AOT AOT LAB LAB

Agent and Object Technology Lab

Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Università degli Studi di Parma

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Fondamenti di Informatica Fondamenti di Informatica Fondamenti di Informatica Fondamenti di Informatica

Basi di dati

Michele Tomaiuolo

AOT AOT

LAB LAB

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

 Ogni programma opera su un certo insieme di dati

 Dei dati possono essere condivisi da alcuni programmi

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

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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Problemi di ridondanza dei dati

 Esistono più copie di un dato

Problemi di inconsistenza

 Copie dello stesso dato sono modificate diversamente

Problemi di privatezza

 Dati riservati sono accessibili a persone non autorizzate

Problemi di integrità

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

Problemi di concorrenza

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

Limiti della gestione distinta Limiti della gestione distinta Limiti della gestione distinta Limiti della gestione distinta

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Prog1 Prog2

Prog3

DBMS

Base di Dati

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

 Necessità di hardware aggiuntivo

 Necessità del DBMS

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

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

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

Limiti della gestione condivisa Limiti della gestione condivisa Limiti della gestione condivisa Limiti della gestione condivisa

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Tutte le azioni sui dati vengono svolte dal DBMS:

 Si controlla la ridondanza sui dati

 Si controlla l’inconsistenza dei dati

 Si controlla l’integrità dei dati

 Si permette la condivisione dei dati

 Si gestisce l’accesso concorrente ai dati

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Inoltre un DBMS permette di:

 Imporre degli standard sul formato dei dati

 Gestire il back up e il ripristino dei dati

 Restringere l’accesso ai dati

 Fornire un insieme di interfacce utente

 Aumentare la flessibilità del sistema

 Ottimizzare l’uso delle risorse

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Quando un programma usa un insieme di dati:

 Piccolo e ben definito

 Non cambia col passare del tempo

 Non è condiviso con altri programmi

Quando un programma richiede delle prestazioni in tempo reale

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Si consideri una banca che deve gestire le

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

 Gestire i conti esistenti (aggiungere/togliere denaro)

 Creare i nuovi conti

 Avere informazioni su un certo conto

 Generare estratti conto mensili

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

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

sistema informativo

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

 Gestire il pagamento delle tasse di iscrizione

 Gestire i piani di studio degli studenti

 Generare documenti di attestazione

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

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

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Una base di dati è una collezione di dati logicamente coerenti con preciso significato

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

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

Una base di dati rappresenta degli aspetti del mondo reale

 I cambiamenti del mondo reale hanno riflesso sulla base di dati

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

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

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

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

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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:

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

 Condivise: applicazioni ed utenti diversi devono potere accedere ai dati

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

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

 Ricerca

 Aggiornamento

 Cancellazione

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Un DBMS è caratterizzato da:

 Controllo centralizzato dei dati

 Riduzione della ridondanza dei dati

 Eliminazione delle inconsistenze nei dati

 Condivisione dei dati tra gli utenti

 Uso di standard di rappresentazione

 Uso di restrizioni d’accesso ai dati

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

 Realizzazione della indipendenza dei dati

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Ogni DBMS é basato su:

 Un modello dei dati

 Un linguaggio di manipolazione

I DBMS sono classificati:

 Per tipo di modello di dati

 Per numero di utenti che può servire in parallelo

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

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

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

 Livello (schema) esterno: presenta i dati così come

vengono visti da un particolare utente o da una classe di utenti

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Un DBMS dovrebbe fornire indipendenza fisica e logica

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

 Dall’implementazione del DBMS

 Dal calcolatore su cui è installato il DBMS

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

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

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

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

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

 Controllo della disponibilità

 Sottrazione della somma prelevata

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

 A verifica cc >= 1000 €

 B verifica cc >= 1000 €

 A sottrae 1000 €

 B sottrae 1000 €

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

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

transazione”)

Nell’esempio precedente le operazioni:

 Controllo della disponibilità

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

È definito da regole precise e permette di

esprimere sia le proprietà statiche che quelle dinamiche dei dati

Evoluzione dei modelli:

 Gerarchico (anni 1960)

 Reticolare (anni 1970)

 Relazionale (anni 1970)

 Object Relational ed Object Oriented (anni 1980)

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

Il modello relazionale si basa sul concetto

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

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:

 le tabelle

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Nel modello relazionale ogni relazione è sostanzialmente una tabella

A ciascun dominio associamo un nome

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

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

Le informazioni sono rappresentate dalle 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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Le righe di una tabella sono definite dall'insieme dei valori corrispondenti ai campi della tabella

stessa

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

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

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

tabelle

Ad esempio, nel database universitario:

 Studenti ed esami sono associati con i campi matricola e studente

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

Il modello relazionale basa la propria forza sulla semplicità

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studenti

Esami

corsi

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

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

∈

∈

 Gli insiemi D_i si dicono domini della relazione

 Il valore n è il grado della relazione

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

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

sottoinsieme del prodotto cartesiano D ^x D ^{x ... x} D

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

 Ciascun attributo in ogni riga, deve essere “atomico”

 Ossia non scomponibile in valori elementari

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studenti

studenti

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Una tabella (relazione) non dovrebbe contenere due righe identiche

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

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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studenti

Esami

corsi

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Le chiavi candidate sono gli attributi in una

relazione con la proprietà di poter essere la chiave primaria:

 Tra le chiavi candidate deve essere scelta la chiave primaria

 Le chiavi escluse si dicono chiavi alternative

Le righe di una tabella rappresentano “entità” del mondo reale

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

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

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

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

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Esami studenti

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Gli operatori relazioni rappresentano la base

teorica per i linguaggi di interrogazioni delle basi di dati relazionali

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

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

senza operare record per record

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

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Gli operatori dell’algebra relazionale sono:

 Unione

 Intersezione

 Differenza

 Ridenominazione

 Selezione

 Proiezione

 Join

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Le relazioni rappresentano degli insiemi

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

otteniamo delle altre relazioni

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

sugli stessi attributi

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laureati

quadri

reparti

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laureati quadri

laureati ∪∪∪∪ quadri

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laureati quadri

laureati ∩∩∩∩ quadri

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laureati quadri

laureati - quadri

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

Questo operatore modifica lo schema della

relazione lasciando inalterati i valori delle righe della relazione

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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L’operatore di selezione viene applicato ad un unica relazione

Questo operatore costruisce una nuova relazione:

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

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

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LAB LAB

AOT AOT

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L’operatore di proiezione viene applicato ad un unica relazione

Questo operatore costruisce una nuova relazione:

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

 Rimuovendo inoltre eventuali n-uple duplicate

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

L’operatore di join viene applicato a due relazioni

Questo operatore costruisce una nuova relazione:

 Utilizzando un attributo (dominio) comune alle due tabelle originali

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

 Concatenando queste righe

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LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

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

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

Combinando:

 Selezione e proiezione

Possiamo raffinare la ricerca di informazioni da una singola relazione

Combinando:

 Join e selezione

 Join e proiezione

Possiamo raffinare la ricerca di informazioni da più relazione

AOT AOT

LAB LAB

AOT AOT

LAB LAB

SEL Capo = Bruni (Impiegati JOIN Reparti)

Impiegati

Reparti

AOT AOT

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PROJ Impiegato, Capo (Impiegati JOIN Reparti)

Impiegati

Reparti

AOT AOT

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Sql (Structured Query Language) è il linguaggio di

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

Sql deriva da una prima proposta di linguaggio di Ibm chiamato Sequel (1974)

Le prime implementazioni sono di Ibm e Oracle (1981)

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

Il linguaggio ha avuto una evoluzione negli anni

corrispondenti ad aggiornamenti delle sue specifiche nel

AOT AOT

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create table NomeTabella (

NomeAttributo Dominio [ Vincoli ], ...

NomeAttributo Dominio [ Vincoli ], [ AltriVincoli ]

)

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

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

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

update NomeTabella

set Attributo = < Espressione

| select … | null | default >

[ where Condizione ]

delete from Tabella [ where Condizione ]

AOT AOT

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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)

)

AOT AOT

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create table persone (

nome character(20) primary key, eta numeric(3),

reddito numeric(9) );

create table paternita ( padre character(20),

figlio character(20) unique );

create table maternita ( madre character(20),

figlio character(20) unique );

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

select nome, reddito from persone where eta < 30

Dimmi i dati delle persone con età minore di 30 anni

select * from persone where eta < 30

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

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

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

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

Dimmi il nome del padre e della madre di ogni persona

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

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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