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Agent and Object Technology Lab

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Università degli Studi di Parma

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Fondamenti di Informatica

Basi di Dati

Prof. Agostino Poggi

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Š Un sistema informativo è composto da un insieme di programmi concorrenti:

ƒ Ogni programma opera su un certo insieme di dati

ƒ Dei dati possono essere condivisi da alcuni programmi

Š La più semplice soluzione è che ogni programma del sistema gestisca separatamente i suoi dati

Š Un’altra soluzione è interporre tra i programmi e i dati un programma chiamato Data Base

Management System (DBMS) dedicato alla gestione dei dati

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dati1 Dati2

Prog1

Prog2

Prog3

Dati4 Dati5 Dati6

Dati3

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Š Problemi di ridondanza dei dati

ƒ Esistono più copie di un dato

Š Problemi di inconsistenza

ƒ Copie dello stesso dato sono modificate diversamente

Š Problemi di privatezza

ƒ Dati riservati sono accessibili a persone non autorizzate

Š Problemi di integrità

ƒ Il valore di un dato è modificato a causa di una operazione incompleta o sbagliata

Š Problemi di concorrenza

ƒ L’accesso e l’aggiornamento ai dati da parte di programmi differenti non è sincronizzato

Limiti della Gestione Distinta dei Dati

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Prog1 Prog2

Prog3

DBMS

Base di Dati

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Š L’introduzione del DBMS comporta dei costi aggiuntivi in termini di investimento:

ƒ Necessità di hardware aggiuntivo

ƒ Necessità del DBMS

Š L’introduzione del DBMS comporta dei costi aggiuntivi in termini di tempi di elaborazione:

ƒ Uso di metodi di descrizione e manipolazione non specializzati per un particolare insieme di dati

ƒ Gestione della sicurezza, integrità, concorrenza, back up e ripristino dei dati

Limiti della Gestione Condivisa dei Dati

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Š Tutte le azioni sui dati vengono svolte dal DBMS:

ƒ Si controlla la ridondanza sui dati

ƒ Si controlla l’inconsistenza dei dati

ƒ Si controlla l’integrità dei dati

ƒ Si permette la condivisione dei dati

ƒ Si gestisce l’accesso concorrente ai dati

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Š Inoltre un DBMS permette di:

ƒ Imporre degli standard sul formato dei dati

ƒ Gestire il back up e il ripristino dei dati

ƒ Restringere l’accesso ai dati

ƒ Fornire un insieme di interfacce utente

ƒ Aumentare la flessibilità del sistema

ƒ Ottimizzare l’uso delle risorse

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Š Quando un programma usa un insieme di dati:

ƒ Piccolo e ben definito

ƒ Non cambia col passare del tempo

ƒ Non è condiviso con altri programmi

Š Quando un programma richiede delle prestazioni in tempo reale

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Š Si consideri una banca che deve gestire le

informazioni relative ai suoi dipendenti, ai suoi clienti e a i servizi offerti

ƒ Gestire i conti esistenti (aggiungere/togliere denaro)

ƒ Creare i nuovi conti

ƒ Avere informazioni su un certo conto

ƒ Generare estratti conto mensili

Š Man mano che si manifestano nuove esigenze, può essere necessario modificare le applicazioni esistenti o disporre di nuovi programmi

Š Ad esempio, se intervengono nuove disposizioni in materia bancaria, allora bisogna aggiornare il

sistema informativo

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Š Si consideri un’università che deve gestire le informazioni relative ai suoi dipendenti, ai suoi studenti e a i servizi offerti

ƒ Gestire il pagamento delle tasse di iscrizione

ƒ Gestire i piani di studio degli studenti

ƒ Generare documenti di attestazione

Š Man mano che si manifestano nuove esigenze, può essere necessario modificare le applicazioni esistenti o disporre di nuovi programmi

Š Ad esempio, se intervengono nuove disposizioni sul modo di conseguire una laurea, allora bisogna aggiornare il sistema informativo

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Š Una base di dati è una collezione di dati logicamente coerenti che hanno dei precisi significati

Š Un assortimento casuale di dati non può essere indicato come una base di dati

Š Una base di dati è disegnata, costruita ed utilizzata per mantenere dei dati condivisi da un certo numero di utenti e / o da un certo numero di applicazioni

Š Una base di dati rappresenta degli aspetti del mondo reale

ƒ I cambiamenti del mondo reale hanno riflesso sulla

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Š Un Data Base Management System (DBMS) è un sistema software che:

ƒ Si interpone fra le applicazioni e la memoria di massa dove si trovano le collezioni di dati

ƒ Consente la gestione dei dati, in modo indipendente dalle applicazioni stesse

Š I dati non appartengono ad una specifica applicazione, ma le diverse applicazioni vi accedono attraverso il DBMS

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Š Le basi di dati gestite dai DBMS sono in generale strutture dati, organizzate secondo modelli ben definiti e specificati a priori, aventi le seguenti caratteristiche:

ƒ Grandi: possono avere notevoli dimensioni (fino a migliaia di Gbyte) e devono quindi risiedere nella memoria secondaria

ƒ Condivise: applicazioni ed utenti diversi devono potere accedere ai dati

ƒ Persistenti: il tempo di vita dei dati va oltre la durata

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Š Un DBMS è un sistema di "facilities" per effettuare le tre operazioni fondamentali sui dati:

ƒ Ricerca

ƒ Aggiornamento

ƒ Cancellazione

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Š Un DBMS è caratterizzato da:

ƒ Controllo centralizzato dei dati

ƒ Riduzione della ridondanza dei dati

ƒ Eliminazione delle inconsistenze nei dati

ƒ Condivisione dei dati tra gli utenti

ƒ Uso di standard di rappresentazione

ƒ Uso di restrizioni d’accesso ai dati

ƒ Mantenimento dell'integrità dei dati per mezzo di procedure di validazione

ƒ Realizzazione della indipendenza dei dati

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Š Ogni DBMS é basato su:

ƒ Un modello dei dati

ƒ Un linguaggio di manipolazione

Š I DBMS sono classificati:

ƒ Per tipo di modello di dati

ƒ Per numero di utenti che può servire in parallelo

ƒ Per numero di nodi di calcolo coinvolti

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utente Programmi applicativi / interrogazioni

Software per processare i programmi e le interrogazioni

Software per accedere ai dati memorizzati

Meta

Dati Dati

DBMS Software

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in una Base di Dati

Š Un DBMS dovrebbe fornire una visione astratta della base di dati:

ƒ Livello (schema) fisico: descrive la base di dati come un insieme di record in memoria di massa

ƒ Livello (schema) logico: descrive la struttura di ciascun dato e i collegamenti tra dati diversi

ƒ Livello (schema) esterno: presenta i dati così come vengono visti da un particolare utente o da una classe di utenti

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in una Base di Dati

Š Un DBMS dovrebbe fornire indipendenza fisica e logica

Š L’Indipendenza fisica garantisce che il livello logico non dipende:

ƒ Dall’implementazione del DBMS

ƒ Dal calcolatore su cui è installato il DBMS

ƒ Dal modo in cui in cui i dati sono distribuiti su più macchine

Š Questo permette di ridefinire il livello fisico senza modificare il livello logico

Š L’indipendenza logica garantisce che il livello esterno non dipende dal livello logico

Š Questo permette di definire nuovi schemi esterni senza modifica la struttura logica

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Utenti finali

Linguaggio Host + DSL

Linguaggio Host + DSL

Linguaggio Host + DSL

Vista esterna A Vista esterna B

Vista Concettuale

Data Base Fisico DBMS

mappatura concettuale/interna mappatura

esterna/concettuale . . .

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Š La condivisione dei dati e l’accesso concorrente comporta il problema del mantenimento della congruenza dei dati

Š Un esempio, il prelievo da un conto corrente (cc) effettuato con la sequenza di due operazioni:

ƒ Controllo della disponibilità

ƒ Sottrazione della somma prelevata

Š Due prelievi contemporanei di 1000 € su un cc con saldo di 1000 €:

ƒ A verifica cc >= 1000 €

ƒ B verifica cc >= 1000 €

ƒ A sottrae 1000 €

ƒ B sottrae 1000 €

Š Ottenendo sul cc un saldo finale di -1000 €!

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t

verifica cc >= 1000 €

verifica cc >= 1000 €

sottrae 1000 €

sottrae 1000 €

A B

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Š Una transazione è un insieme di operazioni sui dati che devono essere eseguite completamente, prima che gli stessi dati siano nuovamente disponibili

Š La transazione rappresenta un’insieme di operazioni non decomponibili sui dati (si parla di "atomicità della

transazione”)

Š Nell’esempio precedente le operazioni:

ƒ Controllo della disponibilità

ƒ Sottrazione della somma addebitata

devono essere contenute in un’unica transazione

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t

verifica cc >= 1000 €

verifica cc >= 1000 € sottrae 1000 €

sottrae 1000 €

A B

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Š Il modello dei dati caratterizza il livello concettuale e quello esterno dei DBMS

Š E’ definito da regole precise e permette di

esprimere sia le proprietà statiche che quelle dinamiche dei dati

Š Evoluzione dei modelli:

ƒ Modello Gerarchico (anni ’60)

ƒ Modello Reticolare (anni ’70)

ƒ Modello Relazionale (anni ’70)

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Š Proposto da Codd nel 1970 e disponibile come modello logico in DBMS reali nel 1981

Š Il modello relazionale si basa sul concetto

matematico di relazione e utilizza le tabelle come rappresentazione naturale delle relazioni

Š Il successo del modello relazionale è in gran parte dovuto alla semplicità di utilizzo, data dal fatto che si appoggia ad un modo di rappresentate i dati a noi familiare:

ƒ le tabelle

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Š Nel modello relazionale ogni relazione è sostanzialmente una tabella

Š A ciascun dominio associamo un nome

(attributo), unico nella relazione, che “descrive” il ruolo del dominio

Š Nella rappresentazione tabellare, gli attributi sono usati come intestazioni delle colonne

Š Le informazioni sono rappresentate dai righe presenti nelle tabelle

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studenti

esami

corsi

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studenti

Riga-Record -Tupla

Colonna - Campo - Attributo Tabella - Relazione - File

Schema

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Š Le righe di una tabella sono definite dall'insieme dei valori corrispondenti ai campi della tabella stessa

Š I valori che possono essere assegnati a ciascun campo sono il dominio di quel campo

Š Il dominio di un campo è l’insieme di tutti e soli i valori che possono essere assunti da un

determinato attributo di una relazione

ƒ Ad esempio, il dominio dei codici fiscali è formato da stringhe di 16 caratteri composte seguendo con

precisione la regola di generazione dei codici fiscali

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Š Informazioni contenute in tabelle distinte possono essere associate semplicemente per mezzo della condivisione di campi (ossia di domini) tra tali

tabelle

Š Ad esempio, nel database universitario:

ƒ Studenti ed esami sono associati con i campi matricola e studente

• Corsi ed esami sono associati con i campi corso e codice

Š Il modello relazionale basa la propria forza sulla semplicità

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e Tipi di Chiave

studenti

Esami

corsi

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Š Data una collezione di insiemi D₁,...,D_n, non necessariamente distinti

Š Una relazione R su tali insiemi è un insieme di n- uple ordinate (d₁,...,d_n) tali che d₁

∈

∈

ƒ Gli insiemi Di si dicono domini della relazione

ƒ Il valore n è il grado della relazione

ƒ Il numero di n-uple presenti in R rappresenta la cardinalità della relazione

Š Una relazione R sugli insiemi D₁,...,D_n è un

sottoinsieme del prodotto cartesiano D x D x ... x D

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Š Tutte le relazioni di un DB relazionale devono essere normalizzate, cioè:

ƒ Ciascun attributo in ogni riga, deve essere "atomico“

ƒ Ossia non scomponibile in valori elementari

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studenti

studenti

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e Tipi di Chiave

Š Una tabella (relazione) non dovrebbe contenere due righe identiche

Š E’ sempre possibile scegliere un sottoinsieme di campi di una tabella in maniera da identificare univocamente ciascuna riga della tabella

Š La chiave primaria (primary key, PK) di una tabella è il minimo sottoinsieme di campi che permette di identificare univocamente le righe della tabella

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e Tipi di Chiave

studenti

Esami

corsi

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e Tipi di Chiave

Š Le chiavi candidate sono gli attributi in una

relazione con la proprietà di poter essere la chiave primaria:

ƒ Tra le chiavi candidate deve essere scelta la chiave primaria

ƒ Le chiavi escluse si dicono chiavi alternative

Š Le righe di una tabella rappresentano "entità" del mondo reale

Š la chiave primaria rappresenta il modo con cui è possibile distinguere queste entità

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e Tipi di Chiave

Š Le informazioni presenti in tabelle diverse possono essere associate tra loro perché tali tabelle hanno dei domini in comune

Š Quando il dominio di un campo K che è chiave primaria in una tabella A è presente anche in un’altra tabella B

ƒ Allora questo campo K è detto chiave esterna (foreign key, FK) verso la tabella A

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e Tipi di Chiave

Esami studenti

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Š Gli operatori relazioni rappresentano la base

teorica per i linguaggi di interrogazioni delle basi di dati relazionali

Š Quindi sono anche la base del linguaggio base di interrogazione delle basi di dati relazionali

Š Gli operatori relazionali permettono l’esecuzione di ricerche considerando le tabelle come insiemi,

senza operare record per record

Š Gli operatori prendono in input tabelle e generano in output nuove tabelle

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Š Gli operatori dell’algebra relazionale sono:

ƒ Unione

ƒ Intersezione

ƒ Differenza

ƒ Ridenominazione

ƒ Selezione

ƒ Proiezione

ƒ Join

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Š Le relazioni rappresentano degli insiemi

Š Se applichiamo gli operatori insiemistici (unione, intersezione e differenza) a delle relazioni

otteniamo delle altre relazioni

Š È importante sottolineare che è possibile applicare gli operatori insiemistici solo a relazioni definite

sugli stessi attributi

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laureati

quadri

reparti

AOT AOT

LAB LAB

laureati quadri

laureati ∪ quadri

AOT AOT

LAB LAB

laureati quadri

laureati ∩ quadri

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LAB LAB

laureati quadri

laureati - quadri

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Š L’operatore di ridenominazione viene applicato ad un unica relazione (operatore monadico)

Š Questo operatore modifica lo schema della

relazione lasciando inalterati I valori delle righe della relazione

Š Questo operatore, come dice già il suo nome, ha lo scopo di rinominare un attributo di una relazione

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paternità

maternità

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selezione

proiezione

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Š L’operatore di selezione viene applicato ad un unica relazione

Š Questo operatore costruisce una nuova relazione:

ƒ Estrae un sottoinsieme orizzontale delle righe di una relazione specificata in input

ƒ Selezionando le righe che soddisfano una condizione espressa sui valori degli attributi della relazione in input

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

Š L’operatore di proiezione viene applicato ad un unica relazione

Š Questo operatore costruisce una nuova relazione:

ƒ Estrae un sottoinsieme verticale degli attributi di una relazione specificata in input

ƒ Rimuovendo inoltre eventuali n-uple duplicate

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

Š L’operatore di join viene applicato a due relazioni

Š Questo operatore costruisce una nuova relazione:

ƒ Utilizzando un attributo (dominio) comune alle due tabelle originali

ƒ Scegliendo le righe della prima relazione e della seconda tabella che hanno lo stesso valore per l'attributo comune

ƒ Concatenando queste righe

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

Š Il prodotto cartesiano è un join su due relazioni senza l’utilizzo di attributi in comune

Š Il risultato di questa operazione contiene sempre un numero di ennuple pari al prodotto delle

cardinalità degli operandi (le ennuple sono tutte combinabili)

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

Š Combinando:

ƒ Selezione e proiezione

Š Possiamo raffinare la ricerca di informazioni da una singola relazione

Š Combinando:

ƒ Join e selezione

ƒ Join e proiezione

Š Possiamo raffinare la ricerca di informazioni da più relazione

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LAB LAB

AOT AOT

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SEL Capo = Bruni (Impiegati JOIN Reparti)

Impiegati

Reparti

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PROJ Impiegato, Capo (Impiegati JOIN Reparti)

Impiegati

Reparti

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Š SQL (Structured Query Language) è il linguaggio di

riferimento per la manipolazione e l’interrogazione di basi di dati relazionali

Š SQL deriva da una prima proposta di linguaggio di IBM chiamato SEQUEL (1974)

Š Le prime implementazioni sono di IBM e Oracle (1981)

Š Dal 1983 è lo “standard di fatto” per la manipolazione e l’interrogazione di basi di dati relazionali

Š Il linguaggio ha avuto una evoluzione negli anni

corrispondenti ad aggiornamenti delle sue specifiche nel

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Š create table NomeTabella (

NomeAttributo Dominio [ Vincoli ] ...

NomeAttributo Dominio [ Vincoli ] [ AltriVincoli ]

)

Š select Attributo … Attributo from Tabella … Tabella [where Condizione]

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Š insert into Tabella [ ( Attributi ) ] values( Valori )

Š insert into Tabella [ ( Attributi ) ] select ...

Š update NomeTabella

set Attributo = < Espressione

| select … | null | default >

[ where Condizione ]

Š delete from Tabella [ where Condizione ]

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create table Impiegato (

Matricola character(6) primary key, Nome character(20) not null,

Cognome character(20) not null, Sede character(15),

Stipendio numeric(9) default 0, Citta character(15),

foreign key(Sede) references Dipartimento(NomeDip), unique (Cognome,Nome)

)

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Š Dimmi il nome e il reddito delle persone con età minore di 30 anni

select nome, reddito from persone where eta < 30

Š Dimmi i dati delle persone con età minore di 30 anni

select * from persone where eta < 30

Š Dimmi i padri delle persone che guadagnano più di 200 mila euro

select paternita.padre from persone, paternita where persona.reddito > 200000 and

paternità.figlio = persona.nome

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Š Dimmi nome, reddito e reddito del padre delle persone che guadagnano più del loro padre

select f.nome, f.reddito, p.reddito

from f persone, paternità t, persone p where f.name = t.figlio and

p.nome = t.padre and f.reddito > p.reddito

Š Dimmi il nome del padre e della madre di ogni persona

select paternita.figlio, padre madre from paternita, maternita where

paternita.figlio = maternita.figlio

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insert into persone

values('Mario',25,52)

insert into persone(nome, eta, reddito) values('Pino',25,52)

delete from persone where eta < 35 update persone

set reddito = 45 where nome = 'Piero‘

update persone

set reddito = reddito * 1.1 where eta < 30

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Š Access è sicuramente uno tra i programma più conosciuto per la gestione di basi di dati

Š Access permette di creare e modificare delle basi di dati attraverso quattro oggetti principali:

ƒ Tabelle

ƒ Query

ƒ Maschere

ƒ Report

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Š Selezionare File->Nuovo->Database

Š Crea una tabella in visualizzazione Struttura

Š Per ogni campo (colonna della tabella) deve esserne specificato:

ƒ Il nome

ƒ Il tipo di dato

ƒ La descrizione (opzionale)

Š Per ogni tabella bisogna indicare quale campo funge da chiave primaria

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Š Testo: caratteri alfanumerici (fino a 255)

Š Memo: testi lunghi

Š Numerico: numeri per eseguire calcoli

Š Data/ora: data e ora

Š Valuta: importi in valuta

Š Contatore: numeri univoci sequenziali incrementati automaticamente

Š Sì/No: solo valori logici Vero/Falso

Š Oggetto OLE: documenti da altre applicazioni

Š Collegamento ipertestuale

Š Ricerca guidata: valori da un’altra tabella

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LAB LAB

AOT AOT

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Š In una tabella i dati possono essere inseriti:

ƒ Considerando la tabella come se fosse un foglio tipo Excel

ƒ Utilizzando le maschere di inserimento

Š Le maschere di inserimento facilitano l’inserimento dei dati da parte degli utenti

Š Le maschere sono utili anche per la

visualizzazione ordinata del contenuto delle tabelle

Š Nelle maschere si possono introdurre anche elementi grafici e i campi possono essere formattati secondo stili diversi

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

Š Una query è una domanda formulata ad una o più tabelle di una base di dati

Š È uno strumento per estrarre dati utilizzando vari criteri che possono ordinare, filtrare e riepilogare i dati

Š Il risultato di una query è una tabella

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Š I report consentono di visualizzare in anteprima o stampare i dati di una tabella o i dati estratti da una query secondo uno specifico formato

Š Esempi di report sono:

ƒ Etichette postali

ƒ Elenchi

ƒ Buste

ƒ Lettere tipo

ƒ Fatture

ƒ Schede di libri