Fundamentos de bases de dados
Dados, esquema, instância, SGBD, níveis de desenho e independência dos dados.
Ana fez duas encomendas. Se o nome dela estiver copiado nas duas, corrigir só uma deixa os dados contraditórios. Separar Cliente de Encomenda permite alterar o nome num único lugar. Essa separação é uma decisão de desenho. O sistema não a faz por nós.
Um sistema de gestão de bases de dados, ou SGBD, guarda dados e controla operações sobre eles. Conserva os dados de forma persistente e oferece uma linguagem para os consultar.
Além disso, verifica as restrições declaradas. Coordena acessos concorrentes quando várias aplicações escrevem ao mesmo tempo. Oferece mecanismos de recuperação após falhas. SQLite, PostgreSQL e MongoDB são exemplos de SGBDs.
Dados, esquema e instância
Os dados são os factos concretos. Um exemplo é “o produto 10 chama-se Teclado”.
O esquema define a estrutura e as regras desses factos. Indica os atributos de cada tabela, os tipos, as chaves e as condições que todas as linhas têm de respeitar.
A instância é o conteúdo num certo momento. É o conjunto de linhas que a base de dados contém agora.
Duas instâncias do mesmo esquema Produto(id, nome, precoCentimos, stock):
| id | nome | precoCentimos | stock |
|---|---|---|---|
| 10 | Teclado | 4500 | 20 |
| 11 | Rato | 2500 | 50 |
| id | nome | precoCentimos | stock |
|---|---|---|---|
| 10 | Teclado | 4500 | 18 |
| 11 | Rato | 2500 | 50 |
| 12 | Monitor | 18000 | 5 |
O esquema é o mesmo nas duas tabelas. Os atributos, a chave e as condições não mudaram.
A instância mudou em dois sentidos. O stock do teclado desceu de 20 para 18. Apareceu ainda o monitor como produto novo. Vender dois teclados muda a instância. Começar a registar a categoria muda o esquema, porque acrescenta um atributo possível.
A chave id identifica cada produto sem repetições. A condição stock >= 0 rejeita valores negativos. Uma tabela vazia continua a ter esquema e restrições. O número de linhas não faz parte do esquema.
Uma base de dados é a coleção organizada de dados. O SGBD é o software que a guarda e interroga. Um ficheiro SQLite pode ser uma base de dados, mas o ficheiro não é o motor SQLite.
Que problemas resolve o SGBD
O SGBD mantém dados persistentes e oferece uma linguagem de consulta. Verifica as restrições declaradas em cada escrita.
Controla acessos concorrentes e recupera após falhas, segundo as garantias do motor e da configuração. Pode criar índices e escolher uma forma de executar cada consulta.
A aplicação continua responsável por definir corretamente as regras. O nome qtd não é uma restrição. Se não declararmos que a quantidade é positiva, o SGBD aceita um valor negativo.
Do mesmo modo, se debitarmos dinheiro sem o creditar noutra conta, o SGBD executa essa operação errada sem interferência, desde que respeite as restrições declaradas. Integridade técnica e correção do domínio exigem por isso um desenho explícito.
Três níveis de desenho
O modelo conceptual descreve o problema no vocabulário do domínio. Uma encomenda pertence a um cliente e contém produtos. Pode ser um diagrama UML, sem tipos específicos de SQLite.
O modelo lógico escolhe relações, atributos e chaves. A associação entre encomendas e produtos torna-se Item(idEncomenda, idProduto, qtd, precoUnitario). É neste nível que verificamos dependências e formas normais.
O desenho físico decide como o SGBD guarda e acede aos dados. Inclui índices, organização dos ficheiros e opções de armazenamento. Criar um índice em Encomenda(idCliente) não muda o facto de uma encomenda pertencer a um cliente.
Esta separação permite a independência dos dados. A independência física deixa mudar um método de acesso sem reescrever a consulta lógica. A independência lógica procura proteger as aplicações de certas mudanças no esquema. Uma vista que mantém as colunas antigas é um exemplo típico. Nenhuma das duas significa que qualquer alteração de esquema seja invisível.
O modelo relacional
Uma relação tem um conjunto de atributos e um conjunto de tuplos. Num esquema Cliente(id, nome, email), cada tuplo associa um valor a cada atributo.
O domínio de um atributo define os valores admissíveis. Pode ser inteiros positivos, texto ou datas. A aridade é o número de atributos. A cardinalidade é o número de tuplos da instância.
Cliente tem aridade 3, mesmo quando está vazia. Inserir um cliente aumenta a cardinalidade sem mudar a aridade.
Na teoria relacional, não há tuplos duplicados. A ordem dos tuplos também não faz parte da relação. Duas apresentações com linhas em ordens diferentes representam o mesmo conjunto.
Em SQL, os resultados admitem duplicados por omissão. Só ORDER BY garante uma ordem na resposta. Esta diferença vai importar nas projeções, nas junções e nas contagens.
O nome “relacional” vem destas relações matemáticas. Não vem da simples existência de ligações entre tabelas. Uma base de dados de grafos também tem ligações, mas usa outro modelo.
Uma pergunta e duas decisões
Queremos os clientes que compraram um rato. O resultado deve ter uma linha por cliente, mesmo que tenha comprado o produto em várias encomendas.
Para responder, precisamos de percorrer Cliente → Encomenda → Item → Produto. Precisamos ainda de eliminar repetições de clientes na resposta.
O preço atual do rato não é necessário para esta pergunta. A forma física de guardar as tabelas também não deve mudar o seu significado. Primeiro definimos a pergunta e as relações relevantes. A consulta e o plano físico vêm depois.