Il modello Entity-Relationship per il progetto

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Il modello Entity-Relationship
per il progetto delle basi di
dati
Massimo Paolucci
([email protected])
DIST – Università di Genova
Le metodologie di progettazione delle Basi
di Dati
Una metodologia di progettazione consiste
generalmente in:
•
Generare una decomposizione in passi successivi e
indipendenti dell'intera attività di progetto.
•
Stabilire una serie di strategie da seguire nei vari passi.
•
Stabilire alcuni modelli di riferimento, per descrivere i dati in
ingresso e in uscita dalle varie fasi.
2
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Ciclo di vita di un S.I.
Studio di fattibilità
Raccolta ed analisi dei
requisiti
Progettazione
Implementazione
Validazione e collaudo
Funzionamento
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Le tre fasi in cui si deve articolare un
progetto di database sono:
La progettazione concettuale.
Rappresentare le specifiche con una descrizione formale e completa
senza preoccuparsi né della modalità con cui queste informazioni
verranno definite in un sistema reale.
La progettazione logica.
Traduzione dello schema concettuale in termini del modello di dati
proprio del tipo di DBMS a disposizione. In questa fase si tiene conto
anche dei criteri di ottimizzazione delle rappresentazioni, in base alle
operazioni da effettuare sui dati.
La progettazione fisica.
Lo schema logico è completato con la specifica dei parametri di
memorizzazione dei dati.
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Requisiti della
base di dati
Progettazione di basi di dati
Progettazione concettuale
SCHEMA CONCETTUALE
Progettazione logica
SCHEMA LOGICO
Progettazione fisica
SCHEMA FISICO
I diagrammi Entità-Relazione (ER Diagram)
Sono uno strumento per la progettazione concettuale di
DB.
Da essi può essere agevolmente ricavato lo schema fisico
di DB relazionali.
Sono utilizzati in strumenti di progettazione assistita
(CASE)
La sintassi utilizzata è semplice ed intuitiva.
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I diagrammi Entità-Relazione (ER Diagram)
(cont.)
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La specifica del DB definita è composta da:
Un insieme di diagrammi ER
Rappresentano i dati operativi che devono essere
strutturati nel SI
Un insieme di dizionari dei dati associati ai diagrammi ER
Descrivono verbalmente i diagrammi per mezzo di
tabelle riassuntive
Un insieme di vincoli di integrità sui dati
Specificano condizioni particolari che non possono
essere desunte dai diagrammi.
Le componenti dei diagrammi ER
Entità:
Classi/insiemi di oggetti riguardo i quali si ha interesse a
raccogliere informazioni.
Entità
Esempi
Impiegato
Città
Fornitore
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Le componenti dei diagrammi ER (cont.)
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Relazione:
Legame logico tra entità riguardo il quale si ha interesse
raccogliere informazioni.
Relazione
Esempio
Residenza
Persona
Città
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Esempi di relazione
Sede lavoro
Due relazioni binarie
tra le stesse entità
Residenza
Persona
Città
Componente
Una relazione ricorsiva
main
Parte
sub
Dipartimento
Una relazione ternaria
Fornitore
Fornitura
Prodotto
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Attributi:
Specificano le informazioni che devono essere raccolte
riguardo entità e relazioni.
Attributo 1
...

Relazione
Entità
Attributo 1
Attributo 2
...
z

identificatore
Esempio
Esame
Studente
z
Matricola
Nome
Voto
Data esame

Corso
Nome
Anno di corso

z

Gli attributi possono anche essere composti.
Entità
Attributo 1
Attributo Composto [Comp1,
Comp2,...]
...
z

Esempio
Persona
C.F
Nome
Indirizzo [Via, CAP, Città]
....
z

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Gli attributi possono essere obbligatori oppure opzionali.
Entità
Attributo obb (obbligatorio - default)
Attributo obb (1) (obbligatorio - esplicito)
Attributo opz (0) (opzionale)
z

Esempio
Persona
C.F
Nome
Targa auto (0)
z

Nota
Gli attributi che possiedono una molteplicità il più delle
volte rappresentano entità.
Esempio
Persona
C.F
Nome
Targa auto (0, N)
z

Persona
z
C.F
Nome

Possesso
Auto
z
Targa auto
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Un esempio di diagramma ER
Direzione
codice
cognome
stipendio
età
z

Impiegato

nome
budget
data consegna
z

nome
telefono

data afferenza
Composizione
Partecipazione

z
Dipartimento
Afferenza
data inizio
Progetto
Sede
z
città
indirizzo [civico, via, CAP]

Nota: esempi di notazioni alternative
città
Sede
indirizzo
civico
via
CAP
Persona
Possesso
Auto
Cardinalità delle relazione:
Specifica il numero minimo e massimo delle occorrenze
delle entità nelle relazioni.
(min1, max1)
Entità 1
(min2, max2)
Relaz. R
Entità 2
min1: il numero minimo di volte in cui Entità 1 partecipa alla Relaz. R
max1: il numero massimo di volte in cui Entità 1 partecipa alla Relaz.
R
min può valere:
• 0
la relazione è opzionale per l’entità
• 1
la relazione è obbligatoria per l’entità
max può valere:
• 1
l’entità può partecipare una sola volta alla relazione
• N
l’entità può partecipare più volte alla relazione
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Esempio di cardinalità
(1, N)
Impiegato
(0, N)
Assegnamento
Incarico
Significato:
ad un impiegato viene sempre assegnato un incarico
ad un impiegato possono essere assegnati più incarichi
un incarico può anche non essere (ancora) assegnato ad un
impiegato
uno stesso incarico può essere assegnato a tanti impiegati
Tipi di cardinalità delle relazione:
Sono possibili tre tipi di relazioni in funzione della cardinalità
massima:
Relazioni 1-1
“uno a uno”
Relazioni 1-N (oppure N-1)
“uno a molti”
Relazioni N-N
“molti a molti”
Esempi
(0, 1)
Relazione 1-1
Ordine
Relazione 1-N
Persona
Relazione N-N
Turista
(1, 1)
Vendita
(1, 1)
Fattura
(0, N)
Residenza
(1, N)
Città
(0, N)
Prenotazione
Viaggio
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Identificatori:
Sono attributi che individuano univocamente un’entità.
L’identificatore può essere:
z
Singolo
Attributo 1
Attributo 2
...
z
Entità
z
identificatore

Multiplo (composto)
Attributo 1
Attributo 2
Attributo 3
...
z
Entità
z
identificatori
z
Esterno
Studente
z
Matricola
Nome
(1, 1)
Iscrizione
(0, N)
Università
z
identificatori

Nome
Città

Un esempio di diagramma ER (cont.)
(0, 1)
codice
cognome
stipendio
età
z

Impiegato
(0, 1)
Afferenza

(0, N)
Partecipazione

(1, N)
nome
budget
data consegna
z

Progetto
(1, 1)
Direzione
(1, N)
data afferenza
z
Dipartimento
nome
telefono

(1, 1)
Composizione
data inizio
(1, N)
Sede
z
città

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Gerarchie:
Specificano legami gerarchici tra entità, ossia
generalizzazioni (bottom-up) o specializzazioni (top-down).
Per mezzo delle gerarchie si esprimono:
z
Generalizzazioni totali
Persona
Donna
Uomo
z
Generalizzazioni parziali
Professionista
z
Avvocato
Sottinsiemi
Ingegnere
Persona
Studente
Gli attibuti nelle gerarchie vengono ereditati dalle entità
superiori a quelle inferiori.
Esempi
CF
cognome
Persona età
z

situazione militare
Uomo
Donna
CF
cognome
età
z

Persona

situazion
e militare
Uomo
Donna
stipendio
orario
matricola
Impiegato Studente
Segretario Direttore

Progettista
Responsabile
di progetto
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Il dizionario del dati:
E’ composto da due tabelle:
z
Tabella delle Entità
Entità
z
Descrizione
Attributi
Identificatore
Tabella delle Relazioni
Relazione
Descrizione
Entità coinvolte
Attributi
Il vincoli di integrità sui dati dati:
Corrisponde all’insieme delle regole che non sono
deducibili dal diagramma.
Esempio
(0, 1)
(0, 1)
codice
cognome Impiegato
stipendio
età
(0, N)
(1, N)
z

Partecipazione

(1, N)
nome
budget
data consegna
z
Progetto
(1, 1)
Direzione
Afferenza

data afferenza
z
Dipartimento
nome
telefono

(1, 1)
Composizione
data inizio
(1, N)
Sede
z
città

• un impiegato può dirigere solo un dipartimento alla volta
• un impiegato non può avere un salario maggiore del direttore
• il budget di un progetto deve essere maggiore della somma degli stipendi
degli impiegati coinvolti
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Modellazione dei dati con UML
Unified Modeling Language
• Un linguaggio (e notazione) universale, per
rappresentare sistemi software
• Uno standard OMG (Object Management Group)
• Autori:
Grady Booch
Ivar Jacobson
Jim Rumbaugh
• Co-proponenti: Microsoft, IBM, Oracle, HP, Platinum,
Sterling, Unysis (e tanti altri)
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Il diagramma delle classi
• Le componenti principali nei diagrammi delle classi sono le
classi e le associazioni che corrispondono sostanzialmente alle
entità e alle relazioni del modello
• Le classi vengono rappresentate da rettangoli contenenti, in
alto, il nome della classe e, al loro interno, gli attributi ad essa
associati
• Le associazioni binarie si presentano con delle linee che
congiungono le classi coinvolte nell’associazione, mentre per le
associazioni n-arie, la notazione grafica e’ la stessa del modello
E-R
• Gli attributi di una associazione vengono indicati attraverso le
classi di associazione che descrivono appunto le relative
proprietà
• La relazione di aggregazione è un’associazione speciale che
aggrega uno o più concetti che in un singolo concetto
composito
• Le generalizzazioni, in modo similare ai diagrammi E-R, sono
indicate con opportune frecce, linee continue che terminano in
un triangolo vuoto, che collegano i concetti figli al padre
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Direzione
1
0..1
Impiegato
1..*
Codice {id}
Cognome
Stipendio
Eta
Dipartimento
0..1
Nome {id}[1]
Telefono[1..*]
Afferenza
-Data Afferenza
1..*
Partecipazione
1
<<identificante>>
Data Inizio
*
1..*
Progetto
Nome {id}
Budget
Data Consegna
Sede
Citta' {id}
Indirizzo
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Persona
Professionista
Codice fiscale {id}
Cognome
Eta'
Uomo
Situazione militare
-Partita IVA {id}
-Indirizzo
Donna
Avvocato
Ingegnere
Dottore
Specializzazione
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La progettazione concettuale
La raccolta dei requisiti
Le principali fonti per d’informazione per l’acquisizione
delle specifiche sono:
• Gli utenti delle applicazioni
• La documentazione esistente
• Eventuali realizzazioni preesistenti
Strumenti
• Uso del linguaggio naturale
• Interviste con il cliente e gli utenti finali
• Questionari
• Workshop
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La raccolta dei requisiti
L’attività di specifica è atta a formalizzare un documento
illustrante le informazioni raccolte
• Scegliere il corretto livello di astrazione
• Standardizzare la struttura delle frasi
• Evitare frasi contorte
• Unificare i termini (possibilmente evitando sinonimi)
• Rendere esplicito il contesto di riferimento
• Costruire un glossario dei termini
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Criteri di rappresentazione
• Un concetto che ha proprietà significative atte a
descrivere classi di oggetti deve essere rappresentato con
una entità
• Un concetto senza caratteristiche proprie rilevanti e
avente struttura semplice verrà rappresentato come
attributo di un concetto cui si riferisce
• L’associazione tra due o più concetti del dominio
applicativo è rappresentata con una relazione tra le
rispettive entità
• Entità aventi caratteristiche comuni possono essere
associate facendo uso della struttura di generalizzazione
Strategie di progetto
• Top-down - Lo schema concettuale è il frutto di una
serie di raffinamenti successivi a partire da uno
schema generale in cui sono presenti pochi concetti ad
un alto livello di astrazione
• Bottom-up - Lo schema concettuale è costruito
attraverso una serie di fusioni successive a partire da
un insieme di schemi elementari in cui vengono
rappresentati singoli frammenti della realtà di interesse
• Inside-out - Si basa sulla strategia bottom-up avendo
però come base di partenza gli schemi dei concetti più
rilevanti nel dominio applicativo
• Mista - Lo scheletro dello schema viene costruito con
una strategia bottom-up che mantiene però un alto
livello di astrazione dei concetti rappresentati. Lo
schema risultante è poi raffinato con strategia topdown
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La progettazione logica: dai diagrammi
ER alla struttura del DB relazionale
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Il modello ER viene sviluppato dall’analisi dei requisiti
procedendo generalmente in modo top-down.
La progettazione logica consiste nel definire la struttura
del DB relazionale partendo dal modello relazionale.
Prima della traduzione il diagramma ER va riorganizzato:
Eliminare le ridondanze
Eliminare le generalizzazioni
Partizionare/accorpare entità e/o associazioni
Scegliere gli identificatori primari
z
z
z
z
Questo passaggio da struttura concettuale a struttura
logica non è necessario con modelli object-oriented.
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Ristrutturazione dei diagrammi ER
Ð Eliminazione delle ridondanze
Le ridondanze sono causate da dati derivabili (che
dovrebbero essere aggiornati).
L’eliminazione può essere fatta valutando i singoli casi.
Esempi:
Importo netto
IVA
Importo lordo

Fattura
importo totale Acquisto

(1, N)

Composizione
(1, N)
Prodotto
prezzo

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Ristrutturazione dei diagrammi ER (cont.)
Ð Eliminazione delle generalizzazioni
z
A01
A02
R1
E0

E1

(x, y)
E2
A11

E3
R2
E4
A21
Tre possibilità:
1.
Accorpamento delle entità figlie con l’entità madre
A01
A02
A11
A21
Tipo
z

R1
E0
E3
(0, y)
R2
E4
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2.
Suddivisione delle caratteristiche dell’entità madre nelle entità figlie
R11
R12
A01
A02
A11
z
E1

3.
A01
A02
A21
z
E2

(x, y)
E3
R2
E4
Sostituzione delle generalizzazioni con associazioni.
z
A01
A02

(0,1)
R1
E0
E3
(0,1)
Rg1
Rg2
(1,1)
(1,1)
E1

A11
E2

A21
(x, y)
R2
E4
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Ð Partizionare/accorpare entità o associazioni
Questo significa:
a.
Suddividere in più entità distinte gruppi di dati che sono
usati separatamente da diverse procedure.
codice
cognome
stipendio
data nascita
indirizzo
livello
ritenute
z

Esempio
Impiegato
codice
Dati Anag.
cognome
data nascita
indirizzo
z
(1, 1)
(1, 1)
Dati Lavor.
Dati impiegato

codice
stipendio
livello
ritenute
z

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b.
Suddividere associazioni che contengono informazioni
che vengono utilizzate separatamente.
Esempio
z
cognome
ruolo

(1, N)
(1, N)
composizione
Giocatore

Squadra
z
nome
città

data acquisto
data cessione (0,1)

data acquisto
comp. attuale
(1, 1)
z
cognome
ruolo

Giocatore
(1, N)
(0, N)
(1, N)
comp. precedente

data acquisto
data cessione
Squadra
z
nome
città

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c.
Eliminare attributi multivalore.
Esempio
nome
indirizzo
città
telefono (1,N)
z
Agenzia
z
numero
Telefono
(1, 1)
Recapito

(1, N)
Agenzia
nome
indirizzo
città
z

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d.
Accorpare entità (associazioni).
Esempio
CF
cognome
nome
età
z

Persona
(0, 1)
(1, 1)
Intestazione
CF
cognome Persona
nome
età
indirizzo (0,1)
interno (0,1)
z

z
indirizzo
Appartamento zinterno
Traduzione dei diagrammi ER nel
modello relazionale
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Definire le tabelle specificando le chiavi primarie ed esterne.
Ð Le regole di traduzione
1.
Entità:
diventano tabelle ed i loro identificatori chiavi primarie.
2.
Associazioni N-N:
diventano tabelle con chiave primaria formata
dall’unione delle chiavi delle entità coinvolte.
3.
Associazioni 1-N:
gli attributi dell’associazione e la chiave primaria della
tabella relativa all’entità dal lato “N” sono inclusi nella
tabella relativa all’entità dal lato “1”.
Traduzione dei diagrammi ER nel modello
relazionale (cont.)
Ð Le regole di traduzione
4.
Entità con identificatori esterni:
si procede come per le associazioni 1-N ma la chiave
primaria risulta composta.
5.
Associazioni 1-1:
se obbligatorie si procede come per le 1-N scegliendo il
lato in cui includere gli attributi e la chiave esterna;
se una opzionale si includono gli attributi e la chiave
esterna sul lato “obbligatorio”;
se entrambe opzionali si costruisce una tabella
autonoma come per il caso N-N.
42
relazionale (cont.)
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Esempi di regole di traduzione: associazioni molti a molti
matricola
cognome
stipendio
z

Impiegato
(0, N)
Partecipazione
(0, N)
codice
budget
nome
z
Progetto

data inizio

Schema Relazionale
IMPIEGATI (Matricola, Cognome, Stipendio)
PROGETTI (Codice, Nome, Budget)
PARTECIPAZIONI (Matricola, Codice, DataInizio)
PARTECIPAZIONI (Impiegato, Progetto, DataInizio)
relazionale (cont.)
Esempi di regole di traduzione: associazioni molti a molti ricorsiva
(0, N)
Composizione
(0, N)
quantità

Composto
Prodotto
codice
costo
nome
Componente
z
Schema Relazionale
PRODOTTI (Codice, Nome, Costo)
COMPOSIZIONI (Composto, Componente, Quantità)
44
relazionale (cont.)
45
Esempi di regole di traduzione: associazioni molti a molti ternaria
z
nome
Dipartimento telefono
(1, N)
z
(0, N)
P.IVA
Nome ditta Fornitore

Fornitura
(1, N)
Prodotto
z
codice
genere

quantità

Schema Relazionale
PRODOTTI (Codice, Genere)
FORNITORI (P_IVA, NomeDitta)
DIPARTIMENTI (Nome, Telefono)
FORNITURE (Fornitore, Prodotto, Dipartimento, Quantità)
relazionale (cont.)
Esempi di regole di traduzione: associazioni uno a molti
data nascita
cognome
ruolo
z
z
Giocatore
(1,1)
Contratto
(0, N)
ingaggio
Squadra
nome
città
colori sociali
z

Schema Relazionale
SQUADRE (Nome, Città, ColoriSociali)
GIOCATORI (DataNascita, Cognome, NomeSquadra, Ruolo, Ingaggio)
Foreig
n Key
46
relazionale (cont.)
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Esempi di regole di traduzione: entità con identificatore esterno
matricola
cognome
anno iscizione
z

Studente
(1,1)
(1,N
)
Iscrizione
Università
nome
città
indirizzo
z

Schema Relazionale
STUDENTI (Matricola, NomeUniversità, Cognome, AnnoIscrizione)
UNIVERSITA’ (Nome, Città, Indirizzo)
relazionale (cont.)
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Esempi di regole di traduzione: associazioni uno a uno (obbligatoria)
codice
cognome
stipendio
z

Direttore
(1,1)
Direzione
(0, 1)
data inizio
Dipartimento
nome
telefono
sede
z

Schema Relazionale
DIRETTORI (Codice, Cognome, Stipendio, DipartimentoDiretto, InizioDirezione)
DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede)
in alternativa
DIRETTORI (Codice, Cognome, Stipendio)
DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede, Direttore, InizioDirezione)
relazionale (cont.)
Esempi di regole di traduzione: associazioni uno a uno (opzionale)
codice
cognome
stipendio
z

Impiegato
(0,1)
Direzione
(0, 1)
Dipartimento
data inizio
nome
telefono
sede
z

Schema Relazionale
IMPIEGATI (Codice, Cognome, Stipendio)
DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede, Direttore, InizioDirezione)
in alternativa
IMPIEGATI (Codice, Cognome, Stipendio)
DIPARTIMENTI (Nome, Telefono, Sede)
DIREZIONI (Direttore, Dipartimento, DataInizioDirezione)
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