Modelli
Una base di dati può essere descritta in diversi modi secondo le esigenze, vi sono tre livelli di descrizione che nella progettazione delle basi di dati si utilizzano:
- livello concettuale in cui la parte importante sono i concetti che sono rappresentati nella base di dati,
- livello logico in cui viene descritto il modo in cui i dati sono organizzati a livello “logico”,
- livello fisico in cui si descrive come i dati sono memorizzati nei supporti fisici quali SSD, dischi.
Ognuno di questi livelli può essere basato su tecniche e nomenclatura specifici, in pratica ogni livello può essere descritto mediante modelli. Si parla perciò di modelli concettuali, logici e fisici.
Con questa unità si introduce il modello logico noto come modello relazionale, più avanti ci occuperemo del modello concettuale noto come diagramma entità-relazione.
Non ci occupiamo di modelli fisici in quanto questi sono normalmente gestiti dai DBMS i quali si occupano di organizzare le informazioni a partire dal modello logico che adottano (ad esempio il modello relazione per DBMS relazionali) in un modello fisico che sia efficiente e che garantisca il miglior funzionamento della base di dati.
Progettazione di basi di dati
Dedicheremo un’intera unità alla progettazione di basi di dati anche perché la progettazione stessa è richiesta durante la seconda prova d’Esame di informatica. Qui introduciamo brevemente i passi che tipicamente si svolgono durante la progettazione.
- Analisi dei requisiti: si definiscono, interrogando gli utenti finali, tutti i dati, le query e le funzionalità che la base di dati deve supportare.
- Progettazione concettuale: a partire dall’analisi dei requisiti, avendo scelto un modello concettuale specifico, si crea la rappresentazione concettuale della base di dati.
- Progettazione logica: a partire dalla progettazione concettuale, avendo scelto un modello logico specifico, si crea la rappresentazione logica della base di dati.
- Sviluppo e testing: utilizzando la rappresentazione logica, avendo scelto un DBMS adeguato, si realizza la base di dati, si creano le query e le viste e si procede con i test di funzionamento.IN
Il modello relazionale
La maggior parte dei database attualmente in utilizzo sono basati sul modello logico dei database relazionali. Anche se oggi altri tipi di database chiamato NoSQL (Not Only SQL) sono popolari, la conoscenza approfondita del modello relazionale e delle tecniche di progettazione di database relazionali, sono ancora competenze fondamentali per uno sviluppatore (specialmente, ma non esclusivamente, per sviluppatori backend).
Il modello relazionale si basa sul concetto di relazione che verrà presentato nella prossima sezione insieme al concetto di tupla. Un database è normalmente composto di un insieme di relazioni che vanno sotto il nome di schema della base di dati. È importante, inoltre, ricordare la differenza tra livello intensionale, lo schema della base di dati, e livello estensionale, lo stato della base di dati.
Mentre questa lezione ha lo scopo di introdurre con definizioni ed esempi i concetti fondamentali dei database relazionali, le lezioni successive sono altrettanto importanti:
I moduli successivi introducono SQL che è il linguaggio per creare e gestire database relazionali, una conoscenza adeguata di tale linguaggio è spesso un requisito per ottenere posizioni di lavoro da sviluppatori.
Importante
Avere una comprensione “teorica” del modello relazionale permette di capire meglio come utilizzare sul campo strumenti come SQL. Per questo motivo è importante studiare ed assimilare il materiale presentato in questo modulo cosicché nei moduli successivi ci si possa pienamente concentrare sull’utilizzo del linguaggio SQL e sulla progettazione di database relazionali.
Relazione e Tupla
Il modello relazionale prevede che le entità del mondo da descrivere siano tradotti in relazioni. Una relazione può essere vista come una tabella fatta di colonne e riga a cui è associato un nome che rappresenta il nome della relazione. Ogni colonna corrisponde ad un attributo ed ogni riga ad una istanza detta anche tupla. A differenza di una tabella Excel, una relazione deve avere un dominio ben specificato per ogni colonna (in Excel la cella A1 può contenere un numero mentre la cella A2 una stringa). Il numero di attributi di una relazione prende il nome di grado della relazione.
Introduciamo ora una prima definizione di schema di relazione, è importante notare che questa definizione riguarda lo schema cioè il livello intensionale: come è fatta mentre non riguarda lo stato cioè il livello estensionale: cosa contiene.
Definizione: Schema di Relazione
Uno schema di relazione è definito da un nome e da una lista di attributi \(A_1,…,A_n\) il numero \(n\) di attributi si dice grado dello schema. Ad ogni singolo attributo \(A_i\) è associato un dominio.
Esempio
Consideriamo l’entità studente che nella base di dati è descritto da nome, cognome e data di nascita. Nel modello relazionale utilizzeremo una relazione/tabella chiamata Studente con tre attributi/colonne: Nome, Cognome e DataDiNascita. Il Dominio dei primi due attributi sarà quello delle stringhe di possibili nomi, mentre il terzo attributo avrà come dominio tutte le possibili date, ad esempio nel formato AAAA-MM-GG.
| Nome | Cognome | DataDiNascita |
|---|
| …. | … | … |
Mentre lo schema di una relazione rappresenta come è fatta la relazione e come sono fatte le istanze (righe della tabella), il contenuto rappresenta lo stato della relazione e si descrive indicando le tuple (righe) che compongono la relazione. Ogni tupla è una sequenza ordinata di \(n\) valori, analizziamo bene questa definizione.
- Sequenza significa che i valori sono in successione (uno dopo l’altro), esiste perciò un primo, un secondo, un ultimo valore. La tupla
(Mario,Rossi,1970-07-23) ha come primo valore Mario, come secondo valore Rossi e come terzo e ultimo valore 1970-07-23. - Ordinata significa che l’ordine dei valori conta. La tupla
(Mario,Rossi,1970-07-23) è diversa dalla tupla (Rossi,Mario,1970-07-23). - \(n\) rappresenta il numero di valori che è anche il grado della relazione a cui la tupla si riferisce.
- Valori indica che una tupla contiene “qualcosa” che deve essere preso dai domini corrispondenti. La tupla
(Musk,XÆA-12,2020-05-04), ad esempio, contiene dei valori non validi per i domini associati a causa del carattere Æ che normalmente non può essere utilizzato per nomi o cognomi.
Esempio
Riprendendo l’esempio precedente, aggiungiamo alla relazione Studente due tuple una per lo studente Edoardo Conte ed una per lo studente Raimondo Bianchi.
| Nome | Cognome | DataDiNascita |
|---|
| Edoardo | Conte | 1923-08-19 |
| Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
Le due tuple possono essere indicate anche nel seguente modo:
(Edoardo, Conte, 1923-08-19)(Raimondo, Bianchi, 1946-01-01)
È importante notare che, essendo le tuple sequenze ordinate, non si possono inserire “a piacere” i valori queste sono tuple non valide per lo schema Studente.
(1923-08-19, Edoardo, Conte)(Bianchi, Raimondo, 1946-01-01)(Bianchi, Raimondo)
L’ultimo esempio mostra come una tupla valida debba indicare tutti i valori degli attributi. Vedremo che in alcuni casi è possibile indicarne solo alcuni, ma questo è possibile solo se sono indicati valori da inserire nel caso non siano dati esplicitamente. Anche in questo, tuttavia, va esplicitato quali valori sono indicati esplicitamente. Ad esempio la seguente tupla (Giacomo, 2010-01-02) può indicare che va preso il cognome o il nome di default. Supponendo che NULL sia valido valore per nome e cognome, la tupla può indicare uno dei due seguenti casi:
(Giacomo, NULL, 2010-01-02)(NULL, Giacomo, 2010-01-02)
L’unica soluzione è indicare esplicitamente se Giacomo riguarda il primo (nome) o il secondo (cognome) attributo.
Possiamo quindi dare la seguente definizione di tupla.
Definizione: Tupla
Una tupla per uno schema di relazione è una lista ordinata di valori \(t_1,\ldots,t_n\) dove ogni valore \(t_i\) deve essere un valore del dominio di \(A_i\) il quale può o meno contenere il valore NULL.
Osserva
Il termine tupla può suonare strano, si tratta infatti di una italianizzazione del termine inglese tuple il quale indica una sequenza di \(n\) valori. L’origine del termine inglese è semplice: dopo i termini pair, triple e quadruple (coppie, terne e quaterne), per indicare una sequenza di \(n\) valori si può scrivere \(n\)-tuple (ad esempio 5-tuple, 9-tuple). L’unica cosa a cui bisogna fare attenzione quando il termine inglese tuple viene tradotto in italiano è al singolare plurale:
- singolare: l’inglese tuple diventa tupla in italiano,
- plurale: l’inglese tuples diventa tuple in italiano.
In pratica la parola tuple è singolare in italiano e plurale in inglese.
Ora che abbiamo viso cosa è lo schema di una relazione e cosa sono le tuple, possiamo finalmente definire il concetto di relazione
Definizione: Relazione
Una relazione per uno schema di relazione è un insieme di \(m\) tuple ognuna delle quali deve essere univoca e deve contenere un valore valido (compreso nel dominio) per ogni attributo.
Due osservazioni importanti vanno fatte rispetto alla definizione di relazione appena proposta.
- Una relazione è un insieme di tuple, gli insiemi sono oggetti non ordinati e perciò in una relazione l’ordine delle tuple non ha alcuna importanza. Le due seguenti tabelle rappresentano esattamente la stessa relazione.
| Nome | Cognome | DataDiNascita |
|---|
| Edoardo | Conte | 1923-08-19 |
| Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
| Nome | Cognome | DataDiNascita |
|---|
| Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
| Edoardo | Conte | 1923-08-19 |
- Ogni tupla deve essere univoca cioè non possono esserci “doppioni”. La seguente tabelle non rappresenta una relazione data la presenza di righe uguali
| Nome | Cognome | DataDiNascita |
|---|
| Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
| Edoardo | Conte | 1923-08-19 |
| Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
Tuttavia la seguente tabella è una valida relazione| Id | Nome | Cognome | DataDiNascita |
|---|
| 1 | Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
| 2 | Edoardo | Conte | 1923-08-19 |
| 3 | Raimondo | Bianchi | 1946-01-01 |
in quanto la colonna Id differenzia quelle con i rimanenti attributi uguali.
Vincoli e stati validi
Lo stato di una relazione (righe della tabella) rappresenta la situazione del mondo reale che si sta cercando di rappresentare nella base di dati. Tuttavia, non tutte le combinazioni di valori degli attributi sono realtà possibile. Ad esempio uno studente non può avere una data di nascita nel futuro e nemmeno una data troppo nel passato. Diremo che i valori hanno dei vincoli che vanno rispettati, altrimenti lo stato non è valido. Queste tuple sono ovviamente non valide per una base di dati di una scuola.
(Renato, Carta, 1596-03-31)(Luisa, Turati, 2975-07-29)
Attenzione
In ogni istante l’intera base di dati deve memorizzare unicamente stati validi altrimenti le informazioni recuperati da esso potrebbero causare malfunzionamenti dell’applicazione (ad esempio non accettare l’iscrizione di uno studente se la data è sbagliata). È compito dello sviluppatore garantire che la base di dati sia sempre in uno stato valido. Caso in cui questo non sia garantito vanno considerati bug dell’applicazione la cui gravità dipende dagli effetti che questi bug possono avere.
Database relazionale
Abbiamo visto come una relazione rappresenta un’entità (ad esempio l’entità studente). Tuttavia, una base di dati è normalmente composta di varie entità (studenti, professori, materie, …), per questo motivo un database relazionale di norma contiene diverse relazioni (anche centinaia nei casi più complessi) che sono tra loro collegate.
Esempio
Vediamo in questo esempio un piccolo database per la memorizzazioni di informazioni relative ad una scuola. Il DB descriverà informazioni su: studenti, professori, classi e materie e dovrà indicare quali studenti appartengono a quale classe e quali professori insegnano quali materia in quali classi.
Come prima cosa individuiamo le entità che vogliamo considerare nel nostro DB elencano le caratteristiche (attributi) che ci interessano.
- Studente: nome, cognome, data di nascita, classe
- Professore: nome, cognome, materia
- Materia: nome, ore settimanali, ore laboratorio, elenco insegnanti
- Classe: nome, aula, elenco studenti
Consideriamo ora la relazione Classe, mentre gli attributi Nome e Aula sono semplici da definire, l’attributo ElencoStudenti presenta un problema. Se, ad esempio, la classe 1A ha studenti e la classe 2A ne ha 21, come facciamo a mettere questo in una tabella che deve avere un numero prestabilito di colonne? Una possibile soluzione è creare una tabella che abbiamo più colonne di quelle che servono (ad esempio 40) e memorizzare gli studenti uno per colonna lasciando dello spazio vuoto per le colonne in eccesso. Questa soluzione ha diversi problemi, ad esempio lo spreco di memoria perché anche un valore vuoto o NULL occupa spazio. Vedremo nelle prossime lezione che la soluzione passa attraverso l’attributo Classe della relazione studente. Infatti possiamo ottenere l’elenco degli studenti della 2A elencando le tuple in Studente che hanno valore 2A nell’attributo Classe. Questo meccanismo prende il nome di chiave esterna e verrà trattato in dettaglio in una prossima lezione.
Un ragionamento simile a quanto fatto per elenco studenti dell’entità classe può essere fatto per elenco insegnanti dell’entità materia.
Esercizio: Magazzino
Definire le relazioni per le seguenti entità, indicando, per ogni attributo, il tipo e il dominio (ad esempio: tipo intero dominio valori tra 1 e 5).
- Prodotto: codice, nome, descrizione, prezzo, quantità in magazzino
- Fornitore: codice fornitore, nome, indirizzo, telefono
- Ordine: data ordine, prodotto, fornitore, quantità
Spiegare le scelte effettuate, specialmente per quanto riguarda l’entità ordine.