Modelli e database• In generale un modello è la rappresentazione di idee

e conoscenze relative a un fenomeno espressa in un

certo linguaggio formale– Es. Si pensi al modello su carta di una casa,

espresso con il linguaggio della geometria e della

matematica• Un database relazionale (un insieme di tabelle) è un

modello (una rappresentazione) di una porzione della

realtà di interesse, detta universo del discorso• Il modello è espresso in termini del modello dei dati

offerto dal DBMS in uso

Modelli dei dati

Il Modello RelazionaleIl modello relazionale dei dati, proposto nel 1970 ed adottato nei sistemi commerciali a partire dal 1978, si è diffuso rapidamente tanto sui sistemi grandi quanto sugli elaboratori personali.

I meccanismi per definire un database con il modello relazionale sono il record (o ennupla) e la tabella (o relazione):

– una tabella R(T) è definita da un insieme finito di coppie, dette campi, della forma T = (A1: T1, A2: T2,…, An: Tn), dove

• A1, A2,…, An sono detti attributi

• T1, T2,…, Tn sono tipi elementari

– lo schema di una base di dati è un insieme di schemi di relazione R1(T1), R2(T2), …, Rk(Tk);

– un’istanza di una tabella R(T) è un insieme finito di record di tipo T della forma (A1: v1, A2: v2,…, An: vn), dove vi è di tipo Ti

Modelli dei dati

Esempio: relazione StudentiRelazione

Studenti(Nome: string, Matricola: string, Provincia: string, AnnoNascita:int)

Istanza di Studenti

1980PI175649Bonini

1078LI179856Bianchi

1975LU167459Rossi

1980PI171523Isaia

AnnoNascitaProvinciaMatricolaNome

Una tabella si rappresenta graficamente come una tabella con una colonna per ogni attributo e una riga per ogni record dell’istanza della tabella.

record

attributo

Valoredi attributo

Modello relazionale

Nozioni e specifiche• La cardinalità di una tabella è data dal numero dei

record che appartengono alla sua istanza.

• Il grado di una tabella è dato dal numero di attributi della tabella.

• Due record sono uguali se contengono gli stessi valori per gli stessi attributi.

• Una tabella può contenere record uguali (tabelle come multinsiemi).

• Ogni tabella contiene un insieme non ordinato di record: due tabelle che differiscono solo per l’ordine dei record in esse contenute, sono uguali.

Modello relazionale

Operazioni sulle relazioni• Chiusura delle operazioni. Ogni operazione

ha come parametri in ingresso delle relazioni e restituisce sempre una relazione.

• Questo consente la composizione di operazioni: il risultato di un’operazione può essere utilizzato come input per un’altra operazione.

Modello relazionale

Progettazione di database• Supponiamo di voler modellare l’universo del discorso

dell’Università, in particolare il contesto della gestione della

carriera universitaria degli studenti• È improponibile progettare un database sulla base del solo

universo del discorso e senza l’adozione di metodologie di

modellazione– Passare direttamente dalla realtà dell’Università a tabelle

relazionali sulla base della sola intuizione è un’operazione

ardua e rischiosa• Un modello (un database) è il risultato di un processo di

interpretazione, guidato dalle idee e conoscenze possedute dal

soggetto che interpreta• Definire un modello è un’operazione complessa (intuizione e

metodo)

Progettazione

Metodologie• Esistono metodologie di modellazione che forniscono

gli strumenti e linguaggi per:– individuare e rappresentare le componenti

interessanti dell’universo del discorso, al fine di realizzarne un modello concettuale;

– per successivamente convertire il modello concettuale in un database relazionale

• Il modello concettuale descrive la realtà in maniera intuitiva (non informatica) ed è allo stesso tempo facilmente trasformabile in un database, cioè in un modello della realtà interpretabile da un computer

Progettazione

Fasi di progettazioneL’informatica offre strumenti per costruire:

– modelli per l’analisi del problema;

– modelli per la progettazione della soluzione;

– modelli per la realizzazione del progetto.

Progettazione

ANALISI DEI REQUISITI

PROGETTAZIONE CONCETTUALE

PROGETTAZIONE LOGICA e FISICA

Specifica dei requisiti

Modello concettuale

Modello relazionale logico e fisico

Aspetti del problema

Aspetto ontologico

Quale conoscenza dell’universo del discorso si rappresenta? In quali termini discutiamo la realtà?

Aspetto linguistico

Una volta stabilito in quali termini descrivere la realtà, quale linguaggio utilizziamo per definirne un modello?

Aspetto pragmatico

Come si procede per costruire un modello?

Prog. della soluzione

Aspetto ontologico

Cosa si modella

• Conoscenza concreta:

– I fatti

• Conoscenza astratta

– Struttura e vincoli sulla conoscenza concreta

Aspetto ontologico

La conoscenza concreta

Fatti specifici che si vogliono

rappresentare:

– le entità con le loro proprietà,

– le classi (o collezioni) di entità omogenee

– le associazioni fra entità.

Aspetto ontologico

Con. concreta: entità e proprieta’• Le entità rappresentano fatti concreti o astratti, nel dominio

del discorso, di cui interessa rappresentare l’esistenza.

– Ad esempio, lo studente Mando Lino (la persona) è un fatto concreto, un esame da lui passato con 30 è un fatto astratto; entrambi sono interessanti nell’ambito della realtà universitaria che intendiamo modellare

• Ogni entità è accompagnata da un insieme di proprietà, che la caratterizzano oltre la sua semplice esistenza

– le proprietà si distinguono dalle entità poiché sono fatti che interessano solo in quanto descrivono le caratteristiche di entità.

– Ad esempio, il nome di uno studente (es. “Lino Mando”), la data di un esame

Aspetto ontologico

Con. concreta: proprietà• Una proprietà è una coppia

(Attributo, valore di un certo tipo)

esempio: (nome, ‘Franca Mente’) dove ‘Franca Mente’ è di tipo string (o char)

• Stabilire quali informazioni possono essere considerate una proprietà di un’entità è un processo semantico

• Come conseguenza i nomi degli attributi di una proprietà devono riflettere il significato dei valori ad essi associati.

Aspetto ontologico

Con. concreta: proprietà (cont.)

Classificazione delle proprietà: – primitiva / strutturata

• Es. età e indirizzo– obbligatoria / opzionale

• Es. nome e telefono– univoca / multivalore

• Es. matricola e lingueParlate– costante / variabile

• Es. nome e età– calcolata / non calcolata

• Es. età e telefono

Aspetto ontologico

Determinare le proprietà• Esempio, la proprietà Indirizzo di un’entità studente

potrebbe essere intesa come primitiva o strutturata:(indirizzo, “Via Diotisalvi, 45 56100 Pisa, Italia”)

oppure come,

(indirizzo, {(via, “Via Diotisalvi, 45”), (codice, 56100)

(città, “Pisa”), (stato, “Italia”)})

• Quale è la soluzione migliore?– per operare sullo stato di residenza di uno studente nel primo

caso è necessario scrivere codice per estrarre il valore dall’attributo indirizzo, mentre nel secondo caso il valore è reso esplicito dall’attributo stato.

Aspetto ontologico

Determinare le proprietà (cont.)• Ci sono casi in cui la scomposizione del valore di una

proprietà non è necessaria o è richiesta solo parzialmente

• Ad esempio, supponiamo che l’Università, per ragioni statistiche, sia interessata a trattare solamente lo stato degli studenti

• Una suddivisione via, città, codice, stato sarebbe troppo specifica e inutile, basterebbe invece una strutturazione del tipo indirizzo, stato.

• Se l’unico scopo degli indirizzi fosse invece quello della spedizione, la soluzione migliore sarebbe quella di un unico attributo indirizzo.

Aspetto ontologico

Determinare le proprietà (cont.)• Un altro aspetto da considerare nel

determinare le proprietà di un’entità è quello di investigare su eventuali future esigenze.

• Ad esempio, potrebbe essere molto probabile che in futuro sarà necessario mantenere informazioni riguardo la data di nascita dello studente.

• In questo caso, anche se l’esigenza non è rilevata nel momento dell’analisi della realtà, è bene prevedere una proprietà con attributo dataNascita.

Aspetto ontologico

Determinare le proprietà (cont.) • A volte non è semplice distinguere le entità

dalle proprietà.• Ad esempio, gli indirizzi degli studenti

potrebbero essere interpretati come entità con proprietà via, città, codice, stato.

• Questo potrebbe essere accettabile solo se nella realtà Universitaria tutti gli indirizzi fossero strutturati allo stesso modo e se fossero previste operazioni sugli indirizzi che prescindono da altre entità associate ad un indirizzo.

Aspetto ontologico

Domini delle proprietà e tipi• Il dominio di una proprietà specifica l’insieme

dei valori che possono essere associati alla proprietà.

• I domini sono al livello concettuale (modello dei dati) e non vanno confusi con i tipi, che sono invece al livello della realtà fisica di un database – La proprietà nomeProvincia ha come dominio

l’insieme {Aosta, Aquila,…Milano,….., Venezia}, cioè tutte le possibile provincie

– Il tipo che verrà associato a questo dominio sarà char(20), cioè l’insieme di tutte le stringhe di lunghezza minore o uguale a 20.

Aspetto ontologico

Con. concreta: collezioni

• Classe (o collezione): un insieme variabile nel tempo di entità omogenee, cioè entità associate a proprietà con gli stessi nomi di attributi e con gli stessi domini

• Ad esempio, le classi degli Studenti e degli Esami

Aspetto ontologico

Con. Concreta: esempio

Studenti Esami

a1

a2

nome = “Lino Mando"

matricola = “12345"

materia = “BD"

voto = 26

d1

d2

d3

materia = “ALG"

voto = “27"

materia = “FIS"

voto = “24"

nome = “Franca Mente"

matricola = “54321"

Collezione

Entita’

Proprieta’

Aspetto ontologico

Con. concreta: gerarchia di classi• Spesso le classi di entità sono organizzate in una

gerarchia di specializzazione/generalizzazione per trattare insiemi di entità ad un diverso livello di dettaglio. Una classe della gerarchia minore di altre viene detta sottoclasse (le altre sono superclassi).

• Due importanti caratteristiche delle gerarchie: – ereditarietà delle proprietà: un’entità di una

sottoclasse eredita le proprietà associate alla superclasse.

– Le entità di una sottoclasse sono un sottoinsieme degli elementi della superclasse

Aspetto ontologico

Sottoclassi e superclassiStudenti

a1

a2

nome = “Lino Mando"

matricola = “12345"

matricola = “54321"

nome = “Franca Mente"

Matricole

Laureandi

a2

matricola = “54321"

nome = “Franca Mente"

a1 nome = “Lino Mando"

matricola = “12345"

votoMaturità = “58”

relatore = “Lina Carto”

Studenti è superclassedi Laureandi e Matricole, mentreLaureandi e Matricole sono sottoclassi di Studenti

Aspetto ontologico

Con. concreta: le associazioni• Un’istanza di associazione è un fatto che correla due o

più entità, stabilendo un legame logico tra di loro. Esempi:

–Lo studente ‘Lino Mando’ ha passato l’esame di basi di dati con 27;

–L’esame di fisica con voto 24 è stato passato dallo studente con matricola 54321

• Un’associazione fra due classi di entità è un insieme di istanze di associazione tra entità della prima e della seconda classe, che varia in generale nel tempo.

– Associazione esamiPassati-passatoDa tra la classe Studenti e la classe Esami

Aspetto ontologico

Esempio di associazioni

Associazione

esamiPassati-passatoDa

Istanza di associazione

Aspetto ontologico

Studenti Esami

a1

a2

nome = “Lino Mando"

matricola = “12345"

materia = “BD"

voto = 26

d1

d2

d3

materia = “ALG"

voto = “27"

materia = “FIS"

voto = “24"

nome = “Franca Mente"

matricola = “54321"

Tipi di associazioni• Il grado di un’associazione è dato dal numero delle

classi che vi partecipano:– Grado 1: associazione unaria– Grado 2: associazione binaria– Grado 3: associazione ternaria– Es. esamiPassati-passatoDa è binaria

• Le associazioni binarie si classificano in base alla – Molteplicità:

• Uno-a-uno (1:1)• uno-a-molti (1:n)• molti-a-molti (n:n)

– Totalità o parzialità

Aspetto ontologico

Es. Tipi di associazioni– (1:n) associazione PassatoDa-EsamiPassati tra Esami e

Studenti: ad ogni esame è sempre associato uno studente (totale), mentre ogni studente può essere associato a nessuno, uno o più esami (parziale)

– (1:n) associazione Tesista-Relatore tra Professori e Studenti: ogni professore può avere uno, nessuno o più tesisti (parziale), mentre uno studente può avere nessuno o un relatore (parziale)

– (1:1) associazione CorsiTenuti-TenutoDa tra Professori e Corsi: ogni professore deve tenere un corso (totale) e ogni Corso è tenuto da un professore (totale)

– (n:n) associazione CorsiSeguiti-StudentiIscritti tra Studenti e Corsi: ogni studente segue almeno un corso (totale) e ogni corso è seguito da almeno uno studente (totale)

Aspetto ontologico

Con. astratta: vincoli d’integrita’I vincoli d’integrità sulla conoscenza concreta possono essere:

• Statici: definiscono delle condizioni sui valori della conoscenza concreta che devono essere soddisfatte indipendentemente da come evolve l’universo del discorso. Le condizioni possono riguardare:

– I valori di una proprietà.

– I valori di proprietà diverse di una stessa entità.

– I valori di proprietà di entità diverse di uno stesso insieme.

– I valori di proprietà di entità di insiemi diversi.

– Caratteristiche di collezioni di entità.

– Le proprietà strutturali delle associazioni.

• Dinamici: definiscono delle condizioni sul modo in cui la conoscenza concreta può evolvere nel tempo.

Aspetto ontologico

Es. Vincoli d’integrità

• Vincolo d’integrità statico:–Il voto di un esame non può essere minore di

18 o maggiore di 30

• Vincolo d’integrita dinamico:– L’età di uno studente non può diminuire nel

tempo

Aspetto ontologico

Formalismo grafico ER• Grazie al formalismo grafico Entity-Relationship

(ER) è possibile descrivere la natura della conoscenza concreta in termini di classi, associazioni e gerarchie di classi

• I vincoli d’integrità dovranno essere invece descritti a parte, mediante appositi descrittori di vincoli

• Il modello ER di un universo del discorso è detto schema

Aspetto linguistico

ER: classi e attributi

nome

telefono

lingueParlate

multivalore

totale

parzialeunione

strutturato

Attributi

Persone

Le entità non hanno un corrispondente nell’ER, nel quale si modellano solo le classi, cioè collezioni di entità

La classe Persone: una collezione di entità persone con proprietà lingueParlate, telefono, nome

Aspetto linguistico

ER: associazioni

Le associazioni si rappresentano come un rombo

collegato con degli archi alle classi associate;

esempio:

Le associazioni possono avere delle proprietà

Utenti Libri

haInPrestito

Aspetto linguistico

Data

inPrestitoA

Utenti Libri

haInPrestito

Data

inPrestitoA

Prestiti

Es. Associazioni (1:1)

(1:1) associazione CorsiTenuti-TenutoDa tra Professori e Corsi: ogni professore deve tenere un corso (totale) e ogni Corso è tenuto da un professore (totale)

Professori Corsi

corsoTenuto tenutoDa

Aspetto linguistico

Es. Associazioni (1:n)

(1:n) associazione Tesista-Relatore tra Professori e Studenti: ogni professore può avere uno, nessuno o più tesisti (parziale), mentre uno studente può avere nessuno o un relatore (parziale)

Professori Studenti

relatoreDi tesistaDi

Aspetto linguistico

Es. Associazioni (n:n)

(n:n) associazione CorsiSeguiti-StudentiIscritti tra Studenti e Corsi: ogni studente segue almeno un corso (totale) e ogni corso è seguito da almeno uno studente (totale)

Aspetto linguistico

Corsi Studenti

studentiIscritti corsiSeguiti

Esempio della biblioteca

Aspetto linguistico

DescrizioniBibliografiche

Autori

DocumentiFisiciTermini

Utenti Prestiti

Indicizza Descrive

HaScritto

E’DatoIn

HaPresoE’SinonimoDi

Specializza

PiùGenerale PiùSpecifico

Usa UsatoPer

Gerarchia tra classi

• Fra le classi può essere definita una relazione di sottoclasse (o sottoinsieme), con le seguenti proprietà:

• Se C è sottoclasse di C’, allora le proprietà di C sono un soprainsieme di quelle di C’

• Se C è sottoclasse di C’, allora le entita’ in C sono un sottoinsieme delle entita’ in C’

• La gerarchia può essere semplice o multipla

Aspetto linguistico

ER: sottoclassi e superclassi

nome: string

lingueParlate: seq string

annoNascita: int

possiede: Auto

matricola: stringvotiEsami: seq string

annoIscrizione: int

Aspetto linguistico

Studenti

Persone

Esempio: gerarchia multiplaAspetto linguistico

StudentPiloti

PilotiStudenti

Persone

Relazione tra sottoinsiemi

Studenti

FuoriCorsoLaureandi

Studenti

MatricoleLaureandi

Persone

FemmineMaschi

Sottoinsiemiindipendenti

Sottoinsiemidisgiunti

Sottoinsiemipartizione

Aspetto linguistico

Esempio della biblioteca con sottoclassiTesti in

Consultazione

Regolari Sospesi

Docenti Studenti

Aspetto linguistico

DescrizioniBibliografiche

Autori

DocumentiFisiciTermini

Utenti Prestiti

Indicizza Descrive

HaScritto

E’DatoIn

HaPresoE’SinonimoDi

Specializza

PiùGenerale PiùSpecifico

Usa UsatoPer

Descrittore di classe con vincoli

Classe Esami

Scopo Esami sostenuti dagli studenti iscritti

Vincoli chiave codice;

18 <= self.Voto <= 30;

if self.Lode then self.voto = 30;

Aspetto linguistico

Progettazione concettuale

• Identificare le classi

• Identificare le associazioni e le loro proprietà strutturali

• Identificare le proprietà, e i loro tipi, delle classi e delle associazioni

• Individuare le specializzazioni

• Individuare le generalizzazioni

Aspetto pragmatico