BASI di Dati: Fondamenti e modelli Maurizio Fermeglia [email protected]

BASI di Dati: Fondamenti e modelli

Maurizio Fermeglia

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11 April 2023 - slide 2Corso Di Basi di Dati

Sistema Informatico porzione automatizzata del sistema informativoil sistema informatico è la parte del sistema informativo che gestisce informazioni per mezzo della tecnologia informatica.

Sistema azienda

Sistema organizzativo

Sistema informativo

Sistema informatico


Gestione delle informazioni Nelle attività umane, le informazioni vengono gestite (registrate e scambiate) in forme diverse, a seconda delle necessità e capacità:

idee informali linguaggio naturale (scritto o parlato, formale o colloquiale, in

una lingua o in un’altra) disegni, grafici, schemi numeri codici (anche segreti)

e su vari supporti, dalla memoria umana alla cartaOgni organizzazione ha bisogno di memorizzare e mantenere informazioni specifiche. Per esempio:

Utenze telefoniche Conti correnti bancari Studenti iscritti a un corso di laurea Quotazioni di azioni nei mercati telematici


Gestione delle informazioniNelle attività standardizzate dei sistemi informativi complessi, sono state introdotte col tempo forme di organizzazione e codifica delle informazioni. Ad esempio, nei servizi anagrafici si è iniziato con registrazioni discorsive e sono state poi introdotte informazioni via via più precise (e in un certo senso artificiali):

nome e cognome; estremi anagrafici; codice fiscale

I sistemi informativi organizzano e gestiscono le informazioni necessarie alle attività di un’organizzazione:

Inizialmente non erano automatizzati (per esempio, gli archivi bancari)

Informatica gestione automatica dei dati basi di dati Informazione memorizzata in modo rigoroso


Informazioni e dati Nei sistemi informatici (e non solo in essi), le informazioni vengono rappresentate in modo essenziale, spartano: attraverso i dati.

informazione : notizia, dato o elemento che consente di avere conoscenza più o meno esatta di fatti, situazioni, modi di essere.

dato : ciò che è immediatamente presente alla conoscenza, prima di ogni elaborazione; (in informatica) elementi di informazione costituiti da simboli che debbono essere elaborati.

(Vocabolario della lingua italiana, 1987)


Dati e informazioni

che cosa significano questi numeri?cartelli stradali, in Finlandia; sono orarima la differenza?senza "interpretazione," il dato serve a ben poco

Lun-Ven Sabato Festivo


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Dati e applicazioni

I dati possono variare nel tempo (per esempio, importo conto corrente)Le modalità con cui i dati sono rappresentati in un sistema sono di solito stabiliLe operazioni sui dati variano spesso (per esempio, ricerche)

separare i dati dalle applicazioni che operano su essi


Base di dati

(accezione generica) collezione di dati, utilizzati per rappresentare le informazioni di interesse per una o più applicazioni di una organizzazione.

(accezione specifica) collezione di dati gestita da un DBMS


Sistema di gestione di basi di datiDataBase Management System — DBMS

Sistema (prodotto software) in grado di gestire collezioni di dati che siano (anche):

grandi (di dimensioni (molto) maggiori della memoria centrale dei sistemi di calcolo utilizzati)

persistenti (con un periodo di vita indipendente dalle singole esecuzioni dei programmi che le utilizzano)

condivise (utilizzate da applicazioni diverse)

garantendo affidabilità (resistenza a malfunzionamenti hardware e software) e privatezza (con una disciplina e un controllo degli accessi). Come ogni prodotto informatico, un DBMS deve essere efficiente (utilizzando al meglio le risorse di spazio e tempo del sistema) ed efficace (rendendo produttive le attività dei suoi utilizzatori).


Condivisione Ogni organizzazione (specie se grande) è divisa in settori o comunque svolge diverse attività. A ciascun settore o attività corrisponde un (sotto-)sistema informativo (privato o porzione di un sistema più grande). Possono esistere sovrapposizioni fra i dati di interesse dei vari settori. Una base di dati è una risorsa integrata, condivisa fra i vari settori.


Condivisione (segue)L’integrazione e la condivisione permettono di ridurre la ridondanza (evitando ripetizioni) e, di conseguenza, le possibilità di incoerenza (o inconsistenza) fra i dati. Poiché la condivisione non è mai completa (o comunque non opportuna) i DBMS prevedono meccanismi di definizione della privatezza dei dati e di limitazioni all’accesso (autorizzazioni). La condivisione richiede un opportuno coordinamento degli accessi: controllo della concorrenza.


Efficienza Si misura (come in tutti i sistemi informatici) in termini di tempo di esecuzione (tempo di risposta) e spazio di memoria (principale e secondaria). I DBMS, a causa della varietà di funzioni, non sono necessariamente più efficienti dei file system. L’efficienza è il risultato della qualità del DBMS e delle applicazioni che lo utilizzano.


DBMS vs file system La gestione di insiemi di dati grandi e persistenti è possibile anche attraverso sistemi più semplici — gli ordinari file system dei sistemi operativi, che permettono di realizzare anche rudimentali forme di condivisione. Non esiste una linea netta di separazione fra DBMS e non-DBMS.I DBMS estendono le funzionalità dei file system, fornendo più servizi ed in maniera integrata (cfr. efficacia). I file system prevedono forme di condivisione, permettendo accessi contemporanei in lettura ed esclusivi in scrittura: se è in corso un’operazione di scrittura su un file, altri non possono accedere affatto al file. Nei DBMS, c’è maggiore flessibilità: si può accedere contemporaneamente a record diversi di uno stesso file o addirittura allo stesso record (in lettura).


DBMS vs file system (2)Nei programmi tradizionali che accedono a file, ogni programma contiene una descrizione della struttura del file stesso, con i conseguenti rischi di incoerenza fra le descrizioni (ripetute in ciascun programma) e i file stessi.Nei DBMS, esiste una porzione della base di dati (il catalogo o dizionario) che contiene una descrizione centralizzata dei dati, che può essere utilizzata dai vari programmi.


GESTIONE DI FILES

Basati su File systemsLogica di accesso ai dati contenuta nel codice (COBOL)Problemi di manutenzioneProgramma

di Update

Programma di Report

Programma di Controllo

File Dati

Storico


Descrizioni dei dati nei DBMSEsistono descrizioni e rappresentazioni dei dati a livelli diversi, che permettono l’indipendenza dei dati dalla rappresentazione fisica: i programmi fanno riferimento alla struttura a livello più alto, e le rappresentazioni sottostanti possono essere modificate senza necessità di modifica dei programmi. Precisiamo attraverso il concetto di modello dei dati.


Modello dei datiinsieme di costrutti utilizzati per organizzare i dati di interesse e descriverne la dinamica componente fondamentale: meccanismi di strutturazione (o costruttori di tipo) come nei linguaggi di programmazione esistono meccanismi che permettono di definire nuovi tipi, così ogni modello dei dati prevede alcuni costruttori ad esempio, il modello relazionale prevede il costruttore relazione, che permette di definire insiemi di record omogenei


Componenti di Data Base System DBS…

Schemi: la strutturaIstanze: i contenutiDati

disponibili su varie piattaforme hw monoutente o multi user dati contenuti in un singolo Data Base ma estendibili a più DB dati integrati

eliminazione delle ridondanze dati su più tabelle

dati condivisi condivisi da tanti utenti con accesso contemporaneo

Hardware Dischi, I/O devices, CPU, RAM,....


Personaggi e interpreti progettisti e realizzatori di DBMS progettisti della base di dati e amministratori della base di dati (DBA) progettisti e programmatori di applicazioni utenti utenti finali (terminalisti): eseguono

applicazioni predefinite (transazioni) utenti casuali: eseguono operazioni

non previste a priori, usando linguaggi interattivi


Database administrator (DBA) Persona o gruppo di persone responsabile del controllo centralizzato e della gestione del sistema, delle prestazioni, dell’affidabilità, delle autorizzazioni Le funzioni del DBA includono quelle di progettazione, anche se in progetti complessi ci possono essere distinzioni


Un Data Base è formato da DATI,DATI,DATI

DatiPersistenti In contrapposizione ai dati transitori dati di Input: contenuti in una maschera dati di output: risposta del sistema

DEFINIZIONE:

Il Data Base è una collezione di dati persistenti che è usata dal sistema di una certa azienda (organizzazione tecnica, commerciale, scientifica)


Quindi …Data base

I dati solo i dati e null’altro che i dati Valore per l’azienda

Data Base Management System Il Sw che gestisce i dati Detto anche Motore Data Base Diversi vendors: IBM, Oracle, Sybase, Miscrosoft, …

Data base system DB + DBMS

Data bank Usato a sproposito …. Sinonimo di Data Base system Indica anche banche non necessariamente informatizzate


BENEFICI DELL’ USO DI DATA BASE

Riduzione delle informazioni ridondanti Eliminando I files privati Eliminando I doppiono (Forme normali)

Consistenza della informazioni Conseguenza del punto precedente (ridondanza) Se c’è ridondanza, allora il DB deve garantire consistenza

Dati condivisiE’ possibile imporre standard aziendali (DBA e DA li impongonoSicurezzaIntegrità

Legata alla ridondanza e consistenza Fondamentale in ambiente multiutente


VANTAGGI DELL’USO DI UN DATA BASE

Caso dell’utente singolo Compattezza delle informazioni Velocità di estrazione Manutenzione dei files Possibilità di calcolo

Caso della Multi utenza Stessi vantaggi di cui sopra esaltati dal fatto che il DB ha:

Dimensioni maggiori Maggiore complessità

Controllo centralizzato Consistenza ed integrità dei dati Sicurezza e riservatezza


Vantaggi e svantaggi di un DBMSVantaggi

I dati sono considerati come un risorsa comune La base di dati fornisce un modello unificato del business Permette un controllo centralizzato dei dati permettendo

standardizzazione ed economie di scala Riduzione di ridondanze ed inconsistenze Indipendenza dei dati

Svantaggi Costo e la complessità - investimenti Potrebbero fornire servizi ridondanti e non richiesti

effettivamente

MA IL BENEFICIO MAGGIORE E’L’ INDIPENDENZA DEI DATI

Nei vecchi sistemi il modo in cui venivano organizzati i dati e le tecniche per accedervi facevano parte della logica e del codice del programma.


Schema e istanza

In ogni base di dati esistono: lo schema, sostanzialmente

invariante nel tempo, che ne descrive la struttura (aspetto intensionale)es.: le intestazioni delle tabelle

l’istanza, i valori attuali, che possono cambiare anche molto rapidamente (aspetto estensionale)es.: il “corpo” di ciascuna tabella


Due tipi (principali) di modellimodelli logicimodelli concettuali


Modelli logiciAdottati nei DBMS esistenti per l’organizzazione dei dati

utilizzati dai programmi indipendenti dalle strutture fisiche

esempi: relazionale, reticolare, gerarchico, a oggetti, basato su XML


Modelli concettualiPermettono di rappresentare i dati in modo indipendente da ogni sistema

cercano di descrivere i concetti del mondo reale sono utilizzati nelle fasi preliminari di progettazione

Il più diffuso è il modello Entity-Relationship


Architettura (semplificata) di un DBMS

BD

Schema logico

Schema interno

utente


Architettura semplificata di un DBMS: schemi

schema logico: descrizione della base di dati nel modello logico (ad esempio, la struttura della tabella)schema interno (o fisico): rappresentazione dello schema logico per mezzo di strutture memorizzazione (file; ad esempio, record con puntatori, ordinati in un certo modo)


Indipendenza dei dati Il livello logico è indipendente da quello fisico:

una tabella è utilizzata nello stesso modo qualunque sia la sua realizzazione fisica (che può anche cambiare nel tempo)

Perciò in questo corso vedremo solo il livello logico e non quello fisico


INDIPENDENZA DEI DATI

Esiste il concetto di VISTA del Data Base

L’amministratore del DB può modificare la struttura interna dei dati senza toccare la visibilità esterna allo stesso

IMMUNITA’ DELLE APPLICAZIONI A MODIFICHE DI STRUTTURA


Una vistaCorsiCorso Docente AulaBasi di dati Rossi DS3Sistemi Neri N3Reti Bruni N3Controlli Bruni G

AuleNome Edificio PianoDS1 Ex-OMI TerraN3 Ex-OMI TerraG Pincherle Primo

CorsiSediCorso Aula Edificio PianoSistemi N3 Ex-OMI TerraReti N3 Ex-OMI TerraControlli G Pincherle Primo


Architettura standard (ANSI/SPARC) tre livelli per DBMS

BD

Schema logico

Schemaesterno

Schema interno

Schemaesterno

Schemaesterno

utenteutente

utenteutente utente


Architettura ANSI/SPARC: schemischema logico: descrizione dell’intera base di dati

nel modello logico “principale” del DBMS schema esterno: descrizione di parte della base di

dati in un modello logico (“viste” parziali, derivate, anche in modelli diversi)

schema fisico: rappresentazione dello schema logico per mezzo di strutture fisiche di memorizzazione.


Indipendenza dei dati conseguenza della articolazione in livelli: l’accesso avviene solo tramite il livello esterno (che

può coincidere con il livello logico); due forme: fisica: il livello logico e quello esterno sono indipendenti da

quello fisico; una relazione è utilizzata nello stesso modo qualunque sia la sua realizzazione fisica (che può anche cambiare nel tempo senza che debbano essere modificate le forme di utilizzo)

logica: il livello esterno è indipendente da quello logico aggiunte o modifiche alle viste non richiedono modifiche al

livello logico; modifiche allo schema logico che lascino inalterato lo

schema esterno sono trasparenti


TIPI DI SISTEMI DI BASI DI DATI

Sistemi basati sulla gestione di Files (FMS)Modelli GerarchiciModelli Reticolari (Network)Modelli Relazionali


Un po’ di Storia: Anni ‘70Anni ’70

DBMS gerarchici DBMS reticolari

Modello di dati basato su alberi o grafiDipendenza dal modello fisicoInterrogazioni

navigazioni del grafo

Modelli a Oggetti >> Un po’ di storia


Un po’ di Storia: Anni ‘80

Anni ’80 Codd “A Relational Model for Large Shared

Data Banks”, CACM, giugno 1970 DBMS relazionali

Modello semplice ed eleganteCaratteristiche del modello legami tra i dati basati sui valori I forma normale (domini elementari) indipendenza rispetto al modello fisico



Un po’ di Storia: Anni ‘80

Ottime prestazioniServizi avanzati concorrenza, affidabilità, sicurezza

Standard SQL-89, SQL-92 “intergalactic dataspeak”

Architettura a tre livelli schemi esterni, schema logico, schema

fisico

Grande successo nei sistemi informativi dati gestionali



Un po’ di StoriaAnni ’90

nuove applicazioni GIS, CAD, dati multimediali, documenti oggetti con struttura complessa

Il mondo è fatto di oggetti, non di tabelleIl “garage” relazionale

“per conservare la tua auto ti costringe a farla a pezzi e conservare ciascun pezzo in un cassettino”



Un po’ di StoriaTecnologia a oggetti

sistema di tipi ricco classi di oggetti basati sui tipi ereditarietà e polimorfismo

Tecnologia di successo nei linguaggi di programmazione (C++, Java)Sistemi per Basi di Dati Orientati agli Ogg.

la soluzione finale ?

NoSQL: NotOnly SQL Applicazioni: social networks



Un po’ di Storia

Moltissima ricerca (e risultati interessanti)DBMS a Oggetti Commerciali O2, Objectstore, GemStone

Standard ODMG-93 linguaggio OQL

Scarso successo commerciale (nicchia) differenze notevoli tra i prodotti dipendenza dal linguaggio (Java ?) prestazioni inferiori



I Quadranti di StonebrakerModelli a Oggetti >> Un po’ di storia

Complessità delle interrogazioniCo

mp

less

ità d

ei t

ipi d

i da

to DBMSRelazionale

a Oggetti

Linguaggio di prog.

+

File System

DBMSRelazionale

DBMSOrientato

agli Oggetti


GESTIONE DI FILES

Basati su File systemsLogica di accesso ai dati contenuta nel codice (COBOL)Problemi di manutenzioneProgramma

di Update

Programma di Report

Programma di Controllo

File Dati

Storico


DATA BASE GERARCHICI

Struttura gerarchica dei dati (tipico di un file system)Utilizzato nelle industrie di manufatti (Automobili)Introduzione della relazione Padre-Figlio (puntatori fisici)Vantaggi

Struttura semplice Eccellente per relazioni padre - figlio (A è parte di B oppure A

contiene B) Performance: movimenti rapidi in virtù della struttura gerarchica

Automobile

Motore Carrozzeria Chassis

Porta sinistra Porta destra Tetto Cofano

Finestrino Motore elettrico Maniglia


DATA BASE RETICOLARI

Modello gerarchico è poco flessibile (gestione ordini)Un record partecipa a relazioni padre-figlio multipleIl programmatore naviga nel data base dando anche le direzioni di movimento (ancora puntatori fisici)Vantaggi: Flessibilità e PerformanceSvantaggi: certa rigidezza dovuta alle relazioni definite a priori e necessità di aggiornamento del SW

Clienti Prodotti

Ordini

DATA BASE RELAZIONALI

Liberarsi dei puntatori fisici

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