Modelos de Datos y DBMS - Facultad de Ingeniería

Modelos de Datos

DEFINICIONES

Modelos de Datos: Definición

¿Qué son?Lenguajes usados para especificar y manipular BDs.

Un Modelo de Datos permite expresar :Estructuras.

Elementos de los problemas.

Ej.: CURSOS(nro_curso, nombre, horas).

Restricciones.Reglas que deben cumplir los datos para que la base sea considerada válida.

Ej.: (Ɐ c Ǝ CURSOS ) (c.horas < 120)

Operaciones.Insertar, borrar y consultar la BD.

Ej.: Insert into CURSOS (1911,”FBD”,90)

Modelos de Datos: Clasificación

Según el nivel de abstracción:Conceptuales.

Representan la realidad independientemente de cualquierimplementación de BD.

Usado en etapa de Análisis.

Lógicos.Implementados en DBMSs.

Usado en etapas de Diseño e Implementación.

Físicos.Implementación de estructuras de datos.

P. Ej.: Arboles B, Hash.

Esquema Conceptual (Ej., Entidad-Relación)

Esquema Lógico (Ej., Relacional, Orientado-a-documentos)

Diseño Conceptual

Diseño Lógico

CREATE TABLE PRODUCTS (...); CREATE TABLE CLIENTS (...);

SituaciónMundo Real

Modelos de Datos: Aplicación

PRODUCTS

ALIMENTS CLEANING CLIENTS

BUY

Instancia de una Base de Datos

Conjunto de datos almacenados en una base.

Es el valor de base en un instante de tiempo.Si respetan todos las restricciones, se considera que lainstancia es correcta.

Muy volátiles.

Observar la diferencia con las ideas de instancia típicasde programación.

En los lenguajes de programación tradicionales u orientados aobjetos, una instancia es un elemento, aquí una instancia esun CONJUNTO DE ELEMENTOS.

Esquema de una Base de Datos

Describe qué datos hay en la base, cómo se relacionanesos datos entre sí y qué restricciones de integridaddeben cumplir

Estructuras + Restricciones

Por ejemplo:CURSOS (nro_curso, nombre, horas).

ESTUDIANTES (CI, nombre, fecha_nacimiento).

TOMA_CURSO (nro_curso, CI).

Muy estables.

Arquitectura Lógica de un DBMS

Propiedades importantes de DBMSs:Control global único de la BD.

Separación entre esquema y aplicaciones.Esquema: visión global de los datos de la realidad.

Aplicaciones: programas sobre la BD.

Soporte a diferentes visiones de los datos.Usuarios/aplicaciones ven subconjuntos de la BD.

Independencia de datos.Esquema lógico independiente de implementación.

Acceso a la BD

Vista 1 Vista n.....................Nivel Externo

Esquema Físico (o interno)Nivel Físico

Esquema Lógico (o Conceptual de DBMS)Nivel Lógico(Conceptual DBMS)

Arquitectura en 3 Niveles

Independencia de Datos

Independencia Lógica.Independencia entre especificaciones de nivel Lógico yExterno.

Cambiar partes de esquema lógico sin afectar a losesquemas externos o a las aplicaciones.

Independencia Física.Independencia entre especif. de nivel Lógico y Físico.

Cambiar implementaciones sin afectar esq. Lógico.

Lenguajes e Interfases en Ambientes BD

Provistos por DBMS:Definición de esquema:

VDL (o SSDL) - View Definition Language.

SDL - Storage Definition Language.

DDL - Data Definition Language.Suele englobar estos tres lenguajes.

Manipulación de la BD:DML - Data Manipulation Language.

Modificaciones en instancias.

QL - Query Language.Subconjunto del DML, sólo para consultas.


Tipos de QL:Declarativos.

Se especifica qué propiedad cumplen los datos.

No se especifica cómo se recuperan de la BD.

Suelen recuperar conjuntos de items (registros).

Es el DBMS que define el plan de ejecución.

Procedurales.Se especifica un algoritmo que accede a estructuras del esquemalógico y recupera los datos item por item (registro a registro).


Lenguajes de programación:Lenguajes host (anfitrion):

Lenguajes de uso general (C, COBOL, etc) en el cual se embebensentencias de DML.

Se tiene un pre-procesador que traduce el programa con DMLembebido en un programa puro.

PROBLEMAS: impedance-mismatch

Lenguajes 4GL:Lenguajes procedurales orientados a acceso a BDs.

Conexión privilegiada con DMLs, reduce el impedance-mismatch.


Interfaces especializadas:Interfaces gráficas de consulta.

Se visualizan las estructuras en forma gráfica.

Resultados como gráficas (torta, lineas, etc).

Interfaces de Lenguaje Natural.Se procesan frases y se traducen al QL.

Interfaces para Administración.Ambientes especializados.

Bases de Datos Conjunto de Datos InterrelacionadosMundo Real

Modelado por

Espec

ifica

nManipulan

ImplementanModelos de Datos

Lenguajes para especificar BD o paramodelar la realidad en términos deBD

DBMS's

Software Especializado en Manipulación de BD

Resumen de los Elementos de Bases de Datos

MODELADO CONCEPTUAL

Esquema Conceptual (Ej., Entidad-Relación)

Esquema Lógico (Ej., Relacional, Orientado-a-objetos)

Diseño Conceptual

Diseño Lógico

CREATE TABLE PRODUCTS (...); CREATE TABLE CLIENTS (...);

SituaciónMundo Real

Fases y resultados en el diseño de BDs

PRODUCTS

ALIMENTS CLEANING CLIENTS

BUY

Modelado ConceptualQué es ?

Primer etapa en diseño de una BD.

Actividad en la cual se constuyen esquemas conceptuales de una realidad.

Sub-etapas:

Estudio del problema real.

Especificación usando un lenguaje de muy alto nivel.

Validar resultado.

Resultado:

Esquema Conceptual

Lenguajes usados:

Modelos Conceptuales.

Modelado ConceptualLos Modelos Conceptuales:

Modelos de datos de muy alto nivel.

En general se concentran en estructuras y restricciones deintegridad.

Se concentran en describir el dominio del problema.

Suelen tener una representación gráfica asociada.

Algunos Modelos Conceptuales de Datos:Modelo Entidad-Relación [1976].

Modelos ER Extendidos [´80s y ´90s].

Modelos Multidimensionales [2000].

Modelos Conceptuales – Conceptos BásicosElementos:

ConjuntosLos elementos de interés aparecen agrupados o clasificados enconjuntos de acuerdo a sus características (Personas, Cursos, etc).

Relaciones entre ConjuntosConjuntos de parejas, ternas, cuaternas, etc. de elementos de losconjuntos anteriores. (Estudiantes aprueban cursos, docentesdictan cursos, etc).

Restricciones de Integridad.Condiciones que indican cuando un elemento o una pareja puede ono puede pertenecer a un conjunto o relación. (Todos losestudiantes deben ser mayores de 18 años, etc.)

Modelos Conceptuales – Términos ComunesAtributo

Característica que nos interesa de un determinado elementode la realidad.

Ej.: Título de un libro

¿Qué otro ejemplo se les ocurre?

Modelos Conceptuales – Términos ComunesCardinalidad

N:1Dada una relación entre dos conjuntos A y B, se dice que tienecardinalidad N:1 si dado un elemento cualquiera de A, puede haberen la relación sólo una pareja con ese elemento.

Ej: Libro y editorial

Cuantos elementos de un conjunto pueden estar relacionados con unelemento del origen.

Es una restricción de integridad

Modelos Conceptuales – Términos ComunesCardinalidad

N:NDada una relación entre dos conjuntos A y B, se dice que tienecardinalidad N:N si dado un elemento de A puede haber cualquiercantidad de elementos de B.

Ej: Libro y autor

Principios del Modelado ConceptualPrincipio del 100%:

El esquema conceptual asociado a un problema deberepresentar todos sus aspectos.

Principio de Conceptualización:El esquema conceptual no debe incluir ningún elementoasociado a la implementación del esquema, así como ningúnelemento orientado a la performance de la futura BD.

Es un problema para el futuro, un desafío para los ansiosos

Modelo Entidad-RelaciónModelo Conceptual muy usado.

Propuesto por Chen en 1976.

Existe una gran variedad de “dialectos” y variantes delModelo ER.

Los modelos OO se inspiran y toman ideas de él, por lo quepresentan similaridades.

Sus conceptos básicos:Entidad : elemento de la realidad.

Por ejemplo: Estudiantes, Cursos, Docentes.

Relación : asociación entre elementos.Por ejemplo: Cursa, Dicta

Modelo Entidad-Relación¿Qué dialecto usaremos en el curso?

El modelo gráfico utilizado en el curso Fundamentos deBases de Datos

Los conceptos descriptos en las secciones correspondientesde Elmasri-Navathe.

Coincide bastante con el del Silberchatz y Korth.

Elementos principales:Entidades, Relaciones, Atributos

Generalización, Agregación, Entidad Débil.

Modelización Conceptual – Ejemplo 1Un Esquema Entidad-Relación:

Los estudiantes realizan cursos que pueden ser obligatorios uopcionales.

Modelización Conceptual – Ejemplo 2Otro Esquema ER:

Modelo Entidad-RelaciónTiene un DDL Gráfico orientado a la representación deestructuras y restricciones de integridad.

Tiene 2 elementos básicos:Diagrama Entidad-Relación.

Representa las estructuras y restricciones estandarizadas.

Restricciones no estructurales.Fórmulas lógicas o de conjuntos, representando las restriccionesque no pueden ser expresadas en el diagrama por su complejidado por falta de notación.

Modelo ER - ConstructoresResumen de principales constructores :

Conjunto de Entidades: modeliza objetos de la realidad.

Relación: modeliza asociaciones entre objetos.

Atributo: modeliza propiedades de Tipos de Ent. o de Rel.

Agregación: representa un Tipo de Rel. como un Tipo de Ent.

Especialización: modeliza sub Tipos de Entidad.

Diagrama vs EsquemaNo confundir el esquema ER de la base con el diagramaER de la base:

El diagrama es una representación gráfica de la estructurade los datos de la base.

El esquema es la estructura de datos representada por eldiagrama. Esto lo vamos a ver más adelante en el curso.

El lenguaje tiene una semántica bien definida.Los diferentes dialectos sólo cambian los símbolos pero noel significado.

Diagrama Entidad-Relación Los conjuntos de entidades se presentan con un rectángulocon el nombre, del que “cuelgan” los atributos.

Las relaciones se representan con un rombo con el nombrey que está conectado con los conjuntos de entidades querelaciona.

Hay un conjunto grande de restricciones que se puedenimponer sobre el diagrama con diferentes notaciones.

Cómo aplicar un modelo de datos para representar unadeterminada realidad se puede resumir en lossiguientes pasos:

1. Identificar los elementos de nuestro problema.

2. Identificar las relaciones entre los objetos.

3. Representar las propiedades que nos interesan de nuestrosobjetos.

4. Determinar otras restricciones que deseamos imponer.

Modelo ER – Uso Práctico

En un hospital se tiene un registro de pacientes, un registro de personaly uno de salas con funcionarios que trabajan en esas salas y conpacientes internados en esas salas.

Del personal nos interesa el número de empleado, el nombre, ladirección y el teléfono.

Sabemos que dos empleados no tienen el mismo numero.

De los pacientes nos interesa el número de registro (le es asignadocuando ingresa) y el nombre mientras que de las salas nos interesa elnombre y la cantidad de camas que tiene.

También se sabe que un empleado trabaja en una única sala y que enuna sala trabajan varios empleados. Lo mismo ocurre con lospacientes.

Caso de Estudio

Conjuntos de elementos de la realidad:

Pacientes, Salas, Personal

Relaciones entre esos conjuntos:Los Pacientes están Internados en las Salas y el Personal Trabaja en lasSalas.

Características que interesan de los objetos:Personal: nro. de funcionario, nombre, direccion y telefono

Pacientes: nro. de registro, nombreSalas: nombre, cantidad de camas

Restricciones:Un empleado trabaja en una unica sala y en una sala trabajan variosempleados. Un paciente está internado en una sola sala pero en una salahay varios pacientes.

Caso de Estudio – Identificación deElementos y Relaciones

Caso de Estudio - Primer Nivel

EntidadesUna Entidad es un elemento individual distinguible denuestra realidad

Las entidades se agrupan en Conjuntos de Entidades oTipos de Entidades

AtributosUn Atributo es una función tal que dado un elemento de undeterminado conjunto de entidades devuelve un valor de undeterminado conjunto de valores.

Funcionarios

Entidades y Atributos – Esquema e Instancia

NombresNombre

FUNCIONARIOS

Nombre Sueldo Dir

DirsDir

Nombre: Funcionarios NombresDir: Funcionarios DirsSueldo: Funcionarios Sueldos

Sueldos

Sueldo

Esquema

Instancia

Permiten representar atributos compuestos que estánformados por varias partes independientes.

FUNCIONARIOS

ViviendaCiudad

Dir

CalleNro

Atributos Estructurados

Atributos MultivaloradosSon funciones que devuelven un valor de tipoconjunto de otro dominio.

Libros

Editorial

Ciudad

Código

Descriptores*

Título

Autores*

Nombre

Restricciones sobre Conjuntos de EntidadesSe dice que un atributo es Determinante cuando nopueden existir dos entidades en el conjunto que tenganel mismo valor en ese atributo.

Libros

Editorial

Ciudad

Código

Descriptores*

Título

Autores*

Nombre

Las entidades del conjunto se puedenIDENTIFICAR mediante los valores de eseatributo.

Es una restricción porque dice cuálesconjuntos de entidades son instanciasválidas para este esquema y cuáles no loson.

Cursos

Relaciones - Esquema e InstanciaUna relación es un conjunto de parejas ternas,cuádruplas, etc. de entidades.

El esquema de una relación se representa con unrombo que une los conjuntos de entidades queparticipan de la relación.

Estudiantes

Ci

Nombre

Descripción

Cod

CursosInscriptos

Estudiantes

Restricciones sobre RelacionesCardinalidad

Totalidad

Estudiantes

Ci

Nombre

InscriptosDescripción

Cod

Cursos

Dado un curso A ¿Cuántos estudiantespuede tener inscriptos como máximo?

N 5

Todos los estudiantes deben estarinscriptos en algún curso.

Dado un estudiante E ¿En cuántos cursospuede estar inscripto como máximo?

Restricciones sobre RelacionesRestricciones no Estructurales

Atributos de RelacionesSe tiene información de materiales y proveedores indicando quématerial provee cada proveedor.

Del material, se conoce el código que lo identifica, el nombre y unadescripción.

Del proveedor se conoce su RUT, su nombre y su dirección.

Cualquier material puede ser provisto por cualquier proveedor.

Materiales

Código

Nombre

Descripción NombreRUT

Proveedores

Dir

ProveeN N

Atributos de RelaciónSe conoce también el precio al que un proveedor provee unproducto.

¿Es un atributo del proveedor?

No porque depende del producto.

¿Es un atributo del producto?

No porque depende del proveedor.

Materiales

Código

Nombre

Descripción NombreRUT

Proveedores

Dir

ProveeN N

PrecioPrecio Precio

Es un atributo de laRelación

Precio: Provee → Precios

Combinación de Constructores de AtributosHay un conjunto de cines de los que se conoce el nombre y la ciudad y seasume que la pareja nombre-ciudad identifica al cine. Existe también un conjunto de películas que se exhibe en los cines y de lasque se conoce un cod que la identifica y un nombre.Cada cine efectúa diferentes funciones de cada película, con una fecha yhora para cada una.

Películas

Cod Nombre

Exhibe

Función*

Fecha Hora

Cines

id

Nombre Ciudad

AutorelacionesEn una empresa, existen funcionarios y se sabe que unosfuncionarios son jefes de otros. Un jefe es jefe de varios funcionariosy un subordinado es controlado por un único jefe.

NombreCI

Funcionarios

Coordinación

N 1Subor dinadoJe

fe

Roles

AgregacionesObjetivo:

Representar asociaciones entre elementos de Relaciones yde otros Conjuntos de Entidades.

Representar relaciones entre múltiples Conjuntos deEntidades pero manteniendo relaciones binarias.

Constructor:Se re-interpreta una Relacion como si fuera un Conjunto deEntidades.

El nuevo Conjunto de Entidades se utiliza como cualquier otro.

Agregaciones

Materiales RequerimientosM-R

Pedidos

M-R-P

N N

N

N

Esta representación permite que existanparejas material-requerimiento sin pedido.La relación triple no lo permite.

Con una totalidad representa lomismo que con la relacióntriple.

Especialización de Conjuntos de EntidadesUna empresa tiene varios departamentos de los que se conoceun nombre que los identifica. Además tiene un conjunto defuncionarios de los que se conoce su CI, su Nombre, sudirección y el departamento en que trabaja.

Si el funcionario es un chofer, se conoce su nro de libreta deconducir y la cantidad de accidentes que tuvo. Si esadministrativo, entonces se conocen los idiomas que habla. Sies técnico, se conoce las especialidades en que puede trabajar.

Especialización de Conjuntos de EntidadesLa empresa tiene a su vez un conjunto de coches de los que seconoce su matrícula y la marca. Cualquier coche puede serconducido por cualquier chofer.

La empresa lleva adelante un conjunto de proyectos. De cadaproyecto se conoce un nro. de proyecto que lo identifica y quétécnicos trabajan en él. Un técnico puede estar asignado avarios proyectos simultáneamente y en cada proyecto puedentrabajar varios técnicos.

Especialización de Conjuntos de Entidades

Entidad DébilExiste un conjunto de hospitales de los cuales se conoce elcódigo del hospital, el nombre, la dirección y los teléfonos.

Hay salas de las cuales se conoce el nombre de la sala y lacantidad de camas que tiene en un hospital dado. Endiferentes hospitales hay salas con el mismo nombre (Ej.General, Operaciones 1)

Hay empleados que trabajan en las salas de los hospitalesde los cuales se conoce el nro. de empleado entre otrasinformaciones. Los nros de empleados no se repiten en losdistintos hospitales.

HospitalesCod-hosp

Nombre

Dir Tel* Nom-Salas*

#cant-camas-salas*

Hospitales

Cod-hosp

Nombre Dir

Tel*

SalasNom-Sala

#camas

Empleados#emp

Info-emp

H-S1 N

E-S

N

1

No se pueden agregar los empleadosen las salas

Empleados de distintos hospitalesfiguran en la misma sala

Entidad Débil

Empleados#emp

Info-emp

Entidad Débil

SalasNom-Sala

#camasH-S1 N

E-S

N

1Hospitales

Cod-hosp

Nombre Dir

Tel*

Conjunto de Entidades Débiles(Se identifican usando una relación)

Conjunto de Entidades Fuertes(Se identifican por un atributo)

Punta en la entidadfuerte

Totalidad

Cardinalidad N:1

MODELO RELACIONAL

Modelo Relacional

Referencia:Elmasri -Navathe. 6ª Edición. Capítulo 3

Conceptos Generales

Es un Modelo de Datos Lógico.Se usa como Modelo implementado por DBMS.

Creado por Codd en 1970.Se comenzó con una definición teórica.

Se proponía un modelo con fuertes elementos matemáticospara BDs.

Actualmente : modelo lógico dominante.Los DBMS Relacionales son la enorme mayoria.

Visión Informal del Modelo.Las estructuras consisten en TABLAS,

Las columnas corresponden a ATRIBUTOS de tipo atómico.

Las filas corresponden a registros de datos.

Las operaciones están fundamentalmente orientadas amanejo de TABLAS, como conjuntos de registros.

Es un modelo de datos extremadamente simple y claro, quetambién ha resultado potente para la mayor parte de lasaplicaciones de BDs.

Conceptos Generales

Conceptos Generales

Dominio D.Es un conjunto de valores atómicos.

Esquema de relacion R(A1,...,An).R es el nombre de relación.

A1,...,An son los atributos con dominios D1,...,Dn.

Relación r(R).Es una instancia de un esquema de relación R.

Consiste en un conjunto de t-uplas (o tuplas)r = {<a1,...,an> , <b1,...,bn>, <c1,...,cn> ,.... }

También puede interpretarse a r como:r(R) ⊆ (D1 x ... x Dn)

Conceptos Generales

Conceptos Generales

Esquema de BD Relacional o Esquema Relacional:Conjunto de esquemas de relación.

EMPLEADO(Nombre, Apellido, NSS, FechaN, Direccion, Sexo, Salario, NSSSuper, ND)

DEPARTAMENTO(Nombre,NumeroD,NSSGTE,FechaInicGte )

LugaresDeptos(NumeroD, Lugard)

PROYECTO(Nombre, NumeroP, LugarP, NumD)

Trabaja_En(NSSE, NumP, Horas)

Ejemplo

Fabricantes que Venden Productos:FABS PRODS VENTAS

#f Nombre Direcc #p desc #f #p precio1 Juan d1 1 t1 1 1 1002 Pedro d2. 2 t2 1 2 2004 Maria d3 3 t3 1 3 3005 Ana d2 5 t2 1 10 10006 Pedro d4. 6 t3 1 11 11009 Pepe d5 7 t4 2 3 35010 Laura d4 9 t2 2 6 60013 Maria d3. 10 t1 2 7 70015 Pedro d1 11 t3 5 3 35016 Oscar d3 12 t2 5 5 20019 Juan d4 15 t3 9 7 100

9 3 30010 3 400

Ejemplo de Instancia de BD Relacional

Catacterísticas de las Relaciones

Es un conjunto de tuplas:No está ordenado.

No hay repetidos.

Valores de Atributos en tuplas:Son valores atómicos (indivisibles).

Propiedad: primera forma normal.

Atributos ordenados o no ?Visión ''producto cartesiano'': SI .

Visión ''tuplas como funciones'': NO .t: R → D1 U ... U Dn

RI en el Modelo Relacional

Restricciones de Dominios.Restricciones de tipo en los Di:

Indica a qué tipo pertenecen los valores.

Pueden incluir subrangos o enumerados.

Ejemplo:FUNCIONARIO(CI, Nombre, Dir, Edad).

CI: number(9);

Nombre, Dir: String;

Edad: number(2); Edad > 18;


ClaveUna clave es una superclave que no contiene propiamenteuna superclave (o sea minimal).

Ej:Fab (#f, Nom, Dir)

Prod (#p, Desc)

Ventas (#f, #p, precio)


Claves Foráneas (Foreign Keys)

Dado R, un conjunto de atributos X es una FK de R si:Los atributos de X coinciden en dominio con los de una clave Y de S.

Los valores de X en tuplas de r(R) (para toda r) corresponden avalores de Y en la relación s(S).


Integridad Referencial

Se dice que existe una RI Referencial entre R y S, donde Rreferencia a S.

Es otra forma de decir que en R hay una foreign key sobre S.


Ejemplo de RI Referenciales:Departamento.NSSGTE FK Empleado.NSSEmpleado.NSSSuper FK Empleado.NSSProyecto.NumeroD FK Departamento.NumeroD

EMPLEADO(Nombre,Apellido,NSS,FechaN,Direccion, Sexo, Salario, NSSSuper, ND)

DEPARTAMENTO(Nombre,NumeroD,NSSGTE,FechaInicGte )

LugaresDeptos(NumeroD, Lugard)

PROYECTO(Nombre, NumeroP, LugarP, NumD)

Trabaja_En(NSSE, NumP, Horas)


Una BD se considera válida si:Todas las relaciones r satisfacen las RIs.

Todas las instancias actuales de todas las relaciones declaradas enel esquema relacional satisfacen todas las RIs.



Propiedades importantes:Las RI surgen de:

La observación de la realidad.

NO de la observación de relaciones.

Las RI se definen a nivel de:ESQUEMA RELACIÓN

NO a nivel de instancia.

Las RI son verificadas o violadas por:relaciones (instancias).

NO por esquemas de relación.

Insert

Sea R(A,B,C) y r(R),

insert <a,b,c> into R

Incluye la tupla <a,b,c> en la relación r.

Las tuplas insertadas deben cumplir las RI.

Operaciones de Modificación

DeleteSea R(A,B,C) y r(R),

Delete from R where <cond>

borra de las tuplas de r las que cumplen la condición <cond>

Borrar tuplas puede generar violaciones a RI,¿En qué casos ?


UpdateSea R(A,B,C) y r(R),

update R set <atributo> =<valor>,… where <cond>

modifica las tuplas de r que cumplen la condición <cond>.

Actualizar tuplas puede generar violaciones a RI,¿En qué casos ?


OPTMIZACIÓN DECONSULTAS

¿Cómo se resuelven las consultas?

Ejemplo de optimización (I)

Ejemplo de optimización (II)

Ejemplo de optimización (III)

Ejemplo de optimización (IV)

Modelos de Datos y DBMS - Facultad de Ingeniería

Documents

Transcript of Modelos de Datos y DBMS - Facultad de Ingeniería