TELEMEDICINA

SISTEMI INFORMATIVI E
TELEMEDICINA
2. Modelli dei dati e database
relazionali
Prof. Mauro Giacomini

Sommario
• Schemi e modelli
• Modelli concettuali
• Modelli logici
• Modelli fisici
• Il modello Entità-Relazione
• Nozioni ed operazioni di algebra relazionale
• Trasformazione di uno schema concettuale in uno
relazionale
• Forme normali
• Indici
Inf. Med. - 2. Modelli dei dati -
A.A. 2013-14

Schemi e modelli
Prima di tutto viene l’analisi della realtà di interesse
obiettivo: definire la struttura del database. Processo con
tre passi:
realtà di interesse schema concettuale
schema concettuale schema logico
schema logico schema fisico
Schema: rappresentazione formale della realtà. I processi
per passare da uno schema all’altro sono i modelli.
Modello: un insieme di regole e convenzioni che portano
alla definizione di uno schema.
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Modelli concettuali (semantici)
• Operazione delicatissima
• Influenza tutti passi successivi
• Rappresenta la porzione di mondo da
modellare come vieni vista dall’analista
• Totalmente indipendente da qualsiasi
piattaforma HD/SW e dal DBMS
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Modelli logici
• Consentono di trasformare uno schema
concettuale in uno logico
• Schema logico: collezione di strutture
che rappresentano il database
• Indipendente dall’HD/SW
• Fortemente dipendente dal DMBS
• Ogni DBMS è specializzato per un
particolare modello logico
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Modello relazionale
• Modello logico più diffuso
• Schema = collezione di tabelle e di
relazioni tra tabelle
• Vari DBMS relazionali: Oracle, SQL
Server, Informix Sybase, DB2, MySQL,
MS Access
• Analizzato in seguito
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Altri modelli (1)
• Modello gerarchico: schema ad albero,
relazione unica quella di padre-figlio
• Modello reticolare: schema a forma di reticolo
dove ogni nodo può avere più padri
• Modello orientato agli oggetti: schema
composto da: classi, attributi, associazioni e
aggregazioni con altre classi. DBMS orientati
agli oggetti (Versant, ObjectStore, Poet)
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Altri modelli (2)
• NoSQL Database
• Memorizzazione in strutture diverse dalle
tabelle
• Obiettivi: semplicità nel disegno, scalabilità
orizzontale, controllo fine sulla disponibilità
• Strutture utilizzate: alberi, grafi, chiavevalore
• Applicazioni: big data, real time
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Modelli fisici
• Consentono di trasformare uno schema
logico in uno fisico.
• Schema fisico: descrizione del modo in
cui lo schema logico sarà memorizzato
su una particolare piattaforma HW/SW
• Trasformazione automatica da parte del
DBMS che interagisce con il file system
• Ridotto livello di astrazione
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Modello Entità-Relazione
• Definito da P.P. Chen nel 1976
• Entità: oggetti estrapolati dalla realtà con
caratteristiche proprie rappresentate mediante
attributi
• Definizione di attributi: punto delicato dell’analisi
concettuale
• Importanza degli attributi dipendente dal contesto
• Lettura chiara e intuitiva
• Trasformazione diagramma E-R / schema relazionale
pressoché immediato
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Entità
• Insieme di oggetti della realtà di interesse
• Individuazione delle entità: prima attività della
progettazione concettuale
• Proprietà rappresentate come attributi
• Dati di un’entità sono elementi/occorrenze della base
di dati
• Notazione: rettangolo con il nome della entità
inscritto in esso
• Gli attributi possono essere rappresentati con pallini
esterni al rettangolo o in una diversa sezione del
rettangolo che descrive l’entità
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Caratteristica
• Tipo di entità che assume il proprio
significato solo se messa in
corrispondenza con altre entità.
• Rappresentazione: rettangolo con bordo
laterale doppio e nome inscritto
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Relazione – cardinalità
• Legame fra entità
• Caratteristica principale la cardinalità
• Modello E-R fondamentale nella
documentazione del SW fatto di due parti
• Testo che descrive nel dettaglio le entità con i loro
attributi
• Diagramma (ERD) che evidenzia le relazioni fra le
entità con diverse simbologie
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Esempio di E-R
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Tipi fondamentali di relazioni
• 1:1 due entità E e F sono in relazione 1:1 se e solo
se ad ogni elemento di E può corrispondere un solo
elemento di F e viceversa
• 1:N due entità E e F sono in relazione 1:N se e solo
se ad ogni elemento di E possono corrispondere più
elementi di F, ma ad ogni elemento di F corrisponde un
solo elemento di E
• N:N (molti a molti) due entità E e F sono in relazione
N:N se e solo se ad ogni elemento di E possono
corrispondere più elementi di F, e ad ogni elemento di F
possono corrispondere più elementi di E
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Cardinalità
• Numero o coppia di numeri che nei diagrammi ER
sono posti vicino alla congiunzione della relazione con
la entità
• Possono essere più precise di quelle viste nella slide
precedente indicando anche a volte il numero esatto
• Con 0 si indica l’opzionalità in una relazione, 1 l’unità,
N una generica molteplicità, altri numeri costanti e
noti indicano un vincolo ben preciso su questa
relazione. Alcune volte è usato anche il simbolo di ∞
• Cardinalità ed opzionalità dipendono dal contesto
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Relazioni gerarchiche
• Specificazioni di entità in senso
gerarchico (ISA)
• Meccanismi di ereditarietà
• Esistono anche relazioni ricorsive
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Modello relazionale
• Introdotto da Edward Codd nel 1970
• Basato sul formalismo dell’algebra
relazionale
• Ma dotato di ottime implementazioni
pratiche e di linguaggi di interrogazione
standardizzati (SQL)
• Ampiamente diffuso nell’ambito dei
DBMS
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Relazione algebrica
• Siano A 1 , A 2 , …., A n insiemi. Il prodotto cartesiano tra questi insiemi,
indicato con A 1 x A 2 x ….x A n è definito come l’insieme delle n-ple (a 1 , a 2 ,
...., a n ) dove a 1 A 1 , a 2 A 2 , …., a n A n .
• Una relazione su A 1 , A 2 , …., A n è un sottoinsieme di A 1 x A 2 x ….x A n
• Un insieme vuoto è una relazione
• Gli elementi A 1 , A 2 , …., A n sono domini, i nomi di questi elementi sono
gli attributi e n è il grado della relazione
• Un insieme di occorrenze di un’entità è una relazione algebrica
• Le relazioni algebriche possono essere rappresentate in forma tabellare
• Attributi: colonne della tabella
• Occorrenze: righe della tabella
• In una tabella non ci possono essere righe uguali (le righe sono
elementi di un insieme che non possono essere uguali)
• L’ordine delle righe non ha importanza (l’insieme è per definizione non
ordinato)
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Chiave primaria
• In ogni tabella un insieme di attributi (colonne)
identifica univocamente ogni riga
• Si dice chiave candidata di una relazione R un
insieme non vuoto di attributi K di R tali che:
• È possibile individuare univocamente un’intera riga in base ai
valori degli attributi di k
• La proprietà di cui sopra non è più valida per qualsiasi
sottoinsieme proprio di K
• Dalla definizione di tabella, una candidata chiave
esiste sempre (al massimo considerando tutti gli
attributi)
• Chiave primaria: scelta fra i candidati chiave
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Dal concettuale al logico
• Facili passaggi conducono dal
diagramma E-R (concettuale) allo
schema relazionale
• Le entità del modello E-R si traducono
tutte (tranne rari casi) a tabelle
• Ci sono specifici metodi per elaborare le
diverse relazioni in uno schema logico
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Relazione 1:1
• Introduzione in una delle due tabelle la
chiave dell’altra, o anche in tutte e due.
• Attributo chiave esterna (simbolo FK)
che deriva dalla chiave primaria (PK)
dell’altra tabella
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Relazione 1:N
• Se T e S sono in relazione 1:N il legame
viene creato introducendo tra gli
attributi di S la chiave primaria di T
• Non è possibile il contrario
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Relazione N:N
• Non sono sufficienti le chiavi esterne
• Necessario introdurre una nuova tabella
• Questa nuova tabella I ha come
attributi le chiavi primarie delle tabelle T
ed S (costitutive della relazione)
• Questa nuova tabella può contenere
altri attributi propri della relazione e che
caratterizzano la relazione
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Operazioni dell’algebra
relazionale (1)
• Prodotto: P = T x S, P è ottenuta
concatenando ogni riga di T con tutte quelle
di S
• Proiezione: Data una tabella T e un insieme
di attributi A, la proiezione di T mediante A
restituisce una tabella S con tutte le righe di
T ma con le sole colonne identificate dagli
attributi presenti in A
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Operazioni dell’algebra
relazionale (2)
• Selezione: Data una Tabella T e una
espressione logica E, definita sugli attributi di
T, la selezione di T mediante E restituisce una
tabella S con tutte le colonne di T, ma con le
sole righe di T che soddisfano E
• Ridenominazione: Data una tabella T e un
insieme ordinato di attributi A, la
ridenominazione di T mediante A restituisce
una tabella S con gli stessi attributi di T ma
ridenominati in base agli attributi presenti in
A
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Operazioni dell’algebra
relazionale (3)
• Unione: date due tabelle T ed S, con gli
stessi attributi, l’unione tra T ed S è data
dalla tabella U contenente tutte le righe di T e
di S
• Differenza: date due tabelle T ed S, con gli
stessi attributi, la differenza tra T ed S
restituisce una tabella U contenente tutte e
righe di T non presenti in S
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Operatori derivati (1)
• Join (giunzione): Date due tabelle T ed S con
un dominio comune, ed una condizione A t op
A s , dove A t e A s sono due attributi sul dominio
comune e op un operatore di confronto,
Join(T,S) è una tabella R costruita a partire
da T e S secondo il seguente procedimento
• P1 = T x S
• P2 = Selezione su P1 delle righe per cui (A t op A s )
è vero
• R = P2 con ridenominazione degli attributi comuni
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Operatori derivati (2)
• Natural Join (Giunzione Naturale), se
in un’operazione di Join l’operatore di
confronto è ‘=‘ allora si parla di Natural
Join
• Intersezione: date due tabelle T ed S
con gli stessi attributi, l’intersezione è
una tabella R contenente tutte le righe
comuni a T e a S
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Forme normali
• Normalizzazione: processo matematico
con lo scopo di raffinare lo schema
logico e/o eliminare errori
nell’organizzazione dei dati
• Ci sono fino a 5 procedimenti di
normalizzazione (ma ci si ferma di solito
alla 3° forma normale)
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Prima forma normale
Una relazione è in prima forma normale se non
contiene gruppi ripetitivi, ovvero quando la struttura
è come una raccolta di tuple e attributi. Ciò significa
che ogni relazione non può contenere né ulteriori
relazioni al suo interno, né attributi con più valori
contemporanei (condizione di atomicità degli
attributi). La prima forma normale non permette di
avere un set di valori, una tupla di valori o loro
combinazione, come valore di un attributo di una
singola tupla.
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Dipendenze Funzionali
Le forme normali successive alla prima sono definite a partire dal concetto
di dipendenza funzionale. Data una relazione in 1FN e due sottoinsiemi A e
B dei suoi attributi, si dice che B è funzionalmente dipendente da A (AB)
se per un qualsiasi stato della base di dati ciascun valore di A è associato
ad uno (e solo uno) valore di B. Si ha una dipendenza piena quando la
dipendenza AB è tale per cui non esiste alcun sottoinsieme proprio di A
per il quale valga ancora la dipendenza funzionale con B. Si ha invece
dipendenza parziale, quando la dipendenza è tra un sottoinsieme di A e B.
Si ha dipendenza transitiva tra due attributi (o gruppi di attributi) A e B
distinti, quando esiste un attributo (o un gruppo) C, distinto da A e B, tale
per cui B dipende da C e C dipende da A. Si deduce che ciascun attributo
di una relazione dipende funzionalmente dai candidati chiave della
relazione.
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II e III Forma Normale
Una relazione è in seconda forma normale se è in 1FN e se
tutti gli attributi non primi (ossia non facenti parte di alcuna
chiave della relazione) dipendono da ogni chiave. La
traduzione in 2NF della relazione viene effettuata
scomponendo la relazione di partenza in più relazioni.
Una relazione è in Terza forma normale se è in 2NF e se ogni
suo attributo dipende in modo diretto e non transitivo da
ogni chiave della relazione.
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Denormalizzazione
• È buona norma lavorare con strutture normalizzate (almeno fino
alla terza forma normale)
• Casi in cui può essere necessario denormalizzare un po’ i dati:
• Quando aggiungendo un attributo ridondante nelle tabelle, è
possibile limitare il numero delle tabelle da visitare per ottenere
particolari risultati
• Quando si aggiunge un attributo che contiene un valore calcolato e
quindi si velocizza l’elaborazione di dati usati di frequente
• Nel caso di attributi denormalizzati sarà l’applicazione a farsi
carico della consistenza degli stessi che non può essere affidata
ai meccanismi automatici del DBMS
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Indici
• Indice = sequenza di record con almeno due campi:
chiave e indirizzo
• Chiave: contiene i valori della tabella su cui è stato
creato l’indice
• Indirizzo: puntatore all’occorrenza
• Elementi efficienti nella ricerca perché:
• sono più piccoli e semplici di quelli della tabella
• Sono organizzati in particolari strutture che consentono di
effettuare ricerche con prestazioni elevate
• Velocizzano le ricerche ma rallentano gli inserimenti e
le modifiche
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