irão constituir o sistema e fazer acesso ao BD. Adicionalmente, os programadores também são os responsáveis por testar os programas criados. finais). Muitos de nós nos enquadramos nessa última categoria de usuários (usuários Podem existir ainda alguns profissionais de apoio ou suporte para realizar tarefas específicas como tirar backup (cópia de segurança) dos dados armazenados no Banco de Dados. Alguns Exemplos de SGBDs Alguns dos principais SGBDs disponíveis no mercado nos últimos anos são: Saiba Mais 4 PL/SQL (Procedural Language/Structured Query Language) é uma extensão da linguagem padrão SQL para o SGBD Oracle da Oracle Corporation. É uma Linguagem Procedural da Oracle que estende a linguagem SQL e permite que a manipulação de dados seja incluída em unidades de programas.» Oracle é um sistema comercial, mas possui versões gratuitas para uso acadêmico e/ou doméstico (em casa). Ele foi o primeiro Banco de Dados Corporativo (cliente/ servidor) possuindo grande variedade de distribuições (para Macintosh, Windows, Linux, FreeBSD, Unix) e para computadores de grande porte. Foi um dos primeiros a fazer parte do mercado Web. Nele a linguagem padrão é a SQL, mas possui também uma linguagem própria para desenvolvimento de aplicações, a PL/SQL 4. A participação do Oracle no mercado de Banco de Dados é bastante acentuada, principalmente em grandes empresas e em conjunto com sistemas de médio e grande porte. É um SGBD robusto e seguro, quando bem administrado. Além da base de dados, a Oracle desenvolve uma suíte de desenvolvimento chamada de Oracle Developer Suite, utilizada na construção de programas de computador que interagem com a sua base de dados. Site Oficial em products/database/index.htm» Microsoft SQL Server é o banco de dados comercial da Microsoft. Ele é um dos principais concorrentes do Oracle. Tem como uma das vantagens o fato de, por ser um produto Microsoft, se integrar nativamente com produtos e linguagens da Microsoft (talvez seja esse o fator que o popularizou!). As versões atuais são independentes e operam exclusivamente sobre Windows. É um software proprietário e pago, como a maioria dos produtos Microsoft. Algumas empresas que usam o MS SQL Server e são consideradas casos de sucesso no Brasil são o Hipercard, o Banco Itaú e a ANEEL (vide: sql/default.mspx). Site Oficial em IBM DB2 - é o Sistema Gerenciador de Banco de Dados Relacionais (SGDBR) produzido pela IBM. Existem diferentes versões do DB2 que rodam desde num simples PDA (computador de mão), até em potentes mainframes e funcionam em servidores baseados em sistemas Unix, Windows ou Linux. DB2 é vendido em diversos tipos de edições ou licenças. Pela escolha de uma versão com menos recursos, a IBM evita que os consumidores paguem por coisas que não iriam usar. Informações em Interbase - é um sistema gerenciador de banco de dados relacionais da Borland. Foi incluído, pela Borland, nas suas ferramentas de desenvolvimento (Delphi, C++ Builder e JBuider). Ele pode ser instalado em sistemas operacionais Microsoft Windows, Linux, Mac OS X e Sun Solaris. Além de não ser pesado é relativamente rápido e suporta bancos de dados de grande tamanho (maiores que 2 Gigabytes). 18

19 Em 2000 a Borland liberou o código da versão 6.0, mas as posteriores voltaram a ter licença proprietária. Desta versão 6.0 foi criado o Banco de Dados Open source Firebird. Site Oficial: Firebird - Nascido de uma iniciativa da Borland em abrir o código do InterBase 6.0, este sistema é open source e esbanja versatilidade e robustez. O Firebird (algumas vezes chamado de FirebirdSQL) roda em Linux, Windows, Mac OS e uma variedade de plataformas Unix. A Fundação FirebirdSQL coordena a manutenção e desenvolvimento do Firebird, sendo que os códigos fonte são disponibilizados sob o CVS da SourceForge. O produto é bastante seguro e confiável, suportando sistemas com centenas de usuários simultâneos e bases de dados com dezenas/centenas de gigabytes. Há suporte gratuito na Internet através de vários sites. O Firebird é amplamente utilizado em todo o mundo, com a maior base de usuários no Brasil, Rússia e Europa. Site Oficial em MySQL - é, atualmente, um dos bancos de dados mais populares, com mais de 10 milhões de instalações pelo mundo. Ele possui versões para Windows, Solaris, Unix, FreeBSD, Linux e é gratuito para uso não-comercial. Algumas das empresas mais famosas que fazem uso deste banco estão: NASA, Banco Bradesco, Dataprev, HP, Nokia, Sony e Lufthansa. O MySQL é usado principalmente para desenvolvimento WEB como servidor de dados para comércio eletrônico. Passou a ser considerado um SGBD de verdade (com conceito de transação) a partir da versão 5. Site Oficial em PostgreSQL - é um sistema gerenciador de banco de dados objeto relacional (SGBDOR), desenvolvido como projeto de código aberto. Ele é um dos SGBDs (Sistema Gerenciador de Bancos de Dados) de código aberto mais avançados, é grautito e tem uma boa aceitação no mercado. Originalmente concebido para rodar em Linux, ele possui versões para Windows. É usando, principalmente, para comércio eletrônico juntamente com linguagem PHP. O PostgreSQL é um projeto open source coordenado pelo PostgreSQL Global Development Group. Site Oficial em Microsoft Access: é um banco de dados da Microsoft para uso em micros desktops e não em servidores. Esta é a principal diferença dele para os demais bancos SGBD como o Oracle, SQL Server e MySQL, por exemplo. Contudo, ele tem sido muito usado em pequenas e médias empresas para armazenamento de dados em pequenas quantidades. Agora, o MS Access não é considerado um SGBD completo, por não possuir todas as características de um. Mas ele permite o desenvolvimento rápido de aplicações que envolvem tanto a modelagem e estrutura de dados como também a interface a ser utilizada pelos usuários. A linguagem de programação disponível no access é a Microsoft Visual Basic for Applications, igualmente a outros produtos da série Microsoft Office. Maiores informações em: com/pt-br/access/default.aspx Dos SGBDs listados acima vale ressaltar que o SQL Server e o Oracle tem versões gratuitas, porém limitadas. O Firebird e o PostgreSQL são open source, o DB2 e o MS Access são pagos (sendo que o Access já vem em algumas versões do pacote Microsoft Office) e o MySQL é gratuito para desenvolvimento, mas pago para produção. A escolha de qual SGBD usar depende muito do projeto sendo desenvolvido e do quanto a empresa está disposta a investir para armazenamento dos seus dados. Um SGBD gratuito e muito popular nos dias de hoje é o PostGreSQL e vários sistemas de instituições públicas vêm adotando o mesmo. Já no mundo corporativo o Oracle tem sido um dos mais adotados, por ser um dos mais robustos. Dos SGBDs citados, você já usou algum? 19

20 Considerações Finais Apesar de todas as vantagens citadas anteriormente sobre um SGBD, há situações em que deve-se ponderar sobre sua utilização, como por exemplo, o alto investimento inicial e a possibilidade de compra de um novo hardware; ou a possibilidade de insatisfação no desempenho geral do sistema que pode ser provocado pelas funções de segurança, controle de concorrência, recuperação e manutenção de integridade dos dados. Dessa forma, mesmo com todos os benefícios ainda existem situações em que você pode não utilizar um SGBD, elas estão descritas no Quadro 1. Quadro 1 - Usar ou não usar um SGBD, eis a questão! Quando usar SGBD Quando desejar obter:» Controle de redundância» Controle de consistência e integridade» Acesso multiusuário» Compartilhamento de dados» Controle de acesso e segurança» Controle de recuperação e restauração» Realização de consultas eficientes 1 Quando não usar SGBD» Dados e aplicações simples, bem definidas e estáveis (sem expectativas de mudança)» Quando requisitos de tempo real não puderem ser atendidos» Não há necessidade de acesso multiusuário aos dados Conheça Mais Neste capítulo, vimos apenas alguns conceitos básicos. Para obter mais informações ou materiais diversificados para o que foi visto aqui, você pode proceder a uma pesquisa usando o Google (www.google.com.br) com as palavras chaves Banco de Dados + Introdução. Você vai ver que irá vir muito material. Entre eles: apostilas, notas de aula, reportagens, etc. Adicionalmente, gostaríamos de indicar o texto Introdução a Banco de Dados dos professores Osvaldo Kotaro Takai, Isabel Cristina Italiano e João Eduardo Ferreira (DCC-IME-USP), produzida em fevereiro de Eles elaboraram este texto para apoiar a aprendizagem dos alunos nas disciplinas de introdução a Sistemas Banco de Dados do IME- USP e ela pode servir para apoiar os seus estudos também. Ela está disponível em: Para quem tem curiosidade, uma comparação entre alguns SGBDs dos mais utilizados pode ser encontrada em: aspx (apenas em inglês). Se possível, leia também os capítulos introdutórios (geralmente capítulo 1 ou 1 e 2) dos seguintes livros: SILBERSCHATZ, Abraham; KORTH, Henry F;SUDARSHAN, S. Sistema de banco de dados. Traduzido por Daniel Vieira. Rio de Janeiro: Elsevier;Campus, ELMASRI, Ramez;NAVATHE, Shamkant B. Sistemas de banco de dados. 4a. ed. São Paulo: Pearson Education do Brasil, DATE, C. J. Introdução a sistemas de bancos de dados. Rio de Janeiro: Campus,

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