Modelo Relacional Normalização Diagramas E-R e Tabelas Originadas

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1 Informática II Modelo Relacional Normalização Diagramas E-R e Tabelas Originadas (TÓPICOS ABORDADOS NAS AULAS DE INFORMÁTICA II) Por: Artur Sousa / Jorge Loureiro

2 Conceitos de entidade e atributo Tipos de atributos Entidade: Abstracção de objectos ou conceitos do mundo real acerca dos quais queremos guardar informação. NPróprio Apelido Localizações Tempo_Actividade Atributos de uma entidade: Características comuns aos objectos ou conceitos representados pela entidade. BI Nome Sexo Número Data_ínicio_activ Exemplo de entidade e seus atributos: CÃO (nome, raça, sexo, data_nascimento) Funcionário Departamento Atributos => O nome de cada atributo deve ser único, singular e não ambíguo (=> utilizar prefixos ou sufixos. Exemplo: Data => Data_entrega ) Para reduzir as informações a uma forma normalizada importa que todos os atributos sejam não decomponíveis. Diz-se então que os atributos são atómicos, ou que são atributos elementares O conjunto de todos os valores possíveis para um dado atributo constitui o domínio desse atributo Existem vários tipos de atributos: simples, compostos, multivalor e derivados Exemplo de atributo não atómico e não singular: Disciplinas Nome_aluno Número Disciplinas José Silva 1234 Física, Química, História Atributos Simples (Exemplo: BI) Atributos Compostos (Exemplo: Nome) => Um atributo composto pode ser considerado simples, dependendo da situação a tratar. => Quando os atributos básicos são tratados separadamente, um atributo composto entra na entidade com todos os seus atributos básicos ( Funcionário: BI, Npróprio, Apelido, Sexo) Atributos Derivados (Exemplo: Tempo_actividade) => Estes atributos devem ser identificados na análise mas não devem fazer parte da entidade pois podem ser calculados Atributos Multivalor (Exemplo: Localizações) => Para cada atributo multivalor cria-se uma nova entidade Exemplo(Loc_Dep: Número, Localização) 2

3 Que atributos considerar na descrição de uma entidade? Entidades CÃO e DONO_DO CÃO vistas pelo veterinário: CÃO nome_do_cão raça sexo nome_do_dono data_nasc peso DONO_DO_CÃO nome_do_dono endereço saldo_da_conta Entidades CÃO e DONO_DO CÃO vistas pela administração municipal: CÃO nome_do_cão raça sexo nome_do_dono data_licen. peso DONO_DO_CÃO nome_do_dono endereço O atributo endereço deveria ser subdividido? É possível determinar número de cães por freguesia? => endereço é um atributo composto que neste caso deveria ser subdividido Chave primária e chaves candidatas Instância: Ocorrência particular de uma entidade. Cada instância tem de ser identificada univocamente Chave ou Identificador de uma entidade: Atributo ou conjunto de atributos que permitem identificar univocamente uma instância de uma entidade. Chave primária: Corresponde a uma das chaves possíveis e possui as seguintes características: unívoca - os atributos da chave primária têm um valor unívoco para qualquer instância; não redundante - se algum dos atributos que formam a chave primária for retirado, os restantes atributos deixam de ser unívocos não nula - nenhum dos atributos que formam a chave primária poderá ter um valor nulo. Chave candidata: Atributo ou conjunto de atributos que podem ser usados como chave primária de uma entidade Exemplo: Chaves candidatas: N_BI N_Eleitor, Freguesia Nome N_Eleitor N_BI Freguesia Rua 3

4 Chave forasteira ou chave externa Chave forasteira ou chave externa: Atributo ou conjunto de atributos que aparecem como chave primária numa outra entidade relacionada. A chave forasteira permite estabelecer uma ligação (relacionamento) entre as entidades representadas. Uma entidade pode conter tantas chaves forasteiras quantas as necessárias. Relacionamento As entidades não estão isoladas, estão relacionadas com outras entidades => é necessário identificar relacionamentos para ser possível representar correctamente o mundo real. Relacionamento: Associação entre entidades Relacionamento binário: Associação entre duas entidades Exemplo: CÃO nome_do_cão raça sexo nome_do_dono data_nasc peso Tipos de relacionamentos binários entre entidades O número de ocorrências de uma entidade, que podem estar associadas com uma ocorrência de outra entidade permitem distinguir 3 tipos de relacionamentos: DONO_DO_CÃO nome_do_dono endereço saldo_da_conta Relacionamento 1:1 Departamento 1 Dirigido 1 Funcionário O atributo nome_do_dono : na entidade CÃO é uma chave estrangeira na entidade DONO_DO_CÃO é a chave primária Relacionamento 1:N Departamento 1 Constituído N Funcionário => Este atributo permite estabelecer uma ligação entre as entidades CÃO e DONO_DO_CÃO Relacionamento N:M Funcionário N Trabalha M Projecto 4

5 Modelo de dados relacional Todos os dados bem como os relacionamento existentes entre estes são representados por um conjunto de tabelas (relações) relacionadas entre si: Cada tabela (entidade) tem um nome único pelo qual é referenciada; Cada coluna da tabela (atributo) tem um nome e refere-se a um dado aspecto do objecto representado; Cada coluna contém valores atómicos pertencentes ao domínio do atributo; Cada linha da tabela (tuplo) representa uma única instância ou um relacionamento entre entidades; Cada relação contém zero ou mais tuplos. Integridade Existem três tipos de integridade: Integridade de domínio: os valores de cada coluna devem ser atómicos e pertencentes ao domínio do atributo; Integridade de entidade: os valores dos atributos que correspondem à chave primária não podem ser nulos nem iguais a outros já existentes na tabela. Notar que, como os tuplos são diferenciados pela chave primária, se os valores dos atributos correspondentes à chave primária fossem nulos não seria possível distinguir entre tuplos. Integridade referencial: a chave forasteira numa tabela deve referenciar sempre uma chave primária existente numa outra tabela. Como agrupar um conjunto de atributos Conceito de entidade é uma maneira de agrupar os atributos que correspondem a um determinado objecto ou conceito do mundo real, contudo, nem todos os agrupamentos possíveis são convenientes podendo levar à existência de: desperdício de espaço informação redundante valores nulos inconsistência anomalias em operações de inserção, alteração ou remoção Exemplo: Obra (N_Obra, Data_início_obra, Orçamento, N_empregado, Remuneração_horária, Total_horas_empregado) N_Obra D_I_O Orçamento N_empreg. Rem_hor Tot_hor_e Problemas encontrados: Tipo de problema Linha(s) Atributos Redundância 1,2 1,3 D_I_O Orçamento Rem_hor Valores nulos ou inválidos 4 N_empreg. Rem_hor Tot_hor_e 5

6 Anomalias em operações de inserção, de alteração ou de remoção Anomalias de inserção: É necessário inserir valores nulos para os atributos cujo valor ainda não foi determinado, ou valores inválidos quando esses atributos pertencem à chave primária, o que conduz a inconsistência. (No exemplo, quando se insere uma nova obra ou um novo empregado é necessário introduzir valores nulos e valores inválidos para os atributos que ainda não são conhecidos. A alternativa consiste em não inserir dados de uma nova obra ou de um novo empregado enquanto a alocação não for efectuada.) A duplicação de alguns dados poderá dar origem a erros de inserção, o que resulta em inconsistência. Decomposição da entidade obra A resolução dos problemas mencionados anteriormente consiste em decompor a entidade da seguinte forma. Obra (N_Obra, Data_início_obra, Orçamento) Empregado (N_empregado, Remuneração_horária) Alocação (N_Obra, N_empregado, Total_horas_empregado) Existira ainda redundância? Será este modelo correcto e o melhor? Como obter este modelo? => Uma das soluções será recorrer à análise de dependências funcionais e à normalização. Anomalias de alteração: A existência de redundância conduz ao perigo de após uma actualização, apenas parte dos dados terem sido actualizados. (No exemplo, se se alterar a data de inicio da obra, poderá ocorrer uma anomalia deste tipo se não se actualizarem todas as ocorrências da mesma obra.) Anomalias de remoção: A remoção de determinados dados podem levar à eliminação de outra informação que não se pretendia apagar. (A remoção de uma obra pode conduzir à perda de informação relativa a um empregado) Objectivos a atingir no projecto de modelo de dados: Guardar todos os dados relevantes Eliminar todos as dados redundantes Manter o número de entidades reduzido a um mínimo Normalizar todas as entidades Objectivos antagónicos! 6

7 Normalização O processo de identificação dos agrupamentos necessários e da localização correcta de cada atributo consiste num conjunto de técnicas designadas por normalização. A normalização converte cada entidade gradualmente para Formas Normais, através da aplicação sucessiva de regras que alteram o formato dos dados da 1ªForma Normal até à 5ª Forma normal. Formas Normais 1ª Forma Normal Uma relação está na 1ª forma normal (1FN) quando: os domínios de todos os atributos consistem apenas em valores atómicos não existem subgrupos de atributos repetidos Passagem de uma entidade à 1FN: Eliminar subgrupos repetidos, decompondo a relação em duas (ou mais) relações. A B A B C D A C D 2ª Forma Normal Uma relação está na 2ª forma normal (2FN) quando: estiver na 1FN; todos os atributos que não pertencem à chave dependem de toda a chave (e não de um subconjunto da chave). Passagem de uma relação à 2FN: Separar os atributos que dependem de um subconjunto da chave, decompondo a relação em duas (ou mais) relações. A B C A B C D B D 3ª Forma Normal Uma relação está na 3ª forma normal (3FN) quando: estiver na 2FN; os atributos que não pertencem à chave não dependem de nenhum atributo que também não pertence à chave. Passagem de uma relação à 3FN: Separar os atributos que dependem de outro atributo não pertencente à chave, decompondo a relação em duas (ou mais) relações. A B C D A B C D E C E 7

8 Estratégias de concepção do modelo de dados Diagrama de Entidade-Relacionamento Do particular para o geral (Bottom-up) 1) Relação universal; 2) Análise de dependências funcionais 3) Modelo de dados Do geral para o particular (Top-down) 1) Relação universal; 2) Análise de relacionamentos e participações; 3) Modelo de dados. Pequenos projectos (até 6-8 entidades) Grandes projectos Nome Designação NDoc... #Disc... Docente Ensina Disciplina Entidade: Coisa relativa ao problema a tratar e sobre o qual há interesse em guardar/manipular informação; Uma entidade deve ter ocorrências e deve ser possível identificar uma ocorrência de outra ocorrência. Relacionamento: Ligação entre entidades. Construção de modelo de dados pelo método de Entidade- Relacionamento Atributo: Propriedade de uma entidade (em certos casos também de um relacionamento). Diagrama de ocorrências Identificar todas as entidades e todos os relacionamentos importantes para a situação a tratar; Construir o diagrama de Entidade-Relacionamento (DER) Encontrar o conjunto de entidades preliminares e identificar as respectivas chaves; Identificar todos os outros atributos relevantes e associa-los a uma das entidades preliminares já definidas, mantendo a solução normalizada. Exemplifica um relacionamento entre entidades. Professor Ensina Disciplina P1 P2 P3 P4 D1 D2 D3 D4 8

9 Relacionamento binário de grau 1:1 Caso 1 (1:1) - participação obrigatória das duas entidades: Todos os docentes têm de leccionar uma só disciplina; Cada disciplina tem de ser assegurada por um docente. Docente P1 1 1 Ensina Disciplina P2 P3 Docente (Ndoc, Nome, Tel, #Disc, Prereq) NDoc Nome Tel #Disc Prereq 1001 Couto Inf2 Inf Nunes SOC LP 977 Peixoto Inf1 Nenhum D1 D2 D3 Relacionamento binário de grau 1:1 Caso 2 (1:1) - participação obrigatória de apenas uma das entidades: Todos os docentes têm de leccionar uma só disciplina. Docente 1 1 Ensina Disciplina P1 P2 P3 NDoc Nome Tel #Disc Prereq 1001 Couto Inf2 Inf1??? IG2 IG1 => Docente (Ndoc, Nome, Tel, #Disc) Disciplina (#Disc, Prereq) NDoc Nome Tel #Disc #Disc Prereq 1001 Couto Inf2 Inf2 Inf1 D1 D2 D3 D4 Regra 1 Relacionamento binário de grau 1:1 e participação obrigatória de ambas as entidades. Regra 2 IG2 IG1 É apenas necessário uma entidade; A chave primária dessa relação pode ser a chave primária de qualquer das entidades. Relacionamento binário de grau 1:1 e participação obrigatória de apenas uma das entidades. São necessárias duas entidades; A chave primária de cada entidade serve de chave primária na entidade correspondente; A chave primária da entidade com participação não obrigatória tem de ser usada como 9

10 atributo na entidade correspondente à entidade cuja participação é obrigatória. Relacionamento binário de grau 1:1 Caso 3 (1:1) - sem participação obrigatória em ambas as entidades: Os docentes leccionam uma só disciplina, se não estiverem dispensados do serviço docente; Cada disciplina é assegurada por um docente, excepto se for opcional e se o número de inscrições for inferior a 15 alunos. Docente (Ndoc, Nome, Tel, #Disc) Disciplina (#Disc, Prereq, NDoc) NDoc Nome Tel #Disc #Disc Prereq NDoc 1001 Couto Inf2 Inf2 Inf Nunes SOC SOC LP Martins ? IG2 IG1? A subdivisão da entidade em duas, segundo solução análoga à regra 2, também origina valores nulos. Docente 1 1 Ensina Disciplina P1 P2 P3 P4 D1 D2 D3 D4 Docente Disciplina Leccionar (Ndoc, Nome, Tel) (#Disc, Prereq) (Ndoc, #Disc) NDoc Nome Tel #Disc Prereq NDoc #Disc 1001 Couto Inf2 Inf Inf Nunes SOC LP 1662 SOC 1056 Martins IG2 IG1 NDoc Nome Tel #Disc Prereq 1001 Couto Inf2 Inf Nunes SOC LP??? IG2 IG Martins ?? Obs.: A chave da entidade Leccionar pode ser NDoc ou #Disc. Regra 3 Relacionamento binário de grau 1:1 e participação não obrigatória em ambas as entidades. Com a utilização de uma só entidade, surgem valores nulos quer para as disciplinas que ainda não têm docente, quer para os docentes que não leccionam nenhuma disciplina. São necessárias três entidades, uma para cada entidade e a terceira para o relacionamento; A chave primária de cada entidade serve de chave primária na entidade correspondente; A entidade correspondente ao relacionamento terá entre os seus atributos as chaves primárias das duas entidades. 10

11 Relacionamento binário de grau 1:N Caso 4 (1:N) - participação obrigatória do lado N: (a participação obrigatória no lado 1 não afecta resultado) Os docentes podem leccionar várias disciplinas; Cada disciplina têm de ser assegurada por um só docente. Docente P1 1 N Ensina Disciplina P2 P3 NDoc Nome Tel #Disc Prereq 1662 Nunes SOC LP 1662 Nunes SDP SOC 1056 Martins ?? Docente (Ndoc, Nome, Tel) Disciplina (#Disc, Prereq, NDoc) NDoc Nome Tel #Disc Prereq NDoc Regra Nunes SOC LP Martins SDP SOC 1662 Relacionamento binário de grau 1:N e participação obrigatória do lado N. São necessárias duas entidades; A chave primária de cada entidade serve de chave primária na entidade correspondente; A chave primária da entidade do lado 1 tem de ser usada como atributo na entidade correspondente à entidade do lado N. D1 D2 D3 D4 Relacionamento binário de grau 1:N Caso 5 (1:N) - participação não obrigatória do lado N. Docente P1 1 N Ensina Disciplina P2 P3 NDoc Nome Tel #Disc Prereq 1662 Nunes SOC LP 1662 Nunes SDP SOC 1056 Martins ????? IG2 IG1 Docente Disciplina Leccionar (Ndoc, Nome, Tel) (#Disc, Prereq) (#Disc, NDoc) NDoc Nome Tel #Disc Prereq #Disc NDoc 1662 Nunes SOC LP SOC Martins SDP SOC SDP 1662 Regra 5 IG2 IG1 Relacionamento binário de grau 1:N e participação não obrigatória do lado N. São necessárias três entidades, uma para cada entidade e a terceira para o relacionamento; A chave primária de cada entidade serve de chave primária na entidade correspondente; A entidade relativa ao relacionamento terá de ter entre os seus atributos as chaves primárias de cada uma das entidades. D1 D2 D3 D4 11

12 Relacionamento binário de grau N:M Caso 6 (N:M) - Quando o grau de relacionamento binário é N:M, independentemente do tipo de participação, são sempre necessárias 3 entidades. Um docente pode leccionar várias disciplinas Uma disciplina pode ser leccionada por vários docentes Docente N Ensina M Disciplina P1 P2 P3 P4 D1 D2 D3 D4 D5 Docente Disciplina Leccionar (Ndoc, Nome, Tel) (#Disc, Prereq) (#Disc, NDoc) NDoc Nome Tel #Disc Prereq #Disc NDoc 1001 Couto Inf2 Inf1 Inf Nunes SOC LP SOC Reis SDP SOC SDP Neves IA LP IA Martins IG2 IG1 IA 1052 Regra 6 Relacionamento binário de grau N:M. NDoc Nome Tel #Disc Prereq 1001 Couto Inf2 Inf Nunes SOC LP 1662 Nunes SDP SOC 1033 Reis IA LP 1052 Neves IA LP 1056 Martins ????? IG2 IG1 São sempre necessárias três entidades, uma para cada entidade e uma terceira para o relacionamento; A chave primária de cada entidade serve de chave primária na entidade correspondente; A entidade relativa ao relacionamento terá de ter entre os seus atributos as chaves primárias de cada uma das entidades. Com a utilização de uma só entidade, surgem valores nulos quer para as disciplinas que ainda não têm docente, quer para os docentes que não leccionam nenhuma disciplina. 12

13 Relacionamentos binários múltiplos Na maioria dos casos, uma entidade pode ter relacionamentos binários com diversas entidades, ou seja, relacionamentos binários múltiplos. Exemplo: Um aluno pode inscrever-se em vários seminários; Um seminário é dirigido por vários instrutores; Um instrutor dirige vários seminários. N M N M Aluno Inscrito Seminário Dirigido Instrutor 3 entidades 3 entidades Aluno (N_aluno,...) Instrutor (N_Instrutor,...) Seminário (N_Seminário,...) Seminário ( ) Inscrição (N_Seminário, N_aluno,...) Direcção (N_seminário, N_Instrutor,..) Supondo que um aluno tem de ser orientado por um instrutor nos vários seminários (a intervenção do aluno é sempre a mesma, mas ocorre em vários seminários), seria necessário acrescentar outro relacionamento, obtendo-se: N M N M Aluno Inscrito Seminário Dirigido Instrutor N 1 Orientado O novo relacionamento dá origem às seguintes entidades: Aluno (N_aluno,..., N_instrutor,...) Instrutor (N_Instrutor,...) O Modelo final seria: Aluno (N_aluno,..., N_instrutor,...) Instrutor (N_Instrutor,...) Seminário (N_Seminário,...) Inscrição (N_Seminário, N_aluno,...) Direcção (N_seminário, N_Instrutor,...) Supondo ainda, que o mesmo aluno pode ter vários instrutores, que poderão ser diferentes consoante o seminário (intervenções diferentes em cada seminário ), o relacionamento orientado passaria a ser do tipo N:M. O modelo final passaria a ser: Aluno (N_aluno,...) Instrutor (N_Instrutor,...) Seminário (N_Seminário,...) Inscrição (N_Seminário, N_aluno,...) Direcção (N_seminário, N_Instrutor,...) Orientação (N_aluno, N_Instrutor,...) Questão: Quem é(são) o(s) orientador(es) de um aluno num dado seminário? só é possível determinar quais são os instrutores de um seminário e quais são os orientadores de um dado aluno. 13

14 Relacionamento ternário Resumo das regras do método Entidade-Relacionamento Seminário M Relacionamento Nº Entidades Observações Aluno N Inscrito P Instrutor 1:1 1 A Chave primária pode ser a chave de qualquer das entidades. Regra 7 Relacionamento ternário (e superior) 1:1 2 A Chave da entidade c/ participação não obrigatória tem de ser atributo na outra. São sempre necessárias quatro entidades, uma para cada entidade e uma quarta para o relacionamento; 1:1 3 A entidade do relacionamento terá como atributos as chaves de ambas as entidades A chave primária de cada entidade serve de chave primária na entidade correspondente; A entidade relativa ao relacionamento terá de ter entre os seus atributos as chaves 1:N 2 A Chave da entidade do lado 1 tem de ser atributo na entidade do lado N. primárias de cada uma das entidades; Num relacionamento de grau n são necessárias n+1 relações, de modo inteiramente idêntico. 1:N 3 A entidade do relacionamento terá como atributos as chaves de ambas as entidades. O modelo final passaria a ser: Aluno (N_aluno,...) Instrutor (N_Instrutor,...) N:M 3 A entidade do relacionamento terá como atributos as chaves de ambas as entidades. Seminário (N_Seminário,...) Inscrição (N_Seminário, N_aluno, N_instrutor,...) Obs.: Se cada aluno tiver um só instrutor num dado seminário, a chave primária da N+1 A entidade do relacionamento terá como atributos as chaves de todas as entidades. entidade seria somente N_Aluno, N_seminário. 14