BANCO DE DADOS I Atualizado em 13 de maio de 2009

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1 ... 3º Período SI 2009 BANCO DE DADOS I 1. MODELAGEM E PROJETO DE BANCO DE DADOS 1.1. Conceitos BANCO DE DADOS I Atualizado em 13 de maio de 2009 Defini-se Banco de Dados (BD) como uma coleção de dados, preferencialmente organizados e relacionados. Dados são fatos que podem ser gravados e possuem significado implícito. Um BD possui as características: - representam aspectos do mundo real (minimundo UoD Universe of Discurse); - seu conteúdo possui correlação lógica com significado inerente; - é construído e populado atendendo finalidade específica; - possui um grupo de usuários específicos; Tradicionalmente, os dados encontravam-se armazenados em diferentes formatos de arquivos adequados a cada software aplicativo desenvolvido. Essa situação trazia uma série de inconveniências tais como redundância, isolamento, inconsistência e dificuldade de manutenção nos softwares (que agregavam as estruturas dos arquivos, por exemplo: arquivos binários). Esse paradigma ficou conhecido como sistema de arquivos. FLUXO DE INFORMAÇÕES Aplicação Base de Dados Um novo paradigma para a administração de BD surgiu com os SGBD (Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados). Um SGBD é constituído de um conjunto de software que permite definir, construir, manipular e compartilhar BD. Com o advento dos SGBD, a criação de softwares evoluiu e o fluxo de informações entre as bases de dados e as aplicações passou a ser controlada pelo próprio SGBD. SGBD BASE 1 Aplicação 1 BASE 2 Aplicação 2 BASE 3 INTERNET 1

2 1.2. Características desejáveis a um SGBD BASES AUTODESCRITIVAS: uma base de dados é formada pelos dados armazenados em arquivos em conjunto com as descrições das estruturas e restrições de acesso a tais elementos. Esses últimos são conhecidos como metadados (catálogo); VISÕES: diferentes usuários necessitam de diferentes perspectivas sobre os dados armazenados; SUPORTE À PROGRAMAÇÃO (gatilhos e procedimentos armazenados); ATOMICIDADE: indivisibilidade de transações; ISOLAMENTO: não interferência de uma transação em outra; DURABILIDADE: persistência de dados, mesmo após falhas; SEGURANÇA: controle de privilégios; ATENDIMENTO A APLICAÇÕES LOCAIS E WEB; PROCESSAMENTO EFICIENTE DE CONSULTAS; BACKUP CENTRALIZADO Níveis de abstração NÍVEIS DE VISÃO: é o nível mais alto de abstração onde são disponibilizados apenas porções das bases de dados de acordo com a necessidade do usuário. NÍVEL LÓGICO: é nível de abstração médio que descreve quais dados estão armazenados e seus inter-relacionamentos. NÍVEL FÍSICO: é o mais baixo nível de abstração e descreve como os dados estão armazenados. end-user DBA/programador Sistema Operacional Nível de Visão Nível Lógico Nível Físico 1.4. Usuários de Bancos de Dados Um banco de dados possui os dados armazenados, a definição ou a descrição da estrutura desse banco de dados e suas restrições. Essa descrição/definição está armazenada no catálogo ao SGBD, que contém informações como a estrutura de cada arquivo, o tipo dos dados as restrições sobre os dados. A informação armazenada no catálogo é conhecida como metadados. Administradores: São conhecidos por DBA s (Data Base Administrators)suas responsabilidades são: assegurar autorizações de acessos, monitorar uso e desempenho, controlar a segurança e configurar o SGBD. Projetistas: São responsáveis pela identificação dos dados a serem armazenados e pela escolha das estruturas adequadas. Analistas: Elucidam os requisitos do usuários e especificam modelos que atendam tais demandas. 2

3 Programadores: Implementam e testam softwares que atendam as necessidades do usuário. Estes softwares devem interagir com o Banco de Dados. Usuário Final: Utilizam o sistema aplicativo de Banco de Dados (transações enlatadas) Sistema de Banco de Dados É, costumeiramente, o nome atribuído ao software de aplicação desenvolvido para, em conjunto de um SGBD, manipular banco de dados. Aplicativos SGBD 1.6. Linguagem de Banco de Dados De forma em geral um Sistema Gerenciador de Banco de Dados oferece dois tipos de linguagens: DDL Data Definition Language DML Data Module Language SQL Structured Query Language - DDL Linguagem de Definição de Dados O resultado de um comando DDL constrói metadados (estrutura das tabelas); - DML Linguagem de Manipulação de Dados Usada para: inserir, excluir, alterar e recuperar dados Interfaces com o SGBD - Interfaces baseados em menos p/ Web; - Interfaces baseadas em formulários; - GUI: Graphical User Interface; - Linguagem Natural: interfaces não amigáveis que só aceitam comandos em sintaxe rígida; - Interface p/ DBA: são interfaces de propósito administrativo do SGBD (criação de contas, manutenção, consultas avançadas) Estrutura Simplificada de um SGBD Compilador DML Interpretador Componente Tratamento de Consultas SRF SGR SGB SCC SOC SI 3

4 - Compilar DML: Traduz ordens DML em Linguagem de Baixo Nível; - Interpretador DDL: Procede aos comandos DDL armazenando-os sob forma de estruturas de dados; - Componente de tratamento de consultas: executam s instruções de baixo nível do compilador DML; - SRF (Sistema de Recuperação após Falhas): Mantém estruturas redundantes que asseguram a recuperação de dados mediante a falhas de transação; - SCC (Sistema de Controle de Concorrência): Implementa isolamento entre transações assegurando suas independências; - SGR (Sistema Gerenciador de Registros): Otimiza a ocupação das tabelas; - SOC (Sistema de Otimização de Consultas): Otimiza a realização das consultas, destinando recursos p/ assegurar eficiência; - SGB (Sistema de Gerenciamento de Buffers): Implementa estratégias para reduzir o nº de leituras, mantendo parte dos dados em memória; - SI (Sistema de Indexação): Otimização no acesso a arquivos. Componentes do SO responsáveis por prover acesso aos meios de armazenamento. - Arquivo de dados > armazena dados; - Metadados > estrutura de armazenamento; - Índice > otimização de acesso; - Arquivo de estatísticas de dados armazenam estatísticas sobre os dados armazenados que serão usados pelo SOC. 2. MODELAGEM DE DADOS: MODELO ENTIDADE RELACIONAMENTO 2.1. Introdução ao Projeto de Banco de Dados Um modelo de dados é um conjunto de conceitos que são utilizados para descrever estruturas de Banco de Dados. Formalmente, um modelo de dados é categorizado pela forma como ele descreve um Banco de Dados, podendo ser conceitual, lógico ou físico. O projeto de Banco de Dados envolve os 3 modelos seguindo: Levantamento e Análise de Requisitos Compreende a entrevista com o usuário do Banco de Dados, por meio dela são levantados todas as necessidades. O projetista documenta as demandas detalhadamente. 4

5 Projeto Conceitual Nesta fase do projeto, os requisitos de dados são expressos por meio de conceitos tipos ao modelo Projeto lógico O modelo de dados conceitual é transposto p/ um modelo lógico que representa as Estruturas de Dados: Esquema lógico ou modelo de implementação Projeto Físico O modelo de implementação é processado de forma a gerar as estruturas de armazenamento em disco, restrições e índices resultado: Catálogo de Banco de Dados é o mais baixo nível de representação de dados (SO + SGBD) 2.2. Projeto de Banco de Dados com modelo entidade relacionamento (ER) O modelo ER (conceitual e de alto nível) é comumente utilizado para o projeto de Banco de Dados, pois é de fácil entendimento. Ele utiliza a descrição dos dados por intermédio de entidades e seus relacionamentos. Conceitos: Entidade é um objeto do mundo real Atributos descrevem as características particulares das entidades. Atributos simples (atômicos): são indivisíveis; Atributos compostos: podem ser divididos; Atributos Monovalorados: possuem apenas um valor; Atributos Multivalorados: possuem um nº finito de valores possíveis; Atributos com valores Null: não possuem valores aplicáveis ou esses são desconhecidos; Atributos armazenados: são gravados em disco; Atributos derivados: não são gravados em disco Esquema é a descrição textual de uma entidade ou mesmo de todo o Banco de Dados Instância conjunto de dados armazenados em um Banco de Dados em um determinado momento Conjunto de Entidades é a aglomeração de entidades do mesmo tipo (mesmos atributos) Relacionamento é a associação lógica entre um conjunto de entidades como funcionários e dependentes Grau de Relacionamento é o número de entidades que participam de um relacionamento. O mais comum é o relacionamento binário, mas pode ocorrer relacionamentos em grau superior Papel exprime o significado de uma entidade em um relacionamento, por exemplo funcionário relacionado à departamento. A entidade funcionário desempenha o papel de empregado, já departamento figura o empregador Relacionamento Recursivo é uma entidade poder estar relacionada a ela própria. 5

6 Mapeamento de Restrições: durante o projeto de Banco de Dados serão modeladas as exigências do mundo real. O mini-mundo apresenta uma série de regras que são expressas por intermédio de restrições de cardinalidade e participação Restrições de Cardinalidade em Relacionamentos Binários: expressam o nº máximo de entidades às quais outra entidade pode estar associada. Tipos possíveis: um para um (1:1) uma entidade A só pode estar associada a um B ; - Ex.: Relacionamento Gerência entre Departamento e Funcionários. um para muitos (1:N) uma entidade de A pode estar associada a várias em B ; - Ex.: Relacionamento Devedor entre Cliente e Empréstimo. muitos para um (N:1) uma entidade de A pode estar associada a no máximo um a de B que pode estar associadas a várias em A ; - Ex.: Relacionamento Devedor entre Cliente e Empréstimos, onde um empréstimo pode ser tomado por diferentes clientes. muitos para muitos (N:N) uma entidade de A está associada a várias de B e vice-versa. - Ex.: Relacionamento Trabalha para entre Funcionários e Projetos. 1:1 1:N N:1 N:N [...] 6

7 Entidade Fraca: uma entidade que não possui atributos capazes de formar uma chave primária é dita fraca. Ao contrário, uma entidade regular (que possui chave primária) é dita forte. Uma entidade fraca sempre está relacionada a uma forte (proprietária). Esse relacionamento fraco x forte é dito identificador. Uma entidade fraca sempre possui uma restrição de participação total, mas nem toda dependência de existência resulta em entidade fraca (exemplo ). Uma entidade fraca possui, geralmente, uma chave parcial. Algum atributo que, junto à chave primária, passa adistiguir a entidade fraca no seu conjunto Símbolos do diagrama ER CONJUNTO DE ENTIDADES RELACIONAMENTO IDENTIFICADOR CONJUNTO DE ENTIDADE FRACA ATRIBUTOS RELACIONAMENTO NÃO-IDENTIFICADOR ATRIBUTOS MULTIVALORADOS ATRIBUTO COMPOSTO Cardinalidade no diagrama ER Caso 1: Devedor é um conjunto de relacionamentos N : N CLIENTE EMPRÉSTIMO CPF NOME COD TOTAL empréstimos podem ser tomados por vários cliente ou clientes podem tomar vários empréstimos Caso2: Devedor é um conjunto de relacionamentos 1: N de cliente para empréstimo CLIENTE EMPRÉSTIMO CPF NOME COD TOTAL 7

8 um cliente pode ter vários empréstimos e um empréstimo pode ter apenas um cliente Caso3: Devedor é um conjunto de relacionamentos N : 1 de cliente para empréstimo CLIENTE EMPRÉSTIMO CPF NOME COD TOTAL um empréstimo pode ter sido tomado por vários clientes e um cliente pode pegar apenas um empréstimo Caso4: Devedor é um conjunto de relacionamentos 1 : 1 CLIENTE EMPRÉSTIMO CPF NOME COD TOTAL um cliente pode ter apenas um empréstimo e vice-versa 2.3. Recurso de extensão do modelo ER Subclasse, superclasses, herança Em alguns casos uma entidade pode vir a possuir vários grupos significativos que necessitam ser explicitados em diagrama ER. Ex.: Empregado pode ser caracterizado como secretário, técnico ou engenheiro; ainda pode ser: horista ou assalariado. Para este exemplo empregado é dito superclasse e seus subgrupos são subclasses. Não existe subclasse sem uma superclasse. Pode ocorrer de uma entidade pertencer a mais de uma subclasse. Fundamental: uma entidade membro de uma subclasse herda os atributos da superclasse. 8

9 Especialização Data CPF Nome EMPREGADO Salário Área TÉCNICO ASSALARIADO Tipo ENGENHEIRO HORISTA Valor Toques SECRETÁRIO Especialização é o processo de definição de subclasses para entidades. É representada pelo triângulo ISA (do inglês is a ). Uma subclasse é definida com base em características de distinção Generalização Processo inverso da especialização no qual são suprimidas diferenças entre as entidades e são identificadas as características comuns, formando uma superclasse. Ano Placa Cor VEÍCULO Eixos CAMINHÃO ISA CARRO Nº Passageiros Capacidade 9

10 3. PROJETO DE BANCO DE DADOS COM MODELO RELACIONAL (LÓGICO) Ted Codd: Teoria de Conjuntos O modelo relacional representa o Banco de Dados como um conjunto de relações, onde: - Uma relação é representada por uma tabela (linhas e colunas) = conjunto de entidades; - Cada linha de uma relação é um conjunto valores relacionados que prepresenta uma entidade. Conceitos - TUPLA = Linha = 1 registro da relação = 1 entidade; - ATRIBUTO = Coluna; - RELAÇÃO = Tabela = Conjunto de Entidades; - DOMÍNIO: Conjunto de valores atômicos que são possíveis a um atributo; - ESQUEMA DE RELAÇÃO: Representa uma tabela no formato R( a 1, a 2,...), ex.: Funcionários (cod, nome,...); 3.1. Características das relações - Ordenação das tuplas: as tuplas de uma relação podem seguir qualquer ordenação; - Ordenação de valores de uma tupla: uma n-tupla é uma lista ordenada de n-valores. A ordem nas tuplas é dada pelo par ordenado ( <atributo>, <valor>); - Valores e Nulls: cada valor é uma tupla é atômico (não existe valor composto no modelo relacional). Valor Null: desconhecido Restrições do modelo relacional Tipos comuns de restrições no MR: 1 Restrições inerentes ao modelo, por exemplo a inexistência de atributo composto; 2 Restrições baseadas em esquema expressas em DDL; 3 Restrições em aplicações que são implementadas em software aplicativo e não no esquema de Banco de Dados. Das restrições baseadas em esquema relacional: Restrição de domínio Em uma tupla o valor de um atributo é atômico e assume um valor seguindo: n os. Inteiros, n os. reais, moeda, caracteres, cadeias de caracteres, booleanos, enumerações, hora, data, blob, geo, etc. 10

11 Restrição de Chave Em uma relação todos elementos devem ser distintos, assim todas as tuplas devem ser diferentes entre si. Em outras palavras, uma tupla não pode ter a mesma combinação de valores de outra do mesmo conjunto. A chave primária faz cumprir a restrição de chave, pois identifica uma tupla Restrição de integridade Uma chave primária não pode conter valor null Restrição de valores null Um atributo não chave pode ser impedido, ou não, de conter valores null. No impedimento é obrigatória a presença de um valor válido no domínio Restrição de integridade referencial É a restrição especificada entre 2 relações visando manter a consistência entre as tuplas do relacionamento. É introduzido o conceito de chave estrangeira (foreign key) para a implementação da integridade referencial. Ao especificar-se o relacionamento entre 2 tabecas, a chave primária da tabela dominante é inserida na tabela dominada. Essa chave, na tabela de destino é dita chave estrangeira. É por intermédio da chave estrangeira que são controladas as ações de propagação de alteração/exclusão que partem da tabela original. FUNCIONÁRIO Cod Nome Salário DEPENDENTE Cod Nome Sexo Característica dos Relacionamentos CASCADE: Cascata se a FK quando sofrer a tentativa de alteração/exclusão, essas são efetivadas na tabela dominada automaticamente. RESTRICT: Bloqueio Caso a FK sofra a tentativa de alteração/exclusão, caso existam linhas na tabela dominada relacionadas, a ação não se perpetua. SET TO NULL: Caso não vide a restrição de chave, mediante a ações de alteração/exclusão na tabela dominante, as linhas na tabela dominada são marcadas com valores null. 11