Tema 2: Diseño de bases de datos

1. Tema 2: Diseño de bases de datos Bases de datos Máster en Tecnologías de Información Geográfica

2. 1. Introducción • Diseño: • Proceso de creación de un esquema de la base de datos. • Fases: • Conceptual. • Lógico. • Físico.

3. Ejemplo: Diseño de una base de datos para la secretaría de una facultad • Se desea gestionar (almacenar, consultar, actualizar, …) la información correspondiente a la secretaría de una facultad. • Ésta es la información de la que partimos: • Por cada alumno se requiere la información: DNI, Apellidos y nombre, domicilio, teléfono y acceso (que indica el tipo de acceso a la universidad). También se precisa conocer en cada momento las asignaturas en las que el alumno está matriculado, así como la nota en cada asignatura. Un alumno sólo puede matricularse en una asignatura una vez, y debe matricularse al menos en una. • Por cada asignatura se requiere: código, título y núm de créditos. Puede haber varias asignaturas con el mismo número de créditos, pero todas tienen distinto código y distinto título.

4. Ejemplo: Diseño de una base de datos para la secretaría de una facultad • Cada asignatura puede estar impartida por uno o más profesores. Del profesor se deben conocer los mismo datos que en el caso de los alumnos, salvo el de acceso: DNI, Apellidos y nombre, domicilio y teléfono. El número máximo de asignaturas que puede impartir un profesor es 6, aunque puede que no imparta ninguna. • Algunos profesores tienen un supervisor (sólo uno), que es otro profesor. • Dados un profesor concreto y una asignatura de las que imparte, se debe conocer el aula en la que el profesor da esa asignatura (es siempre la misma). El aula se identifica mediante el nombre de edificio y el número de aula. Se supone que dentro del mismo edificio cada aula tiene un número diferente.

5. 2. Diseño conceptual • Conceptos: • Entidad. DNI = 01234567Z, Nombre y apellidos = Manuel Vázquez Prieto, Teléfono = 91-12345678 Domicilio = Calle del Jazmín 7, 4 Izq. • Atributo. • Monovalorados/multivalorados • Simples/Compuestos • Relación. (José García, Bases de datos)

6. 2. Diseño conceptual • Conceptos: • Tipos de entidad. Alumno • Tipos de relación. Matrícula

7. 2. Diseño conceptual • Conceptos: • Clave. Identificador/es unívoco de una entidad. DNI en Alumnos • Tipos de clave: • Superclave. • Clave primaria. • Clave candidata.

8. Diagrama Entidad-Relación • Modelo de datos de alto nivel. • Consta de elementos básicos (entidades) y de relaciones entre ellos (relaciones). • Las entidades se describen por un conjunto de atributos.

9. Diagrama Entidad-Relación Alumnos Matrícula • Diagrama E-R • Rectángulos => entidades • Elipses => atributos • Rombos => relaciones • Además es posible representar ciertas restricciones: • Clave • Cardinalidad • Participación Asignaturas

10. Atributos simples y compuestos: • Se dice que un atributo es compuesto cuando puede descomponerse en otros componentes o atributos más pequeños, y simple en otro caso. • Ej.: En el caso del nombre de una persona puede que nos interese descomponerlo a su vez en nombre, primer apellido y segundo apellido por separado. • Se representan como elipses (atributos simples) unidos a otra elipse (atributo compuesto) que se une a la entidad. Simple A Simple B Compuesto

11. Atributos monovalorados y multivalorados • Se llaman atributos multivalorados a aquellos que pueden contener más de un valor simultáneamente, y monovalorados a los que sólo pueden contener uno. • Ej.: Una persona puede tener varios números de teléfono (casa, trabajo, móvil) y puede que nos interese tenerlos todos. • En este caso haremos de teléfono un atributo multivalorado. • Los atributos multivalorados se representan con dos elipses concéntricas Mu Multivalor

12. Ejemplo atributos

13. Atributos de una relación • Una relación puede incluir un nombre y unos atributos que la caractericen Fecha_devolución ISBN DNI tiene_prestado Usuario Libro

14. Atributos de una relación • Pero es recomendable que estos últimos sólo aparezcan en ella si no pueden ser añadidos a alguna de las entidades que participan de la relación. Fecha_apertura NºCUENTA DNI es_titular Cliente Cuenta

15. Valores nulos • El valor nulo tiene dos modos de uso semánticamente distintos: • No existencia del dato: el atributo no tiene sentido en la entidad particular. • Ej. atributo PISO en una entidad CLIENTES donde el elemento insertado corresponde a un cliente con domicilio en una casa unifamiliar. • Desconocimiento: el atributo se “deja en blanco” por no disponer de la información. • Ej. atributo ALTURA en una entidad JUGADORES. • Ambigüedad: a veces no es posible distinguir si el valor de un atributo “no existe” o si “se desconoce”. • Ej. atributo TELF_MOVIL en una entidad ALUMNOS

16. Grado de una relación • Grado de una relación es el número de entidades que asocia: • Relación binaria: asocia dos entidades • Relación ternaria: asocia tres entidades • Relación recursiva: asocia una entidad consigo misma

17. Roles • La función que desempeña una entidad en una relación se denomina rol de esa entidad. • En general, los roles están implícitos y no se suelen especificar. • Resultan útiles cuando el significado de una relación necesita aclaración • P.ej: en relaciones recursivas Profesor Supervisor Supervisado supervisa

18. Diseño conceptual • Un buen diseño debe ser • Conciso • Fácil de comprender • Fácil de mantener • Eficiente • El diseño del modelo E-R a partir del análisis inicial NO es directo. • A un mismo análisis le corresponden muchos diseños “candidatos”. • Dos peligros importantes a evitar • Redundancia • Información repetida • Incompletitud • Aspectos mal modelados

19. Pasos básicos a seguir • Pasos en el diseño de un diagrama E-R: • Elección de los tipos de entidad y sus atributos. • Elección de los tipos de relación y sus atributos. • Restricciones.

20. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Del punto 1 de la especificación del problema de la secretaría se deduce que va a haber un tipo de entidad ALUMNOS, pero no cuáles son sus atributos: • ¿Debe incluir las asignaturas (punto 2) en las que está matriculado? • La respuesta es NO y hacerlo así sería un error grave. • Aparte de la idea ‘filosófica’ (cada asignatura es un objeto con significado propio, es decir, una entidad), al mezclar en una sola entidad alumnos y asignaturas cometemos varios errores.

21. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Un alumno no tiene una asignatura asociada sino un conjunto de asignaturas asociadas. • En cambio, sí tiene un DNI asociado, una dirección asociada, etc. • Por tanto las entidades serían de la forma • {DNI=12345678V, Nomb.Ape=Luis Martínez, Telf.=01234567, Cod=MD, Título=Matemática Discreta, Créditos=9} • {DNI=12345678V, Nomb.Ape=Luis Martínez, Telf.=01234567, Cod=IS, Título=Ingeniería del Software, Créditos=12} • {DNI=12345678V, Nomb.Ape=Luis Martínez, Telf.=01234567, Cod=LPI, Título=Laboratorio de programación I, Créditos=X} • ERROR: Redundancia (información de alumnos repetida)

22. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Esto se puede solucionar si admitimos que los atributos contengan conjuntos de valores (multivalor) • { DNI=12345678V, Nomb.Ape=Luis Martínez, Telf.=01234567, … , Asignaturas={ {Cod=MD, Título=…}, {COD=IS,Título=…}, {Cod=LPI,Título=…} } } • Errores: • Difícil de manejar  Poco escalable cuando el conjunto de valores es muy elevado  • “Tablas” de Varias Dimensiones  NO es Relacional 

23. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Además, las asignaturas son siempre las mismas, con lo que por cada alumno que se matricula en la misma asignatura hay que repetir la información de ésta. • { DNI=12345678V, Nomb.Ape=Luis Martínez, Telf.=01234567,Asignaturas={ {Cod=MD, Título=…}, {COD=IS,Título=…}, {Cod=LPI,Título=…} } } • { DNI=0000001, Nomb.Ape=Eva Manzano, Telf.=01234567,…, Asignaturas={ {Cod=MD, Título=…}, {COD=IS,Título=…}, {Cod=BDSI,Título=…} } } • Error: • Redundancia (otra vez, información de asignaturas repetida)

24. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Además, en cualquiera de estas soluciones no se pueden guardar los datos de una asignatura hasta que no se matricule un alumno en ella. • Puede ser que en secretaría quieran meter los datos de las asignaturas antes de empezar el proceso de matrícula de alumnos • No pueden • Podría pensarse: las incluimos con los datos de los alumnos vacíos (nulos). • Olvídalo…es una chapucilla

25. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Del punto 3 de la especificación, por cada profesor hay que apuntar las asignaturas que imparte. • La información de las asignaturas debe estar por tanto relacionada con la de los profesores, pero ya está incluida con los alumnos • Error: se vuelve a repetir la información de las asignaturas más Redundancia 

26. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Por tanto hay que distinguir entre el tipo de entidad ALUMNOS y el tipo de entidad ASIGNATURAS. • Ambas se relacionarán mediante un tipo de relación MATRICULA. • Parece claro que los restantes tipos de entidad serán: PROFESORES y AULAS. • Los atributos de cada tipo de entidad serán: • Alumnos: DNI, Apellidos y Nombre, Domicilio, teléfono y acceso • Asignaturas: Código, título, y núm. Créditos • Profesores: DNI, Apellidos y nombre, Domicilio y teléfono • Aulas: Edificio y núm. edificio

27. Elección de los tipos de entidad y sus atributos • Aún nos falta un atributo: la Nota • ¿Dónde la ponemos? • ¿En alumnos? • NO, porque un alumno tiene muchas notas • ¿En asignaturas? • NO porque una asignatura tiene muchos alumnos • Posible solución: • Nota será un atributo del tipo de relaciónMatrícula. (vimos que esto se debe evitar por sencillez...pero es posible)

28. Elección de los tipos de relación • El primer tipo de relación es MATRÍCULA que relaciona cada alumno con las asignaturas en las que está matriculado. • Además, está relación tiene un atributo, Nota, que se asocia cada posible relación. • Además, hay otro tipo de relación: • SUPERVISA que va de profesores a profesores y que incluye los roles supervisor y supervisado.

29. Elección de los tipos de relación • La última relación es IMPARTE que relaciona cada profesor con la asignatura que imparte y el aula en la que da esa asignatura. • Aquí también surgen varias posibilidades: • a) Hacer 2 relaciones binarias: • PROFESOR -ASIGNATURA y • ASIGNATURA -AULA. • b) Hacer 1 relación ternaria: • PROFESOR- AULA-ASIGNATURA • c) Hacer 3 relaciones binarias: • PROFESOR –ASIGNATURA • PROFESOR –AULA • ASIGNATURA -AULA

30. Ejemplo: Diseño de una base de datos para la secretaría de una facultad Telf. Direcc Título N_Cred COD Ap Nom Acceso Matrícula DNI Alumno Asignatura Nota Supervisa supervisado supervisor Imparte Profesor Aula DNI Ap Nom Domicilio Telf. Edificio Número

31. Restricciones • Con los elementos anteriores tenemos una primera aproximación a los diagramas ER, en la que tenemos definidos los elementos principales de los diagramas. • Sin embargo, en el modelo ER también se pueden definir numerosas restricciones sobre los tipos de entidades y tipos de relaciones

32. Restricciones • Las restricciones son propiedades que se asocian a un tipo de entidad o de relación. • Las instancias válidas del tipo de entidad o relación son aquellas en las que se verifique el conjunto de restricciones asociadas. • Observaciones: • Las restricciones son parte del diseño de la BD igual que los tipos de entidades o de relaciones. • Los SGBD se encargan de comprobar que la instancia verifica las restricciones más usuales. • Ej.:En el caso anterior, una vez incluida la restricción, el SGBD no nos permitiría insertar la segunda tupla.

33. Restricciones de clave SUPERVISOR SUPERVISADO ({DNI=666666,…}, {DNI=444444,…}) ({DNI=000001,…}, {DNI=444444,…}) • Ej.: En la relaciónSUPERVISA un profesor puede tener a lo sumo un supervisor, pero el diagrama anterior permite: • …es decir, que un profesor tenga p.e. dos supervisores • Pero NO debería ser una instancia válida de la relación porque según enunciado: “un supervisor (sólo uno)” • Solución: imponer restricción de clave. Instancia Tuplas

34. Restricciones de clave • Las entidades deben poder distinguirse unas de otras a través de los valores de sus atributos. • Interesa encontrar un conjunto de atributos lo más pequeño posible que nos permita distinguir unas entidades de otras. • Estos conjuntos serán las claves. • Aparecen como atributos subrayados en el diagrama E-R.

35. Restricciones de cardinalidad • Fijado un alumno puede haberse matriculado en cualquier número de asignaturas • no hay restricción sobre el tipo de entidad asignatura en la relación matrícula. • Restricción de cardinal para asignatura: ≤ N. • Fijada una asignatura, puede haberse matriculado sobre ella un número cualquiera de alumnos • no hay restricciones sobre el tipo de entidad alumnos en la relación matrícula. • Restricción de cardinal para alumnos: ≤ N.

36. Restricciones de cardinalidad • El supervisor de un profesor, si lo tiene, es único. • El tipo de entidad profesor, en el papel supervisado tiene cardinal ≤1. • Restricción de cardinal para profesor (supervisado): ≤ 1 • El tipo de entidades profesor, en el papel supervisor no tiene ninguna restricción de cardinal • un profesor puede supervisar a un número indeterminado de profesores. • Restricción de cardinal para profesor (supervisor): ≤N

37. Restricciones de cardinalidad • Cada persona tiene un único país de nacimiento: es decir, fijada una persona, existe un país. • Restricción =1 para el tipo de entidad país en el tipo de relación nacida. • Dado un país hay una cantidad no determinada en general de personas nacidas allí, • Restricción = N para el tipo de entidad personas en el tipo de relación nacida. N 1 Nacida Personas País

38. Representación de cardinalidad en diagramas E-R • Hay VARIAS formas de expresar las restricciones de cardinalidad sobre tipos de relaciones en los diagramas E-R: R 1 1 Entity_1 Entity_2 one-to-one R 1 N Entity_1 Entity_2 one-to-many R N 1 many-to-one Entity_1 Entity_2 R N N Entity_1 Entity_2 many-to-many

39. Restricción de participación • Se dice: “Participación de una entidad en una relación” • Participación: • Se dice que Ej tieneparticipación total en r si cada entidad ej  Ej se encuentra en alguna tupla de r. • En otro caso se dice que la participación es parcial.

40. 2. Diseño lógico • Herramienta: • Modelo relacional. • Resultado: • Esquema lógico.

41. Modelo relacional • El concepto principal es la tabla o relación • Cada tabla o relación es un conjunto de tuplas donde cada una de ellas corresponde a una fila de la tabla • Cada tupla corresponde a la descripción, en el diagrama ER, de una entidad particular o a la descripción de una relación particular entre varias entidades particulares. • No hay que confundir las tablas con las relaciones del modelo Entidad Relación. • Las tablas (o relaciones) valen para tipos de relaciones igual que para tipos de entidades.

42. Terminología del modelo relacional • Relación • Igual que en el esquema ER. • Las entidades particulares se representan como tuplas o filas de la tabla. • Atributo • Igual que en el esquema ER. • Se representan como las columnas de la tabla. • Los valores de los atributos de las tuplas deben ser atómicos. • No puede haber atributos compuestos • O se representan sus componentes individuales como atributos • O se junta toda la información en un único atributo • Ej: secretaría => domicilio como atributo simple con toda la información • No puede haber atributos multivalorados • Veremos como convertirlos en atributos monovalorados

43. Terminología del modelo relacional • Esquema de una tabla o relación • viene dado por el nombre de la tabla y una lista de atributos. • Alumnos (DNI, Apellidos, Nombre, teléfono, acceso) • El orden de los atributos en la lista no importa. • Lo fijamos porque nos viene bien para representarlo como tabla, pero cualquier permutación es válida. • Instancia de una tabla => Conjuntos de entidades particulares. • Cada entidad particular se representa como una tupla. • Cada componente de la tupla corresponde con el valor del atributo correspondiente, según el orden enunciado en el esquema de la tabla.

44. Ejemplo secretaría • Ejemplo: Instancia de la tabla Alumnos: • { (01234567Z, Vázquez , Manuel, 9112345678, normal), ....}

45. Terminología del modelo relacional • Un tabla no puede contener tuplas repetidas • Existe un conjunto de atributos que determina unívocamente a cada tupla • Los conceptos de superclave, clave candidata y clave primaria explicados en el modelo ER son válidos para el modelo relacional • Cada tabla debe tener una clave primaria • Los atributos que forman la clave primaria nunca pueden tomar valores nulos

46. Paso del modelo ER al modelo relacional • Se puede transformar un diagrama ER (diseño conceptual) en un modelo relacional (diseño lógico) mediante una serie de transformaciones • Entidades • Relaciones • Restricciones de cardinalidad • Atributos multivalorados

47. Entidades • Para cada entidad que no sea débilse crea una tabla con el mismo nombre y conjunto de atributos. • La clave primaria es la del diagrama ER • En este punto no se indica nada acerca de las relaciones en los que participa el tipo de entidades.

48. Ejemplo secretaría • En el caso de la BD de secretaría los tipos de entidades dan lugar a las tablas: • Alumnos(DNI, Apellidos, Nombre, teléfono, acceso) • Suponiendo teléfono atributo monovalor • Asignaturas(Código, título, núm créditos) • Profesores(DNI, ApellidosYNombre, domicilio, teléfono) • Aulas(Edificio, núm. aula)

49. Relaciones binarias: restricciones de cardinalidad varios a varios • Varias a varias

50. Relaciones binarias: restricciones de cardinalidad varios a varios • Sea R relación binaria entre E1 y E2. • Clave primaria de E1 • Conjunto de atributos c1 • Clave primaria de E2 • Conjunto de atributos c2 • Relación construida a partir de R • Atributos de T: c1 + c2 + Atributos de R • Superclave para R: • c1  c2