4. Projecto de Bases de Dados

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1 SI MIEIG Projecto de Bases de Dados 4.1 Introdução aos SGBD - Sistemas de Gestão de Bases de Dados 4.2 Sistemas Relacionais e Linguagem SQL 4.3 Normalização Funcional de Dados para Concepção de BDr 4.4 Outros Modelos de SGBD 4.5 Conclusões e Principais Referências TGD/JLB 7-8

2 SI MIEIG SQL 2 Sistemas de Gestão de Bases de Dados Relacionais Um SGBDR (em inglês, RDBMS) é um sistema no qual: Os dados são armazenados logicamente em tabelas (e apenas em tabelas). Fisicamente, podem ser usadas outras estruturas de armazenagem, dependentes do sistema. Toda a informação da base de dados é representada de uma única forma, através dos valores dos dados. Todos os valores dos dados são atómicos (escalares). O operadores que interrogam os dados são operadores que geram novas tabelas a partir das existentes, designados operadores relacionais. TGD/JLB 7-8

3 SI MIEIG SQL 3 SQL (Structured Query Language) Foi inicialmente desenvolvida pela IBM nos anos 70 A primeira implementação comercial de SQL foi desenvolvida pela Relational Software Inc. (hoje conhecida por Oracle Corporation) Actualmente, a SQL é considerada um standard por todos os SGBDR. A SQL é usada para formular operações relacionais (operações que definem e manipulam dados na forma relacional) com base no modelo relacional proposto por: E. F. Codd em A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks, ACM Journal, TGD/JLB 7-8

4 SI MIEIG SQL 4 Álgebra Relacional A álgebra relacional definida por Codd consiste em oito operadores: 4 operadores baseados nos operadores tradicionais sobre conjuntos: União (Union) Intersecção (Intersect) Diferença (Minus) Produto Cartesiano (Times) 4 operadores relacionais específicos: Restrição (Where) Projecção ([]) Junção (Join) Divisão (Divide) TGD/JLB 7-8

5 SI MIEIG Para que serve a Álgebra Relacional? definir os dados que deverão ser obtidos como resultado de uma consulta definir os dados que deverão ser inseridos, alterados ou eliminados definir os dados que deverão ser visualizados através de uma vista definir regras de segurança, ou seja, definir os dados sobre os quais alguma autorização é necessária definir requisitos de estabilidade, ou seja, definir os dados que irão ser a base de operações de controlo de conrência definir regras de integridade, ou seja, definir regras específicas que a base de dados deve satisfazer TGD/JLB 7-8

6 SI MIEIG SQL 6 Álgebra Relacional - operadores União: retorna uma relação (tabela) que contém todas as tuplas (linhas) de cada uma ou de ambas as relações (tabelas). O operador União é comutativo e associativo. Intersecção: retorna uma tabela que contém todas as linhas comuns a ambas as tabelas. O operador Intersecção é comutativo e associativo. Diferença: retorna uma tabela que contém as linhas da primeira mas não da segunda tabela. O operador Diferença não é comutativo nem associativo. TGD/JLB 7-8

7 SI MIEIG SQL 7 Álgebra Relacional - operadores Produto Cartesiano: retorna uma tabela em que as linhas são o resultado de todas as possíveis combinações de cada uma das linhas das tabelas originais. As tabelas originais não têm atributos comuns. O produto cartesiano é comutativo e associativo. a b c x y. = a a b b c c x y x y x y Restrição: retorna uma tabela em que todas as linhas satisfazem uma determinada condição Projecção: retorna uma tabela com as colunas que restam de uma tabela depois de determinados atributos terem sido eliminados. TGD/JLB 7-8

8 SI MIEIG SQL 8 Álgebra Relacional - operadores join Junção (Natural join): retorna uma tabela com todas as possíveis linhas que são uma combinação de duas linhas, uma de cada uma das tabela originais. As duas linhas que contribuem para uma dada combinação têm um valor comum para o(s) atributo(s) comum(ns) e esse valor aparece apenas uma única vez na linha da nova tabela. O operador Join é comutativo e associativo. a1 a2 a3 b1 b1 b2 b1 b2 b3 c1 c2 c3 = a1 a2 a3 b1 b1 b2 c1 c1 c2 Divisão: Para duas relações (tabelas), uma binária e a outra unária, retorna uma nova tabela com todos os valores de um atributo da relação binária que são iguais (no segundo atributo) a todos os valores da relação unária. a a a b c x y z x y x z / = a TGD/JLB 7-8

9 SI MIEIG Álgebra Relacional- fecho e compatibilidade Fecho (Closure): Da mesma forma que as operações algébricas sobre números retornam números e as operações sobre conjuntos retornam conjuntos, as operações sobre relações (tabelas) retornam relações (tabelas). Compatibilidade: Para podermos utilizar os operadores relacionais União, Intersecção e Diferença sobre tabelas, estas deverão ser compatíveis: devem ter o mesmo conjunto de s de atributos os atributos respondentes devem estar definidos no mesmo domínio TGD/JLB 7-8

10 SI MIEIG União - exemplo A B #cliente codpostal #cliente codpostal Fernando 3600 União (A UNION B) #cliente codpostal 00 1 Fernando 3600 TGD/JLB 7-8

11 SI MIEIG Intersecção - exemplo A B #cliente codpostal #cliente codpostal Fernando 3600 Intersecção (A INTERSECT B) #cliente codpostal 00 TGD/JLB 7-8

12 SI MIEIG Diferença - exemplo A B #cliente codpostal #cliente codpostal Fernando 3600 Diferença (A MINUS B) (B MINUS A) #cliente codpostal #cliente codpostal 1 Fernando 3600 TGD/JLB 7-8

13 SI MIEIG Produto cartesiano - exemplo A Produto (A TIMES B) #cliente #cliente #conta saldo 5000 B #conta saldo TGD/JLB 7-8

14 SI MIEIG Restrição - exemplo A tintaa tintab tintaa verniz dourado 90 A WHERE = tintaa tintab A WHERE < AND = verniz dourado 90 TGD/JLB 7-8

15 SI MIEIG Projecção - exemplo A tintaa tintab tintaa verniz dourado 90 A [] A [, ] (A WHERE < ) [] tintaa tintab verniz tintaa tintab tintaa verniz dourado TGD/JLB 7-8

16 SI MIEIG Junção exemplo 1 o atributo comum () é chave estrangeira em A A B João dourado 90 A JOIN B dourado 90 João TGD/JLB 7-8

17 SI MIEIG Junção exemplo 2 o atributo comum () não é chave estrangeira A B João dourado 90 A JOIN B João dourado 90 João TGD/JLB 7-8

18 SI MIEIG Divisão exemplo 1 A B C A DIVIDEBY B A DIVIDEBY C TGD/JLB 7-8

19 SI MIEIG Os operadores RENAME e Atribuição Relacional O operador RENAME permite rear atributos de uma determinada relação. Para uma dada realção, o operador RENAME retorna uma cópia dessa relação, na qual cada atributo tem um diferente. Clientes #cliente João codpostal 00 RENAME Clientes AS Cliente 1 O operador de Atribuição Relacional (:=) permite criar uma cópia de uma relação, com um novo Exemplos: T1 := Clientes WHERE = João T2 := T1 JOIN Encomendas TGD/JLB 7-8

20 SI MIEIG 7-8 Dadas duas relações A e B: Álgebra Relacional Notação União : Intersecção: Diferença: Produto cartesiano: Restrição: Projecção: Junção: Divisão: A UNION B A INTERSECT B A MINUS B A TIMES B A WHERE condição A [atributo1, atributo2,... atributok] A JOIN B A DIVIDEBY B Outros operadores Reação: Atribuição: A RENAME atributox AS atributoy A := B TGD/JLB 7-8

21 SI MIEIG Exercícios A B C João Cidade Cidade Qtd Nome dos fornecedores que fornecem o produto cujo = T1 := A JOIN C T2 := T1 WHERE = T3 := T2 [] ((A JOIN C) WHERE = ) [] TGD/JLB 7-8

22 SI MIEIG Exercícios A B C Cidade Cidade João 2. Nome dos fornecedores que fornecem pelo menos um produto OU Qtd T1 := B WHERE = T2 := T1 [] T3 := T2 JOIN C T4 := T3 JOIN A T5 := T4 [] (((B WHERE = ) [] JOIN C) JOIN A) [] T1 := B WHERE = T2 := T1 JOIN C T3 := T2 [] T4 := T3 JOIN A T5 := T4 [] (((B WHERE = ) JOIN C) [] JOIN A) [] TGD/JLB 7-8

23 SI MIEIG Exercícios A B C #forneced or Cidade Qtd 300 João Nome dos fornecedores que fornecem todos os produtos 4. Código dos fornecedores que fornecem pelo menos todos os produtos fornecidos pelo fornecedor = 5. Nome dos fornecedores que não fornecem o produto com = TGD/JLB 7-8

24 SI MIEIG Exercício 3 (resolução) A B C João Cidade Qtd T1 := C [, ] T2 := B [] T3 := T1 DIVIDEBY T2 T4 := T3 JOIN A T5 := T4 [] ((C [, ] DIVIDEBY B []) JOIN A) [] TGD/JLB 7-8

25 SI MIEIG Exercício 4 (resolução) A B C João Cidade Qtd T1 := C [, ] T2 := C WHERE = T3 := T2 [] T4 := T1 DIVIDEBY T3 T5 := T2 [] T6 := T4 MINUS T5 //retira o fornecedor (C [, ] DIVIDEBY ((C WHERE = ) [])) MINUS T2[]) [] TGD/JLB 7-8

26 SI MIEIG Exercício 5 (resolução) A B C João Cidade Qtd T1 := A [] T2 := C WHERE = T3 := T2 [] //fornecedores de T4 = T1 MINUS T3 //fornecedores excepto os que fornecem T5 := T4 JOIN A T6 := T5 [] (A [] MINUS (C WHERE = ) [] JOIN A) [] TGD/JLB 7-8

27 SI MIEIG Álgebra Relacional Outros operadores Operadores não primitivos O operador JOIN revisitado θ JOIN, EQUIJOIN OUTER JOIN(LEFT, RIGHT and FULL) O operador EXTENDS O operador SUMMARIZE Fecho transitivo TGD/JLB 7-8

28 SI MIEIG Os Operadores Primitivos Os operadores Intersecção, Junção e Divisão não são primitivos, ou seja, podem ser definidos à custa dos restantes cinco operadores. A Intersecção (INTERSECT) pode ser definida usando a Diferença A Junção (JOIN) pode ser definida usando a Projecção, a Restrição e o Produto Cartesiano. A Divisão (DIVIDEBY) pode ser definida usando a Projecção, Produto Cartesiano e a Diferença O conjunto dos operadores União, Diferença, Restrição, Projecção e Produto Cartesiano formam o conjunto de operadores primitivos. TGD/JLB 7-8

29 SI MIEIG O operador Intersecção revisitado A INTERSECT B A Intersecção (INTERSECT) pode ser definida usando a Diferença A A INTERSECT B A MINUS (A MINUS B) ou A INTERSECT B B MINUS (B MINUS A) B ou ainda (preferível? Porquê?) (A MINUS (A MINUS B) ) UNION (B MINUS (B MINUS A)) Nota: Neste caso, como A e B devem ser compatíveis, A INTERSECT B = A JOIN B A MINUS B A B TGD/JLB 7-8

30 SI MIEIG O operador Junção revisitado O operador JOIN pode ser definido usando a Projecção, a Restrição e o Produto Cartesiano. Sejam R uma relação com atributos A1,...,An, B1,..., Bk S uma relação com atributos A1,...,An, C1,..., Cm R JOIN S tem atributos A1,...,An, B1,..., Bk, C1,..., Cm R JOIN S (((A TIMES (B RENAME A1 AS A 1,..., An AS A n)) WHERE A1 = A 1 AND A2 = A 2 AND An = A n) [A1...An, B1,...Bk, C1,...,Cm] TGD/JLB 7-8

31 SI MIEIG Exemplo Junção A O do atributo foi alterado B (após o RENAME) #forn João A TIMES (B RENAME AS #forn) #forn João João João TGD/JLB 7-8

32 SI MIEIG Exemplo Junção (cont.) (A TIMES (B RENAME AS #forn)) WHERE = #forn #forn ((A TIMES (B RENAME AS #forn)) WHERE = #forn)[,,,,, ] A JOIN B TGD/JLB 7-8

33 SI MIEIG O operador Divisão revisitado A Divisão (DIVIDEBY) pode ser definida usando a Projecção, Produto Cartesiano e a Diferença Seja R uma relação com atributos A1,...,An, B1,..., Bk S uma relação com atributos B1,..., Bk R DIVIDEBY S R [A1,,An] MINUS ((( R[A1, An] TIMES S) MINUS R ) [A1,,An]) TGD/JLB 7-8

34 SI MIEIG Exemplo - Divisão A C A[] TIMES C (A[] TIMES C) MINUS A A [] MINUS ((( A[] TIMES C) MINUS A ) []) A DIVIDEBY C TGD/JLB 7-8

35 SI MIEIG O operador θ JOIN O operador θ JOINé utilizado quando se pretende juntar duas tabelas usando uma condição diferente da igualdade entre os atributos comuns. θ é uma operação binária do conjunto {<, <=, =, >=, >} O operador θ JOINpode ser definido como (R TIMES S) WHERE X θ Y onde R e S não têm atributos comuns, X é um atributo de R e Y é um atributo de S. Se θ é a operação =, o operador θ JOINchama-se equijoin. Questão: qual a relação com a Junção Natural (JOIN)? TGD/JLB 7-8

36 SI MIEIG Exemplo: θ JOIN A B João Cidade Se θ = >, a expressão A TIMES B WHERE > Cidade Cidade João João temos as combinações de produtos e fornecedores onde a é maior (lexicograficamente) do que a Cidade. TGD/JLB 7-8

37 SI MIEIG OUTER JOIN Ao utilizar os operadores JOIN e θ JOIN pode perder-se informação. Os operadores OUTER JOIN permitem preservar informação dos operandos. R LEFT OUTER JOIN S ( R UNION (R JOIN S)) preserva a informação do operando esquerdo. Na tabela resultado, os registos de R para os quais não existe respondente em S mantêm-se, tomando os atributos de S respondentes o valor nulo. R RIGHT OUTER JOIN S ( S UNION (R JOIN S) preserva a informação do operando direito. R FULL OUTER JOIN S ( R UNION S UNION (R JOIN S) ) preserva a informação de R e de S TGD/JLB 7-8

38 SI MIEIG OUTER JOIN - Exemplos A B Coimbra CodPost A LEFT OUTER JOIN B CodPost A RIGHT OUTER JOIN B Coimbra CodPost A FULL OUTER JOIN B Coimbra CodPost TGD/JLB 7-8

39 SI MIEIG O operador EXTEND EXTEND A ADD exp AS Z para uma dada relação A, cria uma nova relação com um cabeçalho igual ao da relação original mas com um atributo adicional, cujos valores são obtidos através do cálculo de uma expressão escalar. A Stock PreçoUnit EXTEND A ADD Stock * PreçoUnit AS valorstock Stock PreçoUnit valorstock TGD/JLB 7-8

40 SI MIEIG O operador EXTEND - exemplo A B C #forn João Cidade EXTEND A ADD COUNT ((C RENAME #forn AS #forn1) WHERE #forn1= #forn ) AS NumEnc #forn Qtd A sub-expressão ((C RENAME #forn AS #forn1) WHERE #forn1= #forn ) dá-nos as encomendas de cada fornecedor para cada fornecedor que possui encomendas. Esta expressão pode ser substituída por MATCHING C. A função agregada COUNT devolve o número de encomendas de cada fornecedor. EXTEND A ADD COUNT (MATCHING C) AS NumEnc João Cidade NumEnc TGD/JLB 7-8

41 SI MIEIG O operador SUMMARIZE SUMMARIZE A BY (A1, A2,, An) ADD agg-exp AS Z A1,,An são atributos distintos de A. O resultado da expressão é uma relação composta pelos atributos {A1,...,An, Z} os valores dos dados são todos os registos x onde x é uma projecção de A sobre A1,...An com um novo atributo Z. O valor de Z é calculado através da expressão agg-exp calculada sobre todos os atributos de A que têm os mesmos valores para A1,...An que o registo x. O conjunto de atributos A1,...An não pode incluir Z e agg-exp não deve referir-se a Z. TGD/JLB 7-8

42 SI MIEIG O operador SUMMARIZE - exemplo C #forn Qtd SUMMARIZE C BY () ADD SUM (qtd) AS qtdtotal qtdtotal Quantidade total encomendada de cada produto TGD/JLB 7-8

43 SI MIEIG O operador SUMMARIZE - exemplo B C #forn Qtd B JOIN C SUMMARIZE (B JOIN C) BY () ADD COUNT AS nenc #forn Qtd 500 nenc Nº de encomendas de cada cidade TGD/JLB 7-8

44 SI MIEIG Fecho Transitivo A Álgebra Relacional não permite calcular expressões que envolvam relações recursivas entre registos da mesma tabela Fecho transitivo Exemplos todos os subprodutos de um produto todos os subordinados de um trabalhador todos os descendentes de uma pessoa #subproduto trabalhador subordinado pessoa filho joão pedro joão ana pedro antónio joão maria antónio rui ana francisco pedro miguel maria tomás TGD/JLB 7-8