Fundamentos de BD. BD inteligente. Information retrieval BD OO Inteligência artificial Hipermídia. Objetos complexos Modelos semânticos Linguagens OO

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1 Fundamentos de BD BD inteligente Information retrieval BD OO Inteligência artificial Hipermídia Objetos complexos Modelos semânticos Linguagens OO BD relacional BD em rede BD hierárquico Sistema de arquivos Arquitetura de BDs centralizados Arquitetura em 3 níveis (proposta ANSI/SPARC 75, 78) As operações sobre dados são descritas através de uma DML Data Manipulation Language Operações de I/O Recuperação e armazenamento dos dados Cada schema é descrito com o uso de uma DDL Data Description Language Definição de meta-dados Catálogo de objetos registrados na base de dados Modelos de dados são utilizados para a representação dos dados nos diversos níveis da arquitetura, segundo um paradigma qualquer No nível interno são utilizados os modelos físicos Nos níveis conceitual e externo são utilizados modelos conceituais e modelos lógicos Conceitual: ERD (Relacional), DB Semântico Lógico: árvore de segmentos (Hierárquico), Data-sets (Rede) 2

2 Arquitetura de BDs centralizados Usuário Usuário A1 A1 Usuário A2 Usuário A2 Usuário Usuário B1 B1 Usuário Usuário B2 B2 Visão Visão Externa Externa A Visão Visão externa externa B Mapeamento externo/conceitual Mapeamento Visão Visão conceitual conceitual Mapeamento conceitual/interno SGBD SGBD Banco de Dados Armazenado (Visão interna) Modelos de Dados Modelos Conceituais Representam a semântica do mundo real (são modelos do significado intrínseco da informação representada) Abstração de conceitos mais próximos da percepção da realidade dos usuários da informação 3

3 Modelos de Dados Investimento Número Movimento Data Indicador Número Agência Número Cliente Valor Nome Nome Cidade Endereço Tipo Data Início Data Fim Saldo CPF Financiamento Montante Data InícioNº Parcelas Modelos Lógicos São utilizados para a implementação de SGBDs Utilizam estruturas de registros para descrever dados São classificados de acordo com o tipo de estrutura e operações em que se baseiam: Hierárquico Rede Relacional Listas invertidas OO Arquitetura de um SGBD usuários simples programa de aplicações usuários ocasionais DBA programas de aplicação compilador + chamadas DML consultas DML define esquema BD pré-compilador DML otimizador DML processador de consultas DML compilador DDL código objeto do programa de aplicação SGBD arquivos de dados gerenciador de arquivos do SO arquivos de índices dicionário de dados 4

4 Arquitetura de um SGBD SGBD Deve oferecer um conjunto de facilidades e serviços que definem a capacidade que um sistema deve possuir para ser considerado um sistema de banco de dados Principais funções Manutenção da estrutura física dos dados Os objetos do BD devem ser persistentes Uso de linguagem para armazenar e recuperar dados Definição de dados via DDL Manipulação de dados via DML Facilidades para manter a integridade e a segurança dos dados Suporte a múltiplos usuários interagindo com o BD, com acesso concorrente Transações e concorrência Bloqueios e recuperação Facilidades para backup e restauração de dados corrompidos Facilidades para manutenção dos meta-dados Prover independência entre dados e programas Prover ferramentas para administração de dados, manutenção e consulta ao catálogo Arquitetura de um SGBD User Query User Interface Análise e Tradução da Consulta Otimizador Scheduler Subsistema Armazenamento Buffer de Dados Integridade Segurança Recuperação Catálogo Banco de Dados 5

5 Usuários de um SGBD Usam DBA = Administrador do Banco de Dados DA = Administrador de Dados Analista de Sistemas projetistas de BD desenvolvedores de aplicações Usuários finais casuais paramétricos sofisticados Projetam Projetistas e implementadores de SGBD Desenvolvedores de ferramentas CASE (upper,lower, i-case) geradores de telas e relatórios 4GL linguagens naturais monitores de performance Mantêm Analistas de Suporte DBA Responsabilidades do DBA Decidir o conteúdo de informações do banco de dados; Decidir a estratégia de armazenamento e a estratégia de acesso; Servir de elo de ligação entre os diversos usuários do BD; Definir os controles de segurança e integridade; Definir a estratégia de backup e recuperação; Monitorar o desempenho e atender as necessidades de modificações. Rotinas de carga de banco de dados; Rotinas de dump e de recuperação; Rotinas de reorganização; Rotinas estatísticas; Rotinas analíticas. Qual a diferença entre o DA e o DBA? 6

6 Modelo Hierárquico Segmento pai AGÊNCIA Segmento raiz (root) CLIENTE INVESTIMENTO FINANCIAMENTO Segmento filho MOVIMENTO Modelo Hierárquico - IMS DBD - Data Base Description DBD NAME=BANCO SEGM NAME=AGENCIA,BYTES=64 FIELD NAME=(NUMAGE,SEQ),BYTES=4,START=1 FIELD NAME=NOMAGE,BYTES=30,START=5 SEGM NAME=MOVTO,PARENT=INVTO,BYTES=16 FIELD NAME=DTMOV,BYTES=8,START=1 FIELD NAME=INDMOV,BYTES=1,START=9 FIELD NAME=VLMOV,BYTES=7,START=10 7

7 Modelo Hierárquico - IMS PSB - Program Sensitivity Block PCB - Program Communication Block PCB DBDNAME=BANCO SENSEGNAME=AGENCIA,PROCOPT=G SENSEGNAME=CLIENTE,PROCOPT=G SENSEGNAME=INVTO,PROCOPT=G SENFLD NAME=NUMINV,START=1 SENFLD NAME=DTFIM,START=17 SENFLD NAME=VLSALDO,START=25 SENSEGNAME=MOVTO,PROCOPT=GIR Modelo Hierárquico - IMS DL/I (Linguagem de Manipulação do BD) SSA - Segment Search Argument Ex: CLIENTE (NUMCLI =123456) Comandos: GU - Get Unique GN - Get Next GNP - Get Next Within Parent ISRT - Insert DLET - Delete (requer GHU, GHN ou GHNP anterior) REPL - Replace (requer GHU, GHN, ou GHNP anterior) 8

8 Modelo de Rede - CODASYL (DBTG) Cliente Nome CPF Cidade Agência Número Nome clicon agecon Número Conta Saldo set name is clicon owner is Cliente member is Conta set name is agecon owner is Agência member is Conta conjuntos Modelo de Redes Linguagem de manipulação de dados Comandos: find find any find duplicate find first find next find owner get store modify (requer find for update ) erase (requer find for update ) connect disconnect reconnect Área de trabalho de programa Gabarito de registro Ponteiros correntes Tipo de registro Tipo de conjunto Run unit Indicador de estado DB-status DB-record-name DB-set-name Regras de integridade insertion is Manual (connect) Automatic (store) retention is Fixed Mandatory Optional order is first / last next / prior system default sorted 9

9 Modelo Orientado a Objetos Hierarquia escriturário empregado ISA caixa pessoa ISA cliente secretária class pessoa { string nome; string endereço; Herança char sexo; }; class clienteisa pessoa { int classificação_crédito; }; class empregadoisa pessoa { int número_empregado; date data_início; int salário; }; class escriturárioisa empregado { int número_conta_despesa; }; class caixaisa emrpegado { int horas_por_semana; int número_estação; }; class secretáriaisa empregado { int horas_por_semana; string gerente; }; Modelo Orientado a Objetos Conceitos de OO usados como ferramenta de análise e projeto e convertidos para especificações de tabelas em um BD Relacional com abrangência para tipos complexos e orientação a objetos Modelos relacionais estendidos ou relacionais-objeto Linguagem de Programação OO com extensões para tratamento de bancos de dados Linguagens de Programação Persistentes C++, Smalltalk VS SQL embutida Persistência de Objetos Identidade de Objetos e Ponteiros Armazenamento e Acesso a Objetos Persistentes 10

10 Modelo Relacional Criado por E. F. Codd, 1970 Base matemática teoria dos conjuntos Os dados são vistos através de relações bidimensionais, chamadas de tabelas ou relações Cada relação tem um número fixo de atributos Atributos são associados a domínios Suporta relações nos níveis externo e conceitual Implica restrições de integridade Integridade de entidade = chave primária (PK) Integridade referencial = chave estrangeira (FK) Modelo Relacional Chave Primária F# NOME STATUS S.P Rio de Janeiro... CIDADE Domínios F# FNOME ST CIDADE Atributos Relação 11 João 1 SBC 12 Maria 1 SP 22 Marcos 2 SP 25 Andréia 1 SA 28 Carla 2 SCS Tuplas 11

11 Modelo Relacional código nome total-mov qtde número data-elab (1,N) produto preço categoria movimento data-entr (0-1) (0,N) pedido total-ped (0,N) faturamento rua número sala (0-1) cidade cep endereço (1,1) (1,1) cliente código nome status uf telefone (0,1) limite Modelo Relacional Esquema do BD Coleção dos esquemas das relações Esquema da relação R é representado por R(A 1, A 2,, A n ), onde R é o nome da relação e A i são os nomes dos atributos Cada atributo possui associado um domínio de valores dom(a i ) Uma relação é um subconjunto do produto cartesiano dos domínios que a definem: r ( dom(a 1 ) X dom(a 2 ) X X dom(a n ) ) Instância de um esquema O próprio BD ou a coleção de relações do BD Tupla Uma lista de valores de atributos Uma linha de uma tabela 12

12 Modelo Relacional Integridade de dados no Modelo Relacional Restrição de domínio: O valor de cada atributo é um valor atômico dentro do domínio daquele tipo de atributo Natureza do domínio Domínio aberto ou fechado Nulo Restrição de chave primária (integridade de entidade): Uma relação deve ter pelo menos um atributo identificador a ser usado como chave primária (PK) Atributo ou conjunto de atributos cujo valor ou combinação de valores deve ser distinto e não nulo em qualquer instância da relação Restrição de integridade referencial Uma tupla em uma relação que se refere a outra relação deve referenciar uma tupla existente naquela relação O(s) atributo(s) que referencia outra relação é chamado de chave estrangeira(fk) A exclusão de uma tupla na relação referenciada pode não ser permitida ou ocorrer em cascata Regras de Codd para SGBDR Regras fundamentais Regra 0 Um SGBD, para ser relacional, deve gerenciar BDs somente através de suas funções relacionais Regra 12 Se um SGBD relacional possui uma linguagem de baixo nível (single-record-ata-time), esta linguagem não pode ser utilizada para contornar regras de integridade e restrições expressas na linguagem relacional de maior nível Regras estruturais Regra 1 Toda informação em um BD relacional é representada explicitamente no nível lógico e definida exatamente de um modo: por valores em tabelas Regra 6 Todas as visões que são teoricamente atualizáveis, são também atualizáveis pelo SGBD 13

13 Regras de Codd para SGBDR Regras de integridade Regra 3 Valores nulos são suportados por SGBDs relacionais para representar informação ausente ou não aplicável, independente do tipo do dado Regra 10 Restrições de integridade específicas de um BD devem ser definidas na linguagem de dados relacional e armazenadas no catálogo, e não nas aplicações Regras de manipulação de dados Regra 2 Cada valor de dado em um BD relacional deve poder ser acessado logicamente através de uma combinação do nome da tabela, valor da chave primária e nome da coluna Regra 4 A descrição do BD deve ser apresentada no nível lógico da mesma maneira que os dados comuns, possibilitando que os usuários autorizados apliquem para sua consulta a mesma linguagem que utilizam para consultar os dados comuns Regra 5 Um SGBD relacional pode suportar diversas linguagens e diversos modos de uso terminal. Mas deve haver pelo menos uma linguagem cujos comandos sejam expressos em caracteres e que seja efetiva para suportar a definição de dados, de visões, manipulação de dados, restrições de integridade, permissões de acesso e delimitação de transações Regra 7 Todo operando que descreve o resultado de uma operação de recuperação simples deve ser capaz de ser aplicado também a uma operação simples de inserção, atualização ou exclusão de dados Regras de Codd para SGBDR Independência física de dados Regra 8 Os programas de aplicação e atividades de uso terminal permanecem logicamente inalteradas mesmo quando se modificar a representação no armazenamento ou nos métodos de acesso aos dados Independência lógica de dados Regra 9 Os programas de aplicação e atividades de uso terminal permanecem logicamente inalterados quando mudanças que preservem as informações e que teoricamente permitem a não alteração são executadas na base de dados Independência de distribuição Regra 11 Um SGBD relacional tem independência de distribuição 14

14 Operações do Modelo Relacional Linguagens relacionais Cálculo relacional: Baseado num ramo da lógica matemática chamado de cálculo de predicados. Emprega uma formulação descritiva Álgebra relacional: Baseia-se em operações de manipulação de conjuntos e relações. Emprega uma formulação prescritiva, ou seja, relações resultantes são obtidas através de operações explícitas sobre relações dadas O resultado é sempre uma relação, mesmo que vazia Álgebra Relacional É um conjunto de operadores matemáticas sobre relações Estes operadores são manipulados através de uma operação de atribuição que atribui o valor de uma expressão algébrica arbitrária a uma outra relação A álgebra relacional possui basicamente 8 operadores: SELECT PROJECT PRODUCT UNION INTERSECT DIFFERENCE JOIN DIVIDE 15

15 Álgebra Relacional - SELECT Extrai tuplas específicas de uma relação específica. Select Álgebra Relacional - PROJECT Extrai atributos específicos de uma relação específica. Project 16

16 Álgebra Relacional - PRODUCT Constrói uma relação a partir de duas relações específicas consistindo em todas as possibilidades de pares de tuplas concatenadas, uma de cada duas relações específicas. Produto a b c x y a a b b c c x y x y x y Álgebra Relacional - UNION Constrói uma relação consistindo em todas as tuplas que aparecem em ambos os pares de relações específicas. 17

17 Álgebra Relacional - INTERSECT Constrói uma relação consistindo em todas as tuplas que aparecem em ambos os pares de relações específicas. Álgebra Relacional - DIFFERENCE Constrói uma relação consistindo em todas as tuplas que aparecem na primeira, mas não na segunda, do par de relações especificadas. 18

18 Álgebra Relacional - JOIN Constrói uma relação a partir de duas relações específicas consistindo em todas as possibilidades de pares de tuplas concatenadas, uma de cada duas relações específicas, de forma que em cada par as duas tuplas satisfaçam uma condição específica. Join a1 a2 a3 b1 b1 b2 b1 b2 b3 c1 c2 c3 a1 a2 a3 b1 b1 b2 c1 c1 c2 Álgebra Relacional - DIVIDE Toma duas relações, uma binária e outra unária, e constrói uma relação consistindo em todos os valores de um atributo da relação binária com equivalência (no outro atributo) a todos os valores da relação unária. Divide a a a b c x y z x y x z a 19