Introdução. Unidade 1. Engenharia de Computação / Engenharia de Produção Banco de Dados Prof. Maria das Graças da Silva Teixeira

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1 Unidade 1 Introdução Engenharia de Computação / Engenharia de Produção Banco de Dados Prof. Maria das Graças da Silva Teixeira Material base: Banco de Dados, , prof. Otacílio José Pereira

2 Contexto na Disciplina 1 Introdução 2 Modelo Relacional 3 SQL 4 Projeto de Banco de Dados 5 Armazenamento e Indexação 6 Processamento e Otimização de Consultas 7 Gerenciamento de Transações 8 Controle de Concorrência 9 Recuperação de Falhas 10 Segurança de Banco de Dados 11 Tópicos Avançados

3 Reflexões Preliminares O que você sabe sobre Banco de Dados? Cite alguns exemplos de aplicações que utilizam banco de dados; Você conhece algum Sistema Gerenciador de Banco de Dados?

4 Roteiro Contexto Histórico Definição e objetivos Estrutura interna, estrutura de arquivos e de armazenamento Sistemas de Banco de Dados: Centralizados, Cliente-Servidor e Distribuídos Modelos de Banco de Dados: Relacional, Rede e Hierárquico

5 Contexto Histórico Relembrando a programação Em programação e no desenvolvimento de sistemas, os programas precisam manipular informações; Qual seria uma primeira forma para tornar as informações persistentes? (Persistente: a informação permanece entre execuções do sistema) Uma primeira saída seria utilizar ARQUIVOS para armazenar as informações do sistema. Para vislumbrarmos melhor este cenário, vamos imaginar: Como seria implementar um sistema para gerenciar as Contas a Pagar e a Receber de uma empresa? Imaginemos que esta implementação deve ser feita por meio de Sistemas de Arquivos em uma linguagem qualquer, em C por exemplo; Este é um cenário típico usado antigamente.

6 Contexto Histórico Avaliando a alternativa de implementação em arquivos. Quais problemas encontraríamos nesta implementação? Problemas / Desvantagens Redundância e inconsistência dos dados; Dificuldade de acesso a dados; Isolamento dos dados; Problemas de integridade; Atomicidade das operações; Acesso concorrente; Segurança.

7 Contexto Histórico Problemas no armazenamento em arquivos Redundância e inconsistência dos dados Múltiplos formatos de arquivo; Duplicação de informações em diferentes arquivos; Vários pequenos programas/funções implementados por diferentes programadores; Grande possibilidade de se tratar os mesmos dados em aplicações diferentes e com inconsistência entre eles; Exemplo: Vendas é tratada em um módulo de vendas e Contas a Receber em outro sem integração entre eles, mesmo que compartilhem informações.

8 Contexto Histórico Problemas no armazenamento em arquivos Dificuldade de Acesso a Dados Imagine que o gerente da loja precise de um novo relatório de vendas com informações diferentes de um relatório já concebido; Neste caso, para gerar o relatório, uma nova rotina, com os diversos loops e possivelmente com acesso a arquivos diferentes, deve ser implementada; Isso pode demorar muito tempo, o que compromete o atendimento à demanda do cliente e o custo também é maior.

9 Contexto Histórico Problemas no armazenamento em arquivos Isolamento dos Dados (vários arquivos e formatos). Como os dados são mais difíceis de acessar, a tendência é que eles tornem-se cada vez menos acessados e isso provoque seu isolamento, sua baixa utilização; Problemas de integridade. Como estabelecer regras sobre as informações no banco de dados? Cada regra deve ser codificada no programa. É uma maneira mais complexa e sujeita a erros; Difícil de acrescentar novas restrições ou modificar as existentes. Segurança Para implementar segurança, funções especializadas devem ser implementadas para garantir que usuários específicos acessem os dados.

10 Contexto Histórico Problemas no armazenamento em arquivos (cont) Atomicidade das operações. Falhas podem deixar o banco de dados em um estado inconsistente com atualizações parciais realizadas; Exemplo: A transferência de fundos de uma conta para outra deve ser completa ou não deve ocorrer (retirar de uma E inserir em outra). Acesso concorrente por vários usuários. Acesso concorrente necessário para o desempenho Acessos concorrentes não controlados podem levar a inconsistências Exemplo: Duas pessoas lendo um saldo e atualizando-o ao mesmo tempo.

11 Contexto Histórico Cenário atual Os problemas citados serviram de motivação para a criação de um software especializado no tratamento de dados; De forma que, atualmente é difícil pensarmos em softwares ou sistemas, sobretudo os empresariais, sem a existência de um Sistema Gerenciador de Banco de Dados; Pare um pouco e pense? Quais aplicações você utiliza hoje que envolve dados? Como você imagina que as informações manipuladas são tratadas pelo sistema?

12 Contexto Histórico Aplicações de banco de dados: Banco: todas as transações Linhas aéreas: reservas, horários Universidades: matrículas, registros, notas Vendas: clientes, produtos, compras Revendedores on-line: acompanhamento de pedidos, recomendações personalizadas Indústria: produção, estoque, pedidos, cadeia de suprimento Recursos humanos: registros de empregados, salários, deduções de impostos Os bancos de dados tocam todos os aspectos das nossas vidas.

13 Contexto Histórico Conforme destaca Silberschatz: Embora as interfaces de usuário ocultem detalhes do acesso a um banco de dados, e a maioria das pessoas nem mesmo tenha consciência de estar lidando com um banco de dados, acessar bancos de dados é uma parte essencial da vida de quase todo mundo hoje

14 Contexto Histórico Cenário Atual Imaginemos um sistema de vendas em uma loja

15 Definição e Objetivos Conforme Silberchatz: Um Sistema de Gerenciamento de Banco de Dados é uma coleção de dados inter-relacionados E um conjunto de programas para acessar esses dados; O gerenciamento de dados envolve: Definir estruturas para armazenamento de informação; Fornecer mecanismos para a manipulação de informações; Aspecto interessante da definição: Coleção de Dados + Programas para acesso.

16 Definição e Objetivos Reflexão interessante Em que outras situações de computação encontramos o par Dados + Programas? Alguns exemplos: Exemplo Programas OO TAD Hardware Empresas Dados Variáveis Atributos Estrutura Memória Documentos Processamento Fluxo de Controle Métodos Operações Instruções Atividades

17 Definição e Objetivos Diante dos problemas levantados é possível identificar os objetivos de Sistemas Gerenciadores de Banco de Dados (SGBD); Objetivo principal: Fornecer uma maneira de recuperar informações de banco de dados que seja tanto conveniente como eficiente.

18 Definição e Objetivos Outros Objetivos: Disponibilizar dados integrados para usuários e aplicações através de interfaces amigáveis; Garantir a privacidade dos dados através de medidas de segurança como permissões, senhas de acesso e criptografia; Permitir compartilhamento dos dados de forma organizada, mediando a comunicação entre aplicações e banco de dados, administrando acessos concorrentes; Possibilitar independência dos dados e com isso poupar o usuário da necessidade de conhecer detalhes de implementação interna.

19 Estrutura da Disciplina Como aprender Banco de Dados? Vale explorar alguns conceitos: Níveis de Abstração Instâncias e Esquemas Arquiteturas Modelo Relacional Linguagem SQL Projeto de BD SGBD Armazenamento Indexação Proc. Consultas Bancos de Dados Tópicos Avançados Data Warehouse Business Intelligence BD Geográficos Outros Estruturado Acessa Armazenados em Disco

20 Níveis de Abstração Nível físico: f descreve como um registro (por exemplo, cliente) é armazenado. Nível lógico: l descreve os dados armazenados no banco de dados e as relações entre eles. type cliente = registro id_cliente : string; nome_cliente : string; rua_cliente : string; cidade_cliente : string; end; Nível de view: os programas de aplicação ocultam detalhes dos tipos de dados. As views também podem ocultar informações (como o salário de um funcionário) por motivos de segurança.

21 Instâncias e Esquemas Semelhantes aos tipos e variáveis nas linguagens de programação; Esquema a estrutura lógica do banco de dados. Exemplo: O banco de dados consiste nas informações sobre um conjunto de clientes e contas e na relação entre eles; Análogo às informações de tipo de uma variável em um programa; Esquema físico: projeto de banco de dados no nível físico; Esquema lógico: projeto de banco de dados no nível lógico; Instância o conteúdo real do banco de dados em um determinado ponto no tempo. Análogo ao valor de uma variável; Independência de dados física f a capacidade de modificar o esquema físico sem mudar o esquema lógico. Aplicações dependem do esquema lógico; Em geral, as interfaces entre os vários níveis e componentes devem ser bem definidas de modo que as mudanças em algumas partes não influenciem seriamente outras.

22 Estrutura Geral A estrutura geral de um SGBD envolve, basicamente, os seguintes módulos: Processamento de Consultas; Gerenciamento de Armazenamento de Dados; Relembrando definição: SGBD = Programa + Dados; Programa: Responsável por receber e processar as consultas e enviar os resultados para o solicitante; Banco de Dados: local onde os dados estão estruturados e armazenados.

23 Processamento de Consultas Responsável pela realização de: 1. Análise e tradução 2. Otimização 3. Avaliação Maneiras alternativas de avaliar uma consulta dada: Expressões equivalentes; Diferentes algoritmos para cada operação; A diferença de custo entre um bom e um mau método de avaliar uma consulta pode ser enorme; Necessidade de estimar o custo das operações: Depende profundamente das informações sobre relações que o banco de dados precisa manter; Necessidade de estimar estatísticas para resultados intermediários para calcular custo de expressões complexas.

24 Processamento de Consultas Componentes: C F O U M N P C O I N O E A N I T S E S Processador de Consultas SGBD Compilador DML Pré-compilador DML Interpretador DDL

25 Processamento de Consultas Componentes de Processamento de Consultas: Compilador DML: Traduz comandos DML (inserir, atualizar, consultar e excluir) em instruções de baixo nível, intelegíveis ao componente de execução de consultas; Pré-Compilador DML: Embutido em linguagens de programação; Interpretador DDL: Interpreta comandos DDL (criar,destruir,...) e registra-os em tabelas de metadados; Processador de Consultas: Executa instruções de baixo nível geradas pelo compilador DML.

26 Gerenciamento de Armazenamento de Dados Gerenciador de armazenamento é um módulo de programa que fornece a interface entre os dados de baixo nível armazenados no banco de dados e os programas de aplicação e consultas submetidos ao sistema; O gerenciador de armazenamento é responsável pelas seguintes tarefas: Interagir com o gerenciador de arquivos; Armazenar, recuperar e atualizar dados eficientemente; Problemas: Acesso ao armazenamento; Organização de arquivos; Indexação e hashing. 26

27 Gerenciamento de Armazenamento de Dados Componentes: C F O U M N P C O I N O E A N I T S E S S F I I S S T I E C M O A Arquivo de Dados Gerenciador de Transações Gerenciador de Arquivos Dicionário de Dados SGBD Gerenciador de Autorizações Gerenciador de Buffer Índices Estatísticas 27

28 Gerenciamento de Armazenamento de Dados Gerenciador de Arquivos: Trata a estruturação e a forma como os dados serão acessados nos arquivos; Gerenciador de Buffer: Toda informação recuperada de arquivo fica em um buffer em memória. Este buffer é gerenciado por esta parte; Gerenciador de Transações: A manipulação dos dados ocorrem por meio de transações que são gerenciadas por esta parte; Gerenciador de Autorizações: Visa verificar se o usuário que está manipulando os dados de fato tem permissão para realizar a operação.

29 Gerenciamento de Armazenamento de Dados Arquivos de dados: Contém os dados em si; Dicionário 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 e outros; Índices: São estruturas que permitem um acesso mais eficiente aos dados; Estatísticas: Representam informações sobre os dados que permitem ao SGBD identificar a melhor forma de acessá-los.

30 Gerenciamento de Transação Uma transação é um conjunto de operações que realiza uma única função lógica em uma aplicação de banco de dados; O componente de gerenciamento de transação garante que o banco de dados permanece em um estado consistente (correto) apesar de falhas do sistema (por exemplo, interrupções de energia e falhas do sistema operacional) e falhas de transação; O gerenciador de controle de concorrência controla a interação entre as transações concorrentes para assegurar a consistência do banco de dados.

31 Estrutura Geral 31

32 Usuários Administrador do Banco Dados Os usuários são diferenciados pela forma como irão interagir com o banco de dados. Acessa Usuário Final; Administrador do Banco de Dados; Analista / Administrador de Dados. Estruturado Armazenados em Disco

33 Administrador de Banco de Dados (DBA) Coordena todas as atividades do sistema de banco de dados; O administrador de banco de dados tem um bom conhecimento dos recursos e necessidades de informação da empresa; As responsabilidades do administrador de banco de dados incluem: Definição de esquema; Estrutura de armazenamento e definição de método de acesso; Modificação de esquema e de organização física; Concessão de autorização para acesso ao banco de dados; Especificar restrições de integridade; Agir como ligação com os usuários; Monitorar o desempenho e responder a mudanças em requisições.

34 Arquiteturas de Sistemas A arquitetura de Sistemas de Banco de Dados é influenciada por aspectos da arquitetura de computador como redes, paralelismo e distribuição; Podem ser identificadas as seguintes arquiteturas: Sistemas Centralizados; Sistemas Cliente Servidor; Sistemas Paralelos (Multi-processador); Sistemas Distribuídos.

35 Arquiteturas de Sistemas Sistemas Centralizados Em geral, baseados em mainframes; O processamento e a interface com o usuário é processada no sistema centralizado. A interface é enviada para um terminal burro onde é visualizada pelo usuário; O terminal não realiza nenhum processamento, apenas apresenta informações ao usuário. É como se fosse uma extensão do monitor de vídeo plugado em um computador central; O sistema gerenciador do banco de dados é instalado no sistema central, onde tanto o processamento (back-end) como a interface (front-end) é executada neste computador.

36 Arquiteturas de Sistemas Sistemas Cliente - Servidor Surgiu a partir do advento das redes; Neste caso existe um servidor responsável pelo processamento das consultas e transações (back-end); Existe um computador-cliente (front-end) responsável por enviar as consultas e exibir os resultados obtidos a partir do servidor; O computador-cliente precisa ter instalado uma parte da tecnologia do SGBD, responsável por fazer a comunicação com o servidor.

37 Arquiteturas de Sistemas Sistemas Paralelos Vale destacar dois tipos: Paralelismo com alguns processadores (Granularidade Grossa); Paralelismo com várias unidades de processamento (Granularidade Fina); Computadores com alguns processadores: Permitem que consultas que chegam ao servidor sejam roteadas para cada unidade de processamento; A consulta em si não é dividida, ela é realizada por um único processador; O que se consegue é distribuir as consultas entre os diversos processadores; Este é o cenário mais comum de ser encontrado; Computadores com várias unidades de processamento: Este é um cenário mais específico; Neste caso as consultas em pedaços de trabalho menores são paralelizadas entre os diversos processadores; É empregado em bancos de dados que precisam processar grandes volumes de dados (Terabytes); Fatores impactados: Throughput: número de transações processadas por tempo; Tempo de resposta: tempo entre o início e o fim do processamento de uma consulta.

38 Arquiteturas de Sistemas Sistemas Distribuídos Neste caso os dados são distribuídos em diversos computadores, geralmente separados geograficamente; Por exemplo, imagine uma rede de lojas em que cada filial e a matriz apresentem seus bancos de dados contendo informações de catálogo de produtos e vendas; Distinção entre sistemas paralelos e sistemas distribuídos: No sistema distribuído, cada nó representa um conjunto separado de CPU+Memória+Disco ; Em sistemas paralelos, partes são compartilhadas entre as unidades de processamento.

39 Modelos de Dados Um Modelo de Dados é uma coleção de mecanismos para descrever dados, relações de dados, semântica de dados e restrições de consistência; Em Bancos de Dados, alguns modelos empregados são: Modelo Relacional; Modelo de Entidade e Relacionamento; Modelo de Dados Baseado em Objetos; Modelo de Dados Semi-estruturados; Antigamente, estudavam-se também Modelo de Dados em Rede; Modelo de Dados Hierárquicos; Atualmente estes modelos não estão mais em uso.

40 Modelos de Dados Modelo de Entidade e Relacionamento: Empregado para mapear elementos do mundo real em um nível mais alto; Representa os objetos do mundo como entidades e suas relações; Entidade: uma coisa ou objeto na empresa que é distinguível dos outros objetos. É descrito por um conjunto de atributos; Relacionamento: uma associação entre várias entidades; Representado graficamente por um diagrama entidade-relacionamento; Modelo de Dados Relacional: Utiliza tabelas para representar os dados e as relações entre os dados em que cada tabela é organizada em linhas e colunas;

41 Modelos de Dados Modelo de Dados Baseado em Objetos: Estendem o modelo de dados relacional incluindo orientação a objeto e construções para lidar com tipos de dados inseridos. Permitem que atributos de tuplas tenham tipos complexos, incluindo valores não atômicos como relações aninhadas. Preservam as fundações relacionais, em especial o acesso declarativo aos dados, enquanto estendem a capacidade de modelagem. Fornecem compatibilidade com linguagens relacionais posteriores existentes. Modelo de Dados Semi-estruturados: Permitem uma especificação de dados em que itens de dados individuais do mesmo tipo possam ter diferentes conjuntos de atributos; Uso de XML.

42 XML: Extensible Markup Language Definida pelo WWW Consortium (W3C); Originalmente criada como uma linguagem de marcação de documento, não como uma linguagem de banco de dados; A capacidade de especificar novas tags e criar estruturas de tag aninhadas tornaram a XML uma excelente maneira de trocar dados, não apenas documentos; A XML se tornou a base para todos os formatos de intercâmbio de dados da nova geração; Uma ampla variedade de ferramentas está disponível para análise, navegação e consulta de dados/documentos XML.

43 Modelos de Dados Exemplo de banco de Dados Relacional:

44 Modelos de Dados Exemplo de Diagrama de Entidade e Relacionamentos:

45 Linguagem de Manipulação de Dados (DML) Linguagem para acessar e manipular os dados organizados pelo modelo de dados apropriado. A DML também é conhecida como Linguagem de Consulta. Duas classes de linguagem: Procedurais usuário especifica que dados são necessários e como obter esses dados; Declarativas (não procedurais) usuário especifica que dados são necessários sem especificar como obter esses dados; SQL é a linguagem de consulta mais utilizada.

46 Linguagem de Definição de Dados (DDL) Notação de especificação para definir o esquema de banco de dados. Exemplo: create table conta ( número_conta char(10), saldo integer) O compilador DDL gera um conjunto de tabelas armazenado em um dicionário de dados; O dicionário de dados contém metadados (ou seja, dados sobre os dados). Esquema de banco de dados; Linguagem de armazenamento e definição de dados; Especifica a estrutura de armazenamento e os métodos de acesso usados Restrições de integridade: Registros de domínio; Integridade referencial (restrição de referências na SQL); Afirmações/Assertivas; Autorização.

47 SQL (Structured Query Language) SQL: linguagem não procedural amplamente usada. Exemplo: encontre o nome do cliente com id_cliente select cliente.nome_cliente from cliente where cliente.id_cliente = Exemplo: encontre os saldos de todas as contas pertencentes ao cliente com id_cliente select conta.saldo from depositante, conta where depositante.id_cliente = and depositante.número_conta = conta.número_conta Os programas de aplicação geralmente acessam banco de dados através de: Extensões de linguagem para permitir SQL embutida; Interface de programa de aplicação (por exemplo, ODBC/JDBC), que permite que consultas SQL sejam enviadas a um banco de dados.

48 Projeto de Banco de Dados O processo de projetar a estrutura geral do banco de dados. Projeto Lógico Decidir sobre o esquema de banco de dados. O projeto de banco de dados exige encontrar uma boa coleção de esquemas de relação. Decisão empresarial Que atributos devemos registrar no banco de dados? Decisão de ciência da computação Que esquemas de relação devemos ter e como os atributos devem ser distribuídos entre os vários esquemas de relação? Projeto Físico Decidir sobre o layout físico do banco de dados.

49 Terminologia OLTP vs OLAP Estas são duas siglas comumente encontradas em bancos de dados; On-line Transactional Processing (OLTP) São bancos de dados cuja ênfase é dar suporte às transações de um determinado negócio; Suas estruturas de armazenamento e consulta são voltadas para melhorar a capacidade de inserção, alteração, exclusão e consulta dos dados; Em termos de negócio, são bancos que armazenam informações de nível operacional.

50 Terminologia OLTP versus OLAP (cont) Online Analitical Processing (OLAP) São bancos de dados cuja ênfase é dar suporte às consultas; Suas estruturas de armazenamento são voltadas para se obter um excelente tempo de resposta para consulta à grande volume de dados; Em termos de negócio, são bancos de dados que servem de suporte para os níveis tático e estratégico, isto é, a alta direção da empresa; Estes níveis precisam de uma análise integradas das informações do negócio e isso é feito através destes bancos OLAP.

51 Exemplos Linha de Software Livre MySQL (http://www.mysql.com/) PostGre SQL (http://www.postgresql.org/) HSQLDB (http://hsqldb.org/) Interbase (http://www.embarcadero.com/products/interbasesmp) Firebird (http://www.firebirdsql.org/) Linha comercial Microsoft SQL Server (http://www.microsoft.com/sqlserver/2008/pt/br/default.aspx) Microsoft Access (http://office.microsoft.com/pt-br/access/) Oracle (http://www.oracle.com/us/products/database/index.htm) IBM DB2 (http://www-01.ibm.com/software/data/db2/) SyBase (http://www.sybase.com/products/databasemanagement)

52 Para estudos Lista de Exercícios (disponibilizada no site); Leitura: SILBERSCHATZ, A. et.al. Sistema de banco de dados. 5.ed. Rio de Janeiro: Elsevier, Capítulo 1 Introdução.

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