Sistemas de Gerência de Bancos de Dados

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1 Sistemas de Gerência de Bancos de Dados Módulo 0 - Modelos de Dados e Linguagens de Consulta modulo0.prz 1 03/08/01

2 Tópicos Introdução Modelo Relacional Modelo de Objetos Modelo de Dados Semi-Estruturados modulo0.prz 2 03/08/01

3 Introdução Revisão do conceito de modelo de dados: modelo de dados = estrutura + consistência + operações estrutura: tipos + construtores influencia todos os componentes do SGBD consistência: assertivas + triggers influenciam o controle de consistência operações: consultas + atualizações influenciam o otimizador modulo0.prz 3 03/08/01

4 Introdução Linguagem de Definição de Dados (LDD): comandos para definição do esquema lógico e físico do BD Linguagem de Manipulação de Dados (LMD): comandos para especificação de consultas ao BD comandos para manipulação dos dados no BD: inserção atualização deleção Classificação das linguagens: procedimentais: consultas especificam a ordem de execução das operações necessárias para obter a resposta declarativas: consultas especificam a resposta, sem indicar que operações devem ser realizadas para obtê-la modulo0.prz 4 03/08/01

5 Modelo Relacional estrutura: tuplas relações 1NF x NF2 operações: álgebra / cálculo relacional / SQL consistência: dependências funcionais (incluindo chaves) dependências de inclusão (sinônimo de integridade referencial) outras dependências assertivas + triggers modulo0.prz 5 03/08/01

6 Modelo Relacional Cálculo Relacional linguagem declarativa paradigma para as linguagens relacionais Álgebra Relacional procedimental mesmo poder de expressão que o Cálculo Relacional variantes da Álgebra Relacional são usadas internamente pelos SGBDs relacionais durante a otimização de consultas SQL - Structured Query Language originária do Cálculo Relacional semi-declarativa interface padrão dos SGBDs relacionais modulo0.prz 6 03/08/01

7 Álgebra Relacional Álgebra Relacional: operações mapeiam uma ou mais relações em uma nova relação algumas operações impõem restrições nas relações de entrada Operações: Básicas: oriundas da teoria de conjuntos: Produto Cartesiano, União e Diferença específicas para relações: Seleção, Projeção e Renomeção Adicionais oriundas da teoria de conjuntos: Interseção específicas para relações: Divisão e Junção Notas: as operações básicas são suficientes para exprimir as mesmas consultas que o Cálculo Relacional as operações adicionais ajudam a formular certas consultas que seriam muito complexas de exprimir usando apenas as operações básicas modulo0.prz 7 03/08/01

8 Álgebra Relacional Expressão Restrições E F, E - F, E F gr(e)=gr(f) e E e F têm atributos compatíveis R := E selecione R onde P omite-se a lista de atributos de R quando for possível determiná-los a partir de E P é predicado de seleção para R, ou seja, os termos de P só envolvem atributos de R projete R em A 1,... A n A 1,...,A n são atributos de R junte R e S onde P P é predicado de junção para R e S, ou seja, os termos só envolvem expressões da forma R.A, onde A é um atributo de R, ou da forma S.A, onde A é um atributo de S e as comparações são sobre termos de relações diferentes modulo0.prz 8 03/08/01

9 Álgebra Relacional Exemplos: Esquema Relacional do Banco de Dados: Disc[Cod, End, Matr, Nível] Prof[Matr, Nome, Idade] Estado do Banco de Dados: Disc Cod End Matr Nível Prof Matr Nome Idade inf1731 L GR Pedro 46 inf1732 L GR Manuel 33 inf1732 L GR José 66 inf2324 L PG modulo0.prz 9 03/08/01

10 Exemplos (cont.): Álgebra Relacional Qual o nome dos professores com mais de 45 anos que lecionam disciplinas na GR? R1 := junte Disc e Prof onde DiscPG.Matr = Prof.Matr; R2 := selecione R1 onde Nível = GR e Idade > 45; R3 := projete R2 em Nome; ou, equivalentemente: R1 := selecione Disc onde Nível = GR; R2 := selecione Prof onde Idade > 45; R3 := junte R1 e R2 onde R1.Matr = R2.Matr; R4 := projete R3 em Nome; modulo0.prz 10 03/08/01

11 Álgebra Relacional Representação de expressões por árvores: R1 := junte Disc e Prof onde DiscPG.Matr = Prof.Matr; R2 := selecione R1 onde Nível = GR e Idade > 45; R3 := projete R2 em Nome; Nome " Nível = GR e Idade > 45 _ Disc.Matr = Prof.Matr Disc Prof R1 := selecione Disc onde Nível = GR; R2 := selecione Prof onde Idade > 45; R3 := junte R1 e R2 onde R1.Matr = R2.Matr; R4 := projete R3 em Nome; Nome _ Disc.Matr = Prof.Matr " " Nível = GR Idade > 45 modulo0.prz 11 03/08/01 Disc Prof

12 SQL SQL linguagem padrão para SGBDs relacionais derivada do SEQUEL (Structured English QUEry Language) e do Cálculo Relacional padronizada: um dos principais fatores de sucesso dos modelo relacional sucessão de padrões modulo0.prz 12 03/08/01

13 SQL SQL-86 (SQL1) padrão inicialmente desenvolvido no âmbito da ANSI e subsequentemente aprovado pela ISO SQL-89 extensão do SQL-86 publicado em89 modulo0.prz 13 03/08/01

14 SQL SQL-92 (SQL2) padrão aprovado pela ISO dividido em: entry level: define um conjunto mínimo de comandos para ser considerado SQL padrão intermediate level full SGBDs comerciais implementam: entry level parte do intermediate level e parte do full definições próprias modulo0.prz 14 03/08/01

15 SQL SQL-99 (SQL3): padrão aprovado no final de 1999 pela ISO SGBDs comerciais já implementam parte do SQL-99: triggers stored procedures queries recursivas modulo0.prz 15 03/08/01

16 SQL Consultas em SQL: estrutura básica da forma select-from-where: select <lista de resultados> from <lista de tabelas> where <qualificação> consultas simples: correspondem diretamente à Álgebra Relacional consultas com aninhamento: envolvem outras consultas consultas com agregação: envolvem operadores de agregação modulo0.prz 16 03/08/01

17 Consultas Simples: SQL - Consultas Simples consultas da forma select-from-where: select <lista de resultados> from <lista de tabelas> where <qualificação> onde a lista de resultados e a qualificação envolvem apenas valores de atributos ou combinação de consultas simples, das formas: (Q1 union Q2) Q1 Q2 (Q1 except Q2) Q1 - Q2 (Q1 intersect Q2) Q1 Q2 Nota: divisão é expressa mais facilmente através de consultas aninhadas modulo0.prz 17 03/08/01

18 SQL - Consultas Simples Consultas Simples (cont.): a qualificação é uma expressão booleana de comparações comparações simples: V k V W comparação entre o valor V de um atributo e uma constante k comparação entre dos valores V e W de atributos outras formas de comparação (V é o valor de um atributo) : V like P V é uma cadeia de caracteres que deve satisfazer o padrão P (V between N and M) V é um valor numérico no intervalo [N,M] V in (a, b,c,...) V deve pertencer ao conjunto {a,b,c,...} V is null V deve ser nulo modulo0.prz 18 03/08/01

19 SQL - Consultas com Aninhamento Consultas com Aninhamento: a qualificação de uma consulta com aninhamento P é uma expressão booleana envolvendo: termos da Teoria dos Conjuntos: (Q1 union Q2) (Q1 except Q2) (a diferença Q1 - Q2) (Q1 intersect Q2) (continua na próxima página) modulo0.prz 19 03/08/01

20 SQL - Consultas com Aninhamento Consultas com Aninhamento (cont.): comparações entre o valor V de um atributo e a resposta de Q V in (Q) V = some (Q) V = any (Q) V some (Q) V any (Q) V deve pertencer ao resultado de Q V é igual a alguma tupla no resultado de Q V é igual a todas as tuplas no resultado de Q generalização para uma comparação quantificação existencial (ou a sua negação) exists (Q) not exists (Q) o resultado de Q não é vazio o resultado de Q é vazio modulo0.prz 20 03/08/01

21 SQL - Consultas com Agregação Consultas com Agregação: a lista de resultados ou a qualificação de uma consulta com agregação P contém uma ou mais operadores de agregação, ou seja, operadores que mapeiam conjuntos em valores a consulta pode conter ainda uma cláusula de agrupamento e uma condição de agrupamento adicionais: select <lista de resultados> from <lista de tabelas> where <qualificação> group by <lista de atributos de agrupamento> having <condição de agrupamento> modulo0.prz 21 03/08/01

22 SQL - Consultas com Agregação Consultas com Agregação (cont.): operadores de agregação podem ser utilizados na lista de resultados ou na condição de agrupamento operadores de agregação: count sum max min avg retorna a cardinalidade do conjunto retorna a soma dos valores retorna o valor máximo (desde que o domínio seja ordenado) retorna o valor mínimo (desde que o domínio seja ordenado) retorna a soma dos valores o argumento pode conter a opção distinct para filtrar duplicatas modulo0.prz 22 03/08/01

23 Resumo Modelo Relacional: tuplas + relações dependências funcionais e outras 1NF x NF2 SQL3: triggers stored procedures queries recursivas conceitos de NF2 modulo0.prz 23 03/08/01

24 Convencionais X OO: Modelo de Objetos Estruturas Fixas Estruturas Estendíveis Operações Fixas Convencional Estruturalmente Orientado a Objetos Operações Estendíveis Comportalmente Orientado a Objetos Completamente Orientado a Objetos modulo0.prz 24 03/08/01

25 Modelo de Objetos ODMG - Object Database Management Group: Fundação: setembro de 1991 Objetivo: definir um padrão para garantir a portabilidade das aplicações escritas seguindo o modelo OO Presidente: R. G. G. Cattell Web site: Versões: ODMG 1.2 (1993) ODMG 2.0 (março 1997) ODMG 3.0 (janeiro 2000) Padrões definidos pelo ODMG: modelo de objetos linguagem de definição de dados - ODL linguagem de consulta - OQL acoplamento com C++, Smalltalk e Java modulo0.prz 25 03/08/01

26 Literal = valor + comportamento Classificação dos literais: Modelo de Objetos atomic estrutured collection corresponde aos tipos de dados simples criado usando o construtor Struct criado com os construtores Set<t>, Bag<t>, List<t>, Array<t>, Dictionary<k,t> onde t é o tipo de objetos ou literais na coleção e k é o tipo da chave, no caso de dicionários (note que t pode ser um tipo de objeto ou literal) modulo0.prz 26 03/08/01

27 Modelo de Objetos Objeto = OID + nome + estado + comportamento OID = identificador interno gerado pelo sistema, não sendo visível ao usuário nome: é opcional deverá ser único no BD a que o objeto pertence os objetos nomeados servirão de pontos de entrada para o BD estado = valores das propriedades do objeto, incluindo: atributos do objeto relacionamentos (binários) entre o objeto e outros objetos comportamento = operações permitidas sobre o objeto modulo0.prz 27 03/08/01

28 Modelo de Objetos Interface = definição de estrutura + assinaturas de operações as interfaces não podem ser instanciadas, ou seja, não podem gerar conjuntos de objetos utilizadas essencialmente para organizar as operações modulo0.prz 28 03/08/01

29 Modelo de Objetos Classes = definição de estrutura + assinaturas de operações as classes podem ser instanciadas, ou seja, podem gerar extensões - conjuntos de objetos - e definir chaves para estas extensões a definição da estrutura inclui a especificação de: atributos: simples e complexos de referência, utilizados para representar relacionamentos 1-n entre os objetos da classe e objetos de outra classe relacionamentos: utilizados para representar relacionamentos binários 1-n ou n-m entre os objetos da classe e objetos de outra classe: permitem especificar o relacionamento inverso não devem ser utilizados quando o relacionamento n-m possui atributos modulo0.prz 29 03/08/01

30 Modelo de Objetos Herança Comportamental (via ":") uma interface pode ser uma especialização de outras interfaces, das quais herda as operações uma classe pode ser uma especialização de outras interfaces, das quais herda as operações Herança Comportamental e Estrutural (via Extends) uma classe pode ser uma especialização de apenas outra classe, da qual herda a estrutura e as operações modulo0.prz 30 03/08/01

31 Modelo de Objetos Extensão = conjunto de objetos seguindo a definição de uma classe uma extensão possui um nome uma extensão pode ter uma ou mais chaves, definidas por listas de atributos ou relacionamentos da classe se C é uma especialização de D, então a extensão de C deve ser um subconjunto de D modulo0.prz 31 03/08/01

32 ODL - Object Definition Language ODL: segue o modelo OO definido pelo ODMG, permitindo definir: interfaces classes especializações estruturais e comportamentais modulo0.prz 32 03/08/01

33 ODL - Object Definition Language Leilão Artista composto-por cria compõe criada-por arremado-por Lote inclui incluida-em Obra (extends) arremata Cliente Pintura Escultura Outra modulo0.prz 33 03/08/01

34 ODL - Object Definition Language Leilão L1 L2 composto-por compõe L1 L2 L1 L2 1 - n Lote t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 t1 t2 t3 t4 n - m Obra o1 o2 o3 o4 o1 o2 o3 o4 o1 o2 o3 o4 incluida-em inclui modulo0.prz 34 03/08/01

35 ODL - Object Definition Language class Artista ( extent artistas key nome) ( attribute stringnome; attribute date DN; attribute date DN; attribute stringbio; relationship set<obra> cria inverse Obra::criada-por; void cadastra ( in integer nome; in date dn; in date df) raises(nome_duplicado) ) modulo0.prz 35 03/08/01

36 Consulta em OQL: OQL - Object Query Language parte dos pontos de entrada do BD (objetos persistentes nomeados) constrói, como resposta, um objeto (tipicamente uma coleção) utiliza variáveis de iteração para varrer coleções utiliza expressões de caminho para chegar aos objetos não nomeados modulo0.prz 36 03/08/01

37 OQL - Object Query Language Expressão de caminho: nome de objeto persistente, ou de variável de iteração, seguido por zero ou mais nomes de atributos ou de relacionamentos, separados por "." exemplos: seja L uma variável de iteração varrendo leilões L.data retorna a data do leilão apontado por L L.composto-por retorna o conjunto dos lotes do leilão apontado por L, ou seja, um objeto do tipo Set<Lote> L.composto-por.inclui retorna o conjunto das obras dos lotes do leilão apontado por L, ou seja, um objeto do tipo Set<Obra> L.composto-por.valor não é uma expressão de caminho válida pois o resultado pode ser um objeto do tipo Set<float> ou do tipo Bag<float> modulo0.prz 37 03/08/01

38 Consulta simples: OQL - Object Query Language formulada apenas como uma expressão de caminho, começando pelo nome de um objeto persistente Consulta associativa: segue a sintaxe básica do SQL - select-from-where modulo0.prz 38 03/08/01

39 OQL - Object Query Language Exemplos de consultas simples: "Retorne uma referência à coleção de leilões" leilões; Suponha que L seja o nome de um objeto do tipo Leilão "Retorne uma referência a todos os lotes do leilão L " L composto-por; modulo0.prz 39 03/08/01

40 OQL - Object Query Language Exemplos de consultas associativas: "Liste a data dos leilões, com seus lotes e valores arrematados, para os leilões realizados em 2000" ' ' valor '22K' leilões L data L1 composto-por composto-por t1 t2 numero numero '100' '101' Nota: leilões = objeto nomeado do BD L = variável de iteração sobre leilões valor '10K' modulo0.prz 40 03/08/01

41 OQL - Object Query Language Exemplos de consultas associativas (cont.): "Liste a data dos leilões, com seus lotes e valores arrematados, para os leilões realizados em 2000" select struct ( dleilão: L.data, lotes: ( select struct ( num: T.numero, val: T.valor ) from T in L.composto-por ) ) from L in leilões where L.data.year = '2000' ; modulo0.prz 41 03/08/01

42 OQL - Object Query Language Exemplos de consultas associativas (cont.): "Liste a data dos leilões com a média dos valores arrematados, para os leilões realizados em 2000" select struct ( dleilão: L.data, mleilão:avg (select T.valor from T in L.composto-por ) ) from L in leilões where L.data.year = '2000' ) modulo0.prz 42 03/08/01

43 Resumo Modelo OO: Literal = valor + comportamento Objeto = OID + nome + estado + comportamento Fábrica = objeto utilizado para gerar ou criar outros objetos Interface = definição de estrutura + assinaturas de operações não podem gerar conjuntos de objetos Classes = definição de estrutura + assinaturas de operações as classes podem gerar extensões e definir chaves Herança Comportamental (via ":") Herança Comportamental e Estrutural (via Extends) ODL - segue o modelo OO definido pelo ODMG OQL - semelhante a SQL, mas incluindo: objetos arbitrários como respostas variáveis de iteração para varrer coleções expressões de caminho para chegar aos objetos não nomeados visões, pertinência e quantificação modulo0.prz 43 03/08/01

44 Modelo de Dados Semi-estruturados Características principais dos dados semi-estruturados: sem imposição de tipos auto-descritivos: a descrição da estrutura está implícita nos dados, ou a descrição da estrutura acompanha os dados esquema conceitual: opcional descritivo, não prescritivo: dados podem divergir da descrição do esquema modulo0.prz 44 03/08/01

45 Modelo de Dados Semi-estruturados Características principais... (cont.): dados semi-estruturados: estrutura é interpretada (a partir da descrição nos próprios dados) X dados estruturados: estrutura é compilada (no esquema conceitual) modulo0.prz 45 03/08/01

46 Modelo de Dados Semi-estruturados Exemplos de modelos para dados semi-estruturados: listas (como em LISP!) grafos rotulados exemplo: leilão OHLODR GDWD ORWH QR YDORU REUDHP REUD&KDOXSD REUD9DUDQGD data no obra lote valor obra-em obra Chalupa Varanda modulo0.prz 46 03/08/01

47 Modelo de Dados Semi-estruturados Aplicações: dados semi--estruturados facilitam: integração de fontes de dados: sintaticamente heterogêneas, mas semanticamente próximas autônomas na organização e na disseminação dos dados: organização pode mudar disponibilidade da fonte pode mudar intercâmbio de dados entre aplicações da mesma área: definição de uma sintaxe comum definição de uma semântica comum (ontologia ou modelo de dados) modulo0.prz 47 03/08/01

48 XML XML Working Group do World Wide Web Consortium (W3C): Fundação: 1996 Presidente: Jon Bosak (Sun Microsystems) Objetivo: definir um subconjunto de SGML com o objetivo de permitir intercâmbio de documentos na Web Web site: Versões: XML 1.0 (February 1998) XML Second Edition (October 2000) Padrões definidos pelo XML Working Group: XML - Extensible Markup Language XLL - Extensible Linking Language XSL - Extensible Style Language SAX - Simple API for XML DOM - Document Object Model modulo0.prz 48 03/08/01

49 XML Características principais de XML: projetada para definir documentos estruturados conteúdo do documento = descrição da estrutura + dados não indica forma de apresentação de documentos descrição da forma de apresentação separada do conteúdo do documento (contrastando com HTML) modulo0.prz 49 03/08/01

50 XML Estrutura lógica de um documento XML Prólogo Declaração XML indica a versão do XML e outras informações para a aplicação que processará o documento DTD - Document type definition: regras estruturais para o documento e declarações de recursos externos e internos Corpo do documento lista de elementos aninhados e outros componentes modulo0.prz 50 03/08/01

51 XML Básico Elemento: texto delimitado por uma tag de início e uma tag de fim elementos podem ser aninhados tags não são pré-definidas exemplo: EG! OHLODR! GDWD!GDWD! ORWH! QR!QR! YDORU!YDORU! REUD!&KDOXSD $GHUQDGDREUD! ORWH! OHLODR! EG! modulo0.prz 51 03/08/01

52 DTD - Document Type Definition DTD - Document Type Definition:: '2&7<3( QRPH tag opcional que, se presente, deverá ocorre imediatamente após à PI "[PO! especifica uma gramática livre de contexto à qual o documento deverá aderir faz o papel do esquema conceitual para uma coleção de documentos XML modulo0.prz 52 03/08/01

53 "[PO YHUVLRQ "! '2&7<3( EG > (/(0(17 EG OHLODR! (/(0(17 OHLODR GDWDORWH! (/(0(17 GDWD 3&'$7$! (/(0(17 ORWH QRYDORUREUD! (/(0(17 QR 3&'$7$! (/(0(17 YDORU 3&'$7$! (/(0(17 REUD EG! OHLODR! GDWD!GDWD! ORWH! QR!QR! YDORU!YDORU! REUD!&KDOXSD $GHUQDGDREUD! ORWH! OHLODR! EG! modulo0.prz 53 03/08/01

54 ELEMENT: DTD - Document Type Definition (/(0(17 QRPH H[SUHVVmR UHJXODU! expressões regulares: ( zero ou mais repetições de E ( uma ou mais repetições de E (" zero ou uma ocorrência de E ( _ ) RX ( RX ) RFRUUHP () ( FRQFDWHQDGD FRP ) ( parentetização de E a definição de ELEMENTs pode ser recursiva (/(0(17 QR IROKD _ QRQR! (/(0(17 IROKD 3&'$7$! modulo0.prz 54 03/08/01

55 DTD - Document Type Definition Limitações de DTDs: DTDs impõe ordem na ocorrência de elementos: limitação decorrente do uso de expressões regulares DTDs possuem tipos de dados limitados: ID, IDREF, IDREF referências #PCDATA cadeias de caracteres definição das tags é global à DTD: duas tags que ocorram apenas aninhadas em tags distintas não podem ter o mesmo nome problema contornado através da noção de namespace não há restrições fortes sobre IDs e IDREFs: os valores dos atributos dos tipos IDREF ou IDREFS não estão restritos aos elementos do tipo desejado modulo0.prz 55 03/08/01

56 Resumo XML: projetada para descrever conteúdo de documentos, e não apresentação tags indicam estrutura de documentos DTD - Document Type Definition gramática especificando o formato de um conjunto de documentos Entidades: compõem a estrutura física de um documento XML XLink e XPointer: permite a declaração de elos entre documentos Propostas para especificação de tipos em XML: DCD - Document Content Description, XML-schema e XML-data APIs para XML: SAX - Simple API for XML DOM - Document Object Model modulo0.prz 56 03/08/01