miércoles, 29 de mayo de 2013

SQL Server: La importancia de elegir la instrucción correcta

Diferentes instrucciones de  SQL Server que aparentemente tienen el mismo resultado en realidad muestran diferentes resultados incluso pueden generar errores. Lo veremos más claro con un ejemplo.

Enunciado  del ejemplo:
Dado un campo1 de tipo smallint, se desea que tome valor 1 para todos los valores del campo2 de tipo varchar que comiencen por 2 excepto para los que comiencen por 23 que tomará valor cero. el resto de ocurrencias es indiferente.

--estas dos select devuelven el mismo resultado
SELECT * FROM tabla WHERE substring(campo2,1,1) = 2
SELECT * FROM tabla WHERE campo2 like '2%'

Estas dos líneas de instrucciones realizan la operación solicitada. 
--Esta solución es correcta, pero si el campo varchar contiene letras dará un error de conversión de tipos.
UPDATE tabla SET campo1 = 1 WHERE substring(campo2,1,1) = 2
UPDATE tabla SET campo1 = 0 WHERE substring(campo2,1,2) = 23

Estas dos líneas de abajo realizan el mismo trabajo que las anteriores pero son más robustas frente a fallos.
--Esta solución es más correcta pues hace lo mismo que la anterior y aunque el campo varchar contenga letras, no falla.
UPDATE tabla SET campo1 = 1 WHERE campo2 like '2%'
UPDATE tabla SET campo1 = 0 WHERE campo2 like '23%'

Esto pone de manifiesto que a la hora de hacer una instrucción de SQL no sólo basta con que sea correcta, hay que tener en cuenta los posibles fallos, en este caso de conversión de tipos de un campo varchar que toma valores numéricos (pero puede que no lo haga) pues al ser varchar es legal que un campo venga como 'C2000' y en ese caso el primer UPDATE falla.

lunes, 27 de mayo de 2013

Normalización: (Formas Normales)

La teoría de la normalización es una guía que ayuda a prevenir problemas de diseño de bases de datos como las redundancias y otras anomalías en la inserción, modificación y borrado en las tablas de una base de datos; aunque como contrapartida puede haber problemas en su recuperación.


La normalización es un proceso de diseño que consiste en descomponer los registros en otros de menor tamaño (con menos campos), de forma que cumplan una serie de restricciones que se definen como forma normal.

Noción de las Formas Normales


Primera Forma Normal 1FN


No se permite que un registro tenga grupos repetitivos, el concepto de "grupo repetitivo", puede ser definido de diferentes maneras según el criterio utilizado. Por tanto, no hay un acuerdo universal sobre los requisitos para que una tabla se pueda considerar en 1FN.

Aquí vamos a considerar que todos los campos deben ser únicos. En la Figura 1 se muestran distintas opciones de cómo pasar un registro a primera forma normal. Cada una tiene ventajas e inconvenientes y su implantación dependerá de las características del grupo que se repite. (Por ejemplo, si es fijo y con muy pocas ocurrencias podría ser conveniente contemplar la opción C, si fuera variable y numeroso, podría ser más acertada la opción B).

Normalización:  (Formas Normales)



Segunda Forma Normal


Un registro está en segunda forma normal 2FN. Si además de estar en primera forma normal, todos los campos que no pertenezcan a la clave primaria dependen de toda la clave primaria.

Es decir, los campos que no son clave suministran información acerca de la clave.

Por ejemplo, en el registro.


Suministros(Cod_Objeto, Cod_Almacen, Cantidad, Ubicación_Almacen)


Donde la clave primaria está formada por los campos Cod_Objeto y Cod_Almacen, la ubicación en el almacén (Ubicacion_Almacen) es un hecho sólo acerca de Cod_Almacen no del conjunto de la clave, por lo que este registro viola la segunda forma normal. Para evitar este problema, el registro se puede descomponer del siguiente modo:

Suministros (Cod_Objeto, Cod_Almacen, Cantidad)

Almacenes (Cod_Almacen, Ubicacion_Almacen)

Que ya se encuentran en 2FN.


                                Formas normales

Tercera Forma Normal 


La tercera forma normal 3FN además de englobar las otras dos anteriores, añade la siguiente restricción: Los campos que no forman parte de la clave primaria deben facilitar información sólo acerca de la(s) claves(s) primarias, y no acerca de otros campos. Es decir, un registro está en tercera forma normal, si sus campos deben ser independientes mutuamente y dependientes completamente de las claves primarias.

El siguiente registro, cuya clave es el código de médico, viola la 3FN, ya que el nombre del departamento es un hecho acerca del código del departamento además de serlo transitivamente de Cod_Medico

Medicos (Cod_Medico, Cod_Especialidad, Nombre_Especialidad)

Para conseguir la 3FN sería conveniente descomponerlo de la siguiente manera:

Medicos (Cod_Medico, Cod_Especialidad)


Especialidad (Cod_Especialidad, Nombre_Especialidad)

Definición de dependencia funcional


Decimos que un descriptor Y (Conjunto de campos) depende funcionalmente del descriptor X, si, y sólo si, cada valor de X tiene asociado en todo momento un único valor de Y, lo que se representa como: X -> Y

Así por ejemplo, podemos decir que:

Cod_Almacen -> Direccion_Almacen

Ya que cada código (suponiendo que no se repiten) existe en una sola dirección, en esta dependencia, se dice que el Cod_Almacen es el implicante y Direccion_Almacen el implicado.

Dependencia funcional completa y 2FN



Si el descriptor X es compuesto X(X1, X2) se dice que Y tiene dependencia funcional completa o plena respecto de X, pero no depende de ningún subconjunto del mismo, esto es: 

X ->Y


X1 -/-> Y


X2 -/-> Y

Así por ejemplo, si suponemos que en un hospital un médico puede trabajar en varias espacialidades, realizando una sola función en cada una de ellas (Traumatología, aparato digestivo, pediatría, etc.), aunque pueda ser distinta según la especialidad que:

(DNI_Medico, Cod_Especialidad) -> Funcion

Es una dependencia completa, ya que ninguno de los elementos del descriptor por separado determina el implicado, al poder tener un médico muchas funciones, lo mismo que una especialidad.

Sin embargo la dependencia:

(Cod_Objeto, Cod_almacen) -> Direccion_Almacen

No es completa, ya que Cod_Almacen -> Direccion _Almacen

Podemos ahora definir la 2FN de manera más rigurosa diciendo que un registro está en 2FN si:


-Está en 1FN

-Todo campo no clave tiene una dependencia funcional completa respecto de la clave primaria.

Por esta razón la relación:

Suministros (Cod_Objeto, Cod_Almacen, Cantidad, Ubicacion_Almacen)

No se encuentra en 2FN, mientras que las relaciones:

Suministros (Cod_Objeto, Cod_Almacen, Cantidad)

Almacenes (Cod_Almacen, Ubicacion_Almacen)

Si, ya que el primer registro, (Cod_Objeto, Cod_Almacen) -> Cantidad es una dependencia completa, (Se puede repetir el código de pieza, si el Cod_Almacen cambia, por eso tiene que ir el Cod_Almacen y decimos que es dependencia completa)

Por ejemplo


Cod_Objeto Cod_Almacen Cantidad

001 001 12

002 001 46

002 002 34

y en el segundo caso Cod_Almacen -> Ubicacion_Almacen también lo es, ya que si la clave es simple (está formada por un solo campo) siempre que se encuentre en 1FN lo estará también en 2FN.

Dependencia funcional transitiva y Tercera Forma Normal


Dado un registro con tres descriptores en el que existen las siguientes dependencias funcionales, como se indica en la Figura 2:

Dependencia funcional transitiva

X -> Y
Y -> Z
Y -/-> X


Se dice que Z depende transitivamente respecto de X a través de Y, lo que se representa como X- - > Z

Por ejemplo, si suponemos que se dan las siguientes dependencias:

Cod_Medico -> Cod_Especialidad

Cod_Especialidad -> Nombre_Especialidad

Cod_Especialidad -/-> Cod_Medico

Podemos afirmar que Cod_Medico -> Nombre_Especialidad transitivamente a través de Cod_Especialidad.

Se dice que un registro se encuentra en 3FN si:

- Está en 2FN


- Ningún campo no clave depende transitivamente de ninguna clave.

Es por esto que el registro:

Medicos (Cod_Medico, Cod_Especialidad, Nombre_Especialidad) 


No se encuentra en 3FN, ya que la clave es el Cod_Medico, mientras que Nombre_Especialidad, que no forma parte de la clave, depende transitivamente de ella.

Forma normal de Boyce-Codd (FNBC) 


Si nos encontramos con casos en los que hay varias claves compuestas solapadas (que comparten algún campo), tendremos problemas.

Forma Normal Boyce-Codd


Se dice que un registro se encuentra en FNBC si y solo si, todo determinante es clave, donde por determinante entendemos cualquier conjunto de campos en el que otro campo depende funcionalmente de forma completa.


Dado el siguiente registro:

Suministros(Cod_Objeto, Cod_Almacen, Nombre_Almacen, Cantidad)

Donde los almacenes se identifican unívocamente tanto por el código como por el nombre; pero hay dos claves, la formada por el conjunto (Cod_Objeto Cod_Almacen) y la que componen (Cod_Objeto, Nombre_Almacen). Sin embargo, hay cuatro determinantes; además de las claves anteriores, el campo Cod_Almacen y el campo Nombre_Almacen son determinantes, ya que uno implica al otro y viceversa, por tanto este registro no se encuentra en FNBC, por que no todo determinante es clave (Cod_Almacen y Nombre_Almacen forman parte de la clave, pero no “son” la clave.)

Para cumplir la FNBC hay que descomponer el registro, de la siguiente manera:

Almacenes (Cod_Almacen, Nombre_Almacen)

Suministros (Cod_Objeto, Cod_Almacen, Cantidad)

De tal forma que en el primer registro existen dos claves: Cod_Almacen y Nombre_Almacen, y ambos campos son también determinantes, así que está en forma normal FNBC, mientras que en el segundo registro existe una clave compuesta por (Cod_Objeto, Cod_Almacen) y hay un único determinante formado por los dos campos (Cod_Pieza, Cod_Almacen) que determinan a Cantidad, por lo que también se encuentra en FNBC.

Cuarta Forma Normal


Una tabla está en 4NF si y solo si esta en 3FN o en BNCB (Cualquiera de ambas) y no posee dependencias multivaluadas triviales. (requiere que ciertas tuplas estén presentes en la misma). Una tabla con una dependencia multivaluada es una donde la existencia de dos o más relaciones independientes muchos a muchos causa redundancia; y es esta redundancia la que es suprimida por la cuarta forma normal.

Por ejemplo

Dada una tabla de diferentes hospitales con los médicos que tiene y las especialidades que tratan:

Hospitales (Cod_Hospital, Cod_médico, Cod_especialidad)

Cada fila indica que un hospital dado puede tratar una enfermedad con un médico. Como la tabla tiene una clave única y ningún atributo no-clave, no viola ninguna forma normal hasta el BCNF. Pero debido a que los médicos de cada hospital son independientes de las especialidades tratadas, hay redundancia en la tabla. Esto se ve mejor en una tabla con los campos rellenos:

                     Ejemplo de normalización

Por ejemplo, nos dicen tres veces que el hospital del Sur tiene al Dr. Bermúdez, si el hospital del Sur contrata al Dr. Martín necesitaremos agregar múltiples registros, uno para cada especialidad tratada. En términos formales, esto se describe como que cada médico está teniendo una dependencia multivalor en Hospital.

Para satisfacer la 4NF, debemos poner los hospitales con los distintos médicos mostrados en una tabla diferente de los hospitales con sus especialidades.

                   hospital normalizado



miércoles, 22 de mayo de 2013

Análisis orientado a objetos (AOO) IV


Definición de estructuras y jerarquías

Una vez generado el modelo CRC hay que centrarse en la estructura de las clases con su correspondiente jerarquía. Se usa para ello la notación UML para representar gráficamente la jerarquía entre las clases obtenidas del modelo CRC. La flecha representa la dependencia jerárquica. La jerarquía mostrada se ha extraído de las tarjetas CRC generadas anteriormente.

             modelo de clases orientado a objetos

Definición de Subsistemas

Un modelo de análisis puede tener cientos de clases, en este caso resulta útil dividir ciertos grupos de clases en subsistemas. Para ello se eligen grupos de clases con un conjunto de responsabilidades similares. En realidad consisten en un escalón más en la abstracción para hacer más manejables grandes proyectos. En UML los subsistemas se llaman paquetes. Un subsistema tratado en su conjunto también contiene un conjunto de responsabilidades y posee sus propios colaboradores externos. En el sistema CRC se puede incluir un índice que defina el subsistema al que pertenece cada tarjeta, añadiendo también las responsabilidades a cumplir (contratos) y otros subsistemas si los hay. Por ejemplo el sistema creado anteriormente para una biblioteca se puede representar en UML como un rectángulo con dos líneas debajo para representar un subsistema de un conjunto más amplio, por ejemplo como perteneciente a una gran empresa.

              Análisis orientado a objetos, subsistemas

El modelo Objeto-Relación

El siguiente paso al CRC es definir las clases colaboradoras que ayudan a realizar cada responsabilidad de una clase dada. Este paso establecerá las conexiones entre las diferentes clases. Existe una relación, asociación o conexión entre dos clases cualesquiera que estén conectadas. La relación más común de todas en la binaria que se da entre dos clases, esta es direccional, es decir tiene una parte cliente y otra servidora.
Las relaciones se pueden derivar analizando los verbos de los enunciados. Se aíslan verbos que sugieren:

- localizaciones físicas (cerca de, contenido en)

- comunicaciones (obtenido de, transmite)

- propiedad (se compone, incorporado por)

- cumple una condición (coordina, controla, dirige)

Una vez definidas las relaciones se conectan los objetos a través de relaciones con nombres y especificando la cardinalidad.

Para obtener el modelo se usan las tarjetas CRC, Si existe alguna relación se dibujan los objetos conectados por líneas, para evitar ambigüedades se pune una punta de flecha apuntando del cliente al servidor. Finalmente se evalúa la cardinalidad de cada extremo.
El esquema en UML quedaría de este estilo.

          Análisis orientado a objetos. Esquema UML



viernes, 17 de mayo de 2013

Transformación del esquema E/R al esquema relacional


La estructura básica de un modelo de base de datos relacional es la relación, su representación consiste en una tabla con un conjunto de filas y columnas en el que las columnas son los atributos y las filas (tuplas) son las ocurrencias de la relación.

Además hay otro concepto importante llamado clave candidata de una relación que se define como el conjunto de atributos (columnas) que definen univoca y mínimamente cada fila (tupla).
En una relación pueden existir varias claves candidatas, por ejemplo, en la relación:

Medicos (Código, DNI, Nombre, Dirección, Teléfono, Sueldo, Comisión, …etc)

Se pueden elegir como claves candidatas, el Código, o el DNI, si una de ellas se elige como clave primaria, por ejemplo DNI, entonces el resto (es esta caso el código) serán las claves alternativas.

Ningún atributo que forme parte de la clave primaria de una relación puede tomar valor nulo, esto se llama “integridad de entidad”.


Otro tipo de clave, la clave ajena, consiste en un conjunto de valores que coincidirán con los valores de la clave primaria de otra relación (o de ella misma). Por ejemplo en la Figura 1. Se señalan las claves ajenas que representa la relación Medicos.

transformación esquema E/R a relacional

Para las claves ajenas existe la regla de “integridad referencial“, que establece que los valores de la clave ajena, deben coincidir con los de la clave primaria a la que referencian o son nulos.

Es decir, para cada clave ajena se debe especificar si esta puede o no tomar valores nulos, lo que determinará las consecuencias de determinadas operaciones como modificación y borrado que  se realicen sobre tuplas de la relación  a la que se referencia. En función del tipo de operación que vayamos a implementar tenemos las siguientes opciones:

Operación Restringida (Restrict): Si deseamos borrar o modificar n  tuplas  de la relación que contiene la clave primaria sólo se permitirá la operación si no existen tuplas con la clave en la relación que contiene la clave ajena. Es decir, para borrar una Especialidad (Fig, 1) no debe haber ningún Médico que esté trabajando en dicha Especilaidad, si no, el sistema debe impedir el borrado.

Operación con transmisión en Cascada (Cascade): Si queremos borrar o modificar n tuplas de la relación que contiene la clave primaria referenciada entonces se producirá el borrado o modificación en cascada de las tuplas de la relación que contiene la clave ajena. En otras palabras, en el ejemplo la relación Especialidad, se debe modificar también el código en todos los Médicos de la base de datos que trabajen en dicha Especialidad.

Operación con puesta  a nulos (Set Null): Si queremos borrar o modificar n tuplas de la relación que contiene la clave primaria referenciada, tenemos que poner a Nulo los valores de las claves ajenas de la relación que referencia.
Por ejemplo, al borrar una Especialidad, los Médicos que trabajan en la Especialidad eliminada y que además se encuentran en la relación Médicos, se les debe colocar el atributo Cod_Esp a Nulo. Esta opción sólo es posible si el atributo que es clave ajena permite tomar valores nulos.

Operación con puesta a valor por defecto (Set Default): Si queremos borrar o modificar n tuplas de la relación que contiene la clave primaria referenciada, es necesario poner el valor por defecto a la clave ajena de la relación de referencia.

Operación que desencadena un procedimiento de usuario: En este caso, el borrado o modificación de tuplas de la tabla referenciada pone en marcha un procedimiento definido por el usuario.

Reglas de transformación

Para convertir un diagrama en el modelo E/R al relacional tenemos que seguir los siguientes principios:

- Toda entidad se convierte en una relación.


Tomando como ejemplo el siguiente esquema tendríamos:

transformación esquema E/R

- Toda interrelación N:M se transforma en una relación. Y se propaga la clave de cada entidad a la que apunta. La clave primaria serán las dos claves primarias de las entidades que se asocian.


transformación esquema E/R


- Las relaciones de tipo 1:N hay que convertirlas con “propagación de clave”. La clave primaria de la entidad con cardinalidad 1 pasa a la tabla de la entidad cuya cardinalidad es N   (La entidad  a la que apunta la flecha en el esquema E/R).

Si las relaciones de cardinalidades máximas son distintas de 1 o n la regla para convertirla consiste en propagar tantas veces la clave de una entidad como cardinalidad haya en la otra entidad.
Esta  regla es útil si la cardinalidad es un número pequeño, o si  la cardinalidad máxima y la mínima son iguales, y garantiza evitar los valores nulos.


Para la relación Medico-Medico:
hospital en esquema E/R
Para la interrelación pertenece de Medico-Especialidad:

esquema relacional

Si las relaciones son del tipo 1:1, es un caso particular de una N:M o de una 1:N, pero no hay reglas fijas para la transformación de este tipo de relación. Se  fusionan en una sola entidad, se pueden incluir en el esquema relacional de diversas formas dependiendo de las cardinalidades de las entidades que participan en la misma. Los criterios para aplicar una u otra regla dependen de las cardinalidades mínimas, tratando de mantener la mayor cantidad de semántica posible y evitar los valores nulos.

- Para relaciones que asocian entidades con cardinalidades (0,1), la relación 1:1 se transforma en una relación, además de las dos relaciones que representan cada una de las entidades. Por ejemplo, si tenemos la asociación Matrimonio entre las entidades Hombre y Mujer, que se transforma en una relación, evitando así los valores nulos que aparecerían en caso de propagar la clave de la entidad Mujer a la tabla Hombre o viceversa, ya que como muestran las cardinalidades ni todos los hombres ni todas las mujeres se encuentran casados.

-Si una de las entidades de la relación tiene cardinalidades (0,1), y en la otra la cardinalidad es (1,1), conviene propagar la clave de la entidad con cardinalidades (1,1) a la tabla resultante de la entidad de cardinalidades (0,1). En la figura 2, tenemos una relación que contiene el médico que es responsable de una especialidad, suponiendo que un médico pueda ser como máximo de una especialidad y que cada especialidad debe tener un responsable –pero sólo uno -. En este caso propagamos la clave de Medico a la tabla de Especialidad, de este modo evitamos valores nulos, y captando más semántica – recogemos la cardinalidad mínima 1, que en caso de proceder con la propagación en sentido contrario no podríamos captar directamente-.
Como esto ya se ha hecho por la relación 1:N Pertenece, no hay cambios en el modelo.

 -En el caso de que ambas entidades tengan cardinalidades (1,1), podemos propagar la clave de cualquiera de ellas a la tabla resultante de la otra, pero hay que determinar si  los  accesos serán frecuentes o prioritarios a los datos de las tablas, si es así conviene propagar las dos claves. Sin embargo, esto introduce redundancias que deben ser controladas por medio de restricciones.

En resumen: en las relaciones 1:1 existen tres posibilidades: Si la cardinalidad es (0,1) en ambas entidades, se crea tabla. Mientras que si la cardinalidad de una es (0,1) y de la otra es (1,1) se suele pasar la clave primaria de (1,1) a la de (0,1). Si la cardinalidad de ambas es (1,1) se pasa la clave de cualquiera de ellas a la otra. 

esquema relacional



Para la interrelación responsable Medico-Especialidad

esquema relacional


clave esquema relacional

Las dependencias en existencia y en identificación no pertenecen al modelo relacional. En el ejemplo de la figura 2 vemos la manera de transformar  una dependencia en existencia  propagando la clave, para ello creamos una clave ajena, con nulos no permitidos, en la relación de la entidad dependiente, y tiene como característica la de obligar a una modificación y un borrado en cascada. Además si la dependencia es en identificación, la clave primaria de la relación de la entidad débil tiene que estar formada por la concatenación de las claves de las dos entidades participantes en la relación.

En cuanto a los tipos y subtipos, no son objetos que se puedan representar explícitamente en el modelo relacional estándar. Si tenemos una Entidad y sus subtipos son posibles varias soluciones de transformación en el modelo relacional, pero hay que tener en cuenta la subsiguiente pérdida de semántica dependiendo de la estrategia elegida.

Tenemos varias opciones:

Opción a: Englobar todos los atributos de entidad y sus subtipos en una sola relación, En general, adoptaremos esta solución cuando los subtipos se diferencien en muy pocos atributos y las relaciones que los asocian con el resto de entidades del esquema sean las mismas para todos los subtipos.

Por ejemplo podemos considerar mínima la diferencia entre un investigador y un traumatólogo desde el punto de vista de ser médicos de un hospital (figura 3). Debido a esto, la mejor solución para este caso sería la creación de una sola tabla que contenga todos los atributos del supertipo y de los subtipos, añadiendo un atributo adicional que le indique el tipo de médico que realiza –el atributo discriminante de la jerarquía-. Por otra parte se tendrán que especificar las restricciones semánticas correspondientes que obliguen a que los médicos que sean investigadores no puedan tener consulta (Que Consulta sea nulo).

Opción b: Crear una relación para el supertipo y tantas relaciones como subtipos haya, con sus atributos correspondientes. Ésta es la solución adecuada cuando existen muchos atributos distintos entre los subtipos, se quieren mantener de todas maneras los atributos comunes a todos ellos en una relación. Igual que en la opción anterior, habrá que crear las restricciones  oportunas.

Opción c: Considerar relaciones distintas para cada subtipo que contengan además atributos comunes. Elegiremos esta opción cuando se den las mismas condiciones que en el caso anterior (muchos atributos distintos) y los accesos realizados sobre los datos de los distintos subtipos afecten casi siempre a atributos comunes.

Podemos elegir una estrategia u otra dependiendo de si es la semántica o la eficiencia la que prima para el diseñador en un momento determinado.

esquema relacional

Ejemplo sencillo

Continuando con el ejemplo sencillo, el esquema E/R obtenido en el post anterior: El modelo E/R y el diagrama de estructura de datos era el siguiente:

ejemplo esquema E/R


Ahora lo pasaremos a un modelo relacional, teniendo en cuenta que teníamos pendiente una posible redundancia en una interrelación.

Paso1. Convertimos las entidades en relaciones:

Hospital (strId_HOS, Nombre, Direccion, Telefono)
Médico (strId_MED, Nombre, Especialidad)
Paciente (strId_PAC, Nombre, Direccion, Fecha Nac)
Sala (Nº de Camas, strId_SAL)

Paso 2. Convertimos las interrelaciones N:M

interrelaciones

Paso 3. Convertimos las relaciones 1:N
Propagamos las claves

propagación de claves




Paso 4. Consideramos el caso Especial 1:5 como si fuera un 1:N por lo que tenemos

caso especial propagación de claves


O considerando la regla 1:N cuando N es pequeño (en este caso 5) podríamos hacer

Sala (strId_SAL, Nº de Camas, strId_HOS, strId_PAC1, strId_PAC2, strId_PAC3 strId_PAC4, strId_PAC5)

En este caso concreto lo desestimaremos por dos motivos:

1º Por que debería ser variable entre 1 y 5 dependiendo del valor Nº de Camas

2º Por evitar dejar los campos a nulos

Finalmente la posible interrelación redundante no se elimina pues  solamente añade un campo al paciente con el cual podemos identificar en que sala se encuentra.

El modelo de Base de Datos quedaría del siguiente modo.

esquema relacional hospital










lunes, 13 de mayo de 2013

Análisis orientado a objetos (AOO) III. Caso práctivo de modelado CRC


Se trata de modelar un sistema de biblioteca con los siguientes requisitos:

Crear una aplicación para gestionar una biblioteca, la aplicación incluirá las búsquedas y préstamo de material bibliográfico, libros, revistas, documentos, etc.

Los socios podrán consultar el material bibliográfico.

Cada socio puede tener prestado un número máximo de elementos, 2 libros, 3 revistas y 4 documentos y cada tipo de material tiene un periodo de préstamo diferente. Libros 15 días, revistas 7 días, Documentos tres días.

Si se devuelve un elemento después de su fecha habrá una multa que también dependerá del tipo de objeto y de los días de demora.

Resolución

En nuestra búsqueda identificamos los nombres (Objetos) y los verbos (Responsabilidades)

Podemos crear la tarjeta CSocio que contendrá los datos del socio (nombre, dirección, teléfono, etc) con las responsabilidades de saber que elementos tiene prestados y por cuanto tiempo.

También parece obvia la tarjeta CMaterial que contendrá los datos del material (ISBN, Título, autor, etc ) y las responsabilidades de conocer las fechas de préstamo y devolución y la multa en caso de demora. Como estas responsabilidades dependerán del tipo de material se puede crear la tarjeta CLibro, CRevista y CDocumento como tarjetas hijas de CMaterial. Finalmente se puede crear un tarjeta que englobe todo CBiblioteca que tenga por funciones prestar y recibir material, visualizarlo, saber si está prestado o no.

El primer diagrama CRC podría ser de este estilo:

                      diagrama CRC

La clase CBiblioteca se conecta a la Base de Datos (esto puede requerir otra clase) para obtener y actualizar información relativa al material y a los préstamos. Dicha clase colabora con CSocio para obtener el material que presta o desea consultar el socio y con CMaterial para obtener la información relativa a este.

La clase CSocio contiene los datos del socio, del material que tiene prestado y las multas que se han aplicado al socio.

La clase CMaterial tiene información relativa a las fechas que presta el material y calcula las multas, de ella derivan tres clases específicas CLibro, CRevista y CDocumento que tienen la responsabilidad de calcular la multa correspondiente. Dicho cálculo es específico para cada tipo de material (polimorfismo), el resto de datos comunes se almacenan en la clase base CMaterial. Siguiendo estas tarjetas se valida y mejora el sistema de clases, creando nuevas clases responsabilidades y colaboraciones hasta llegar al diseño definitivo.

jueves, 9 de mayo de 2013

El modelo E/R y el diagrama de estructura de datos


El modelo E/R (Entidad/Relación)  se puede ver como una vista unificada de los datos, y adopta una organización más lógica de los datos consistente en Entidades y sus Relaciones.

Elementos del modelo E/R

El modelo de datos se compone de tres tipos de información relacionadas: el objeto de datos o Entidad, los atributos que describen la entidad y la relación que conecta las entidades entre sí.

Entidad

Una Entidad  es una representación de cualquier información que es procesada por el software.

Una entidad puede ser cualquier cosa que produce o consume información, una cosa (por  ejemplo, un informe o un teclado), un suceso (por ejemplo, una alarma), una unidad de la organización (por ejemplo, departamento de compras), o una estructura (por ejemplo, un archivo), una ocurrencia (por ejemplo, una salida del almacén), un puesto (por ejemplo, un operador de máquina).

Una persona, por ejemplo un paciente de un hospital se puede ver como una Entidad en el sentido en que se puede definir según un conjunto de atributos. La descripción de la entidad incorpora a la entidad todos sus atributos. (Nombre, DNI, domicilio, etc.)
Las entidades se relacionan con otras. Por ejemplo, un paciente puede tener una habitación, donde la relación tener implica una «conexión» específica entre paciente y habitación. Las relaciones siempre se definen por el contexto del problema que se está analizando.

Existen dos clases de entidades: regulares que son las que tienen una existencia por sí mismas, por ejemplo, Paciente, Hospital; y las débiles, en las que su existencia depende de otra entidad, por ejemplo, Familiar depende de Paciente, y la desaparición de los datos de un paciente de la BD lleva consigo el que desaparezcan también los datos de todos los familiares que estaban asociados al paciente.

En los esquemas se toma la convención de que las entidades regulares se representan mediante un rectángulo, mientras que para las débiles se utilizan dos rectángulos concéntricos.

Relación

Se denomina relación a la asociación entre entidades, y se representa mediante un rombo.

Las entidades se pueden conectar entre sí de muchas formas diferentes.  Por ejemplo dos entidades Tornillo y Almacén. Se establece una conexión entre tornillo y almacén porque los dos objetos se relacionan.  En función del contexto del software que se va construir. Podemos definir un conjunto de parejas entidad-relación que definen las relaciones relevantes. Por ejemplo:

Un almacén pide tornillos
Un almacén almacena tornillos
Un almacén vende tornillos
Un almacén devuelve tornillos

En la definición de relación existen los siguientes elementos:

Nombre: como cualquier objeto del modelo E/R, cada tipo de relación tiene un nombre que lo distingue unívocamente del resto y mediante el cual se referencia.

Grado: es el número de entidades que participan en una relación. Si una relación asocia dos tipos de entidad distintas (grado 2), como en el caso de la relación “Pertenece” entre Médico  y Especialidad. En el caso de que asocie sólo un tipo de entidad , se trata de una relación de grado 1 o reflexiva, esto sucede cuando por ejemplo si un médico es director de un departamento tenemos “director de” en la entidad Médico que al mismo tiempo uno de los médicos es director del resto.

Si encontramos una relación de grado n hay que tender a subdividirla en parejas de relaciones de grado 2 aunque dependiendo de la semántica del enunciado esto no siempre será posible y se deberá establecer una relación de grado 3, 4 o n.

Cardinales de las entidades: la cardinalidad se define como: El número máximo y mínimo de ocurrencias de un tipo de entidad que se pueden  relacionar con una ocurrencia del otro, u otros tipos de entidad que también participan en el tipo de relación.

Se representan gráficamente por una etiqueta del tipo (0,1), (1,1), (0,n) o (1,n) según corresponda. Por ejemplo, si a una especialidad pertenecen de 0 a n médicos, en la entidad Médico tendremos las cardinalidades (0,n); en otro sentido, también podemos suponer que un médico tiene que pertenecer obligatoriamente a una especialidad y como mucho a una (si no permitimos médicos con dos o más especialidades), por lo que las cardinalidades de Especialidad serán (1,1). Fig. 1

cardinalidad de las entidades


Si eliminamos la restricción y permitimos un médico con más de una especialidad en vez de (1,1) tendremos (1,n).

Tipo de correspondencia: es el número máximo de ocurrencias de cada tipo de entidad que pueden intervenir en una ocurrencia de relación que se está tratando. Se representa gráficamente como una etiqueta con 1:1, 1,N o N:M, según corresponda.

Si la correspondencia es N se dibuja una flecha hacia la entidad que tiene las N ocurrencias (Fig, 2), si es del tipo M:N se dibuja una flecha hacia cada entidad.(Fig. 3) 

tipo de correspondencia


Como se vio con las entidades, pueden ser regulares o débiles, en el caso de las relaciones si relacionan a dos entidades regulares será también regular, si una de las dos es débil, la relación también será débil. Dentro de las relaciones débiles aparece el concepto de Existencia cuando las ocurrencias de la entidad débil no pueden existir si desaparece la entidad regular de la que dependen.

Puede darse otro caso en el que una relación débil como la comentada anteriormente, no se puedan identificar las ocurrencias de la entidad débil de forma única a través de sus atributos propios lo cual obliga a añadir una clave perteneciente a la entidad regular (por ejemplo, si para identificar los ejemplares de un medicamento del almacén, utilizamos el código del producto y un contador, AAA01, AAA02 etc.) en ese caso lo llamamos dependencia de Identificación.

Una dependencia en la identificación es siempre una dependencia en existencia (pero no ocurre lo contrario).

Si la dependencia es en identificación, el rombo que representa la relación va etiquetado con “ID”, y con una “E” en caso de que la dependencia sea en existencia. Los datos sobre de los familiares de un paciente ingresado en un hospital sólo tienen sentido si dicho paciente permanece en la base de datos, aparece pues una dependencia en existencia.

Si las relaciones son exclusivas, se representa mediante un arco; como por ejemplo en la figura 3, en la cual se supone que si un médico es responsable de una especialidad no puede trabajar en otra especialidad.

relaciones exclusivas

Atributo

Cada propiedad o característica que tiene un tipo de entidad o un tipo de relación se llama Atributo. Los atributos toman los valores de un rango. Un atributo se representa gráficamente como un círculo u óvalo con su nombre.

Los atributos definen las propiedades de una entidad y se pueden usar para:

Nombrar una ocurrencia de la entidad
Describir la  ocurrencia,
Hacer referencias a otra ocurrencia en otra tabla.

Entre todos los atributos de una entidad hay que elegir uno o varios que identifiquen de forma unívoca cada una de las ocurrencias de dicha entidad. Este atributo o conjunto de atributos se llaman Atributo Identificador Principal (AIP), y lo representaremos por un círculo relleno.

Igual que las entidades, las relaciones también pueden tener atributos. Por ejemplo, la relación n:m Trabaja entre las entidades Médico y Odontología, tiene el atributo Función que especifica la función que tiene un médico en odontología, por ejemplo, ayudante. Fig, 4.

atributos

Generalización

Una necesidad habitual al modelar Bases de Datos es la descomposición de tipos de entidad en varios subtipos; en efecto, en el mundo real se identifican varias “jerarquías” de entidades. La relación que se establece entre un supertipo y sus subtipos corresponde a la noción de “Es-Un” (conocida por su s siglas inglesas “Is-a”) o más exactamente, “Es-un-tipo-de”.

Se representa utilizando un triángulo invertido, con la base paralela al rectángulo que representa el supertipo y se conecta a los subtipos como se muestra en la figura 5.  Las características de esta relación son las siguientes: cualquier ocurrencia de un subtipo es una ocurrencia del supertipo, aunque no sucede lo contrario, con lo que las cardinalidades serán siempre (1,1) en el supertipo y (0,1) o (1,1) en los subtipos.

Esta clase de relaciones tiene otra característica muy importante, es la herencia, pues todo atributo del supertipo pasa a ser un atributo de los subtipos; así, por ejemplo, se puede establecer una asociación de este tipo entre la entidad Médico y las entidades Investigador y Traumatólogo, en el sentido de que los investigadores y los traumatólogos “son” o “son tipos de” médicos, y, por tanto, heredarán todas las características de la entidad Médico (Código de personal, nombre, dirección, sueldo, etc.).
En las abstracciones de este tipo los atributos comunes a todos los subtipos (incluidos los identificadores) se asignan al supertipo, por otra parte los atributos específicos se deben asociar al subtipo que le corresponda. Además, las relaciones que afectan a todos los subtipos se asocian al supertipo, se asocian a los subtipos las relaciones específicas en las que participa el correspondiente subtipo –pero sólo dicho subtipo-; por ejemplo, en la figura 5 se considera que sólo los Traumatólogos están asociados a la entidad Paciente.

Fig. 5.


Generalización esquema E/R


Construcción de un esquema E/R

Se comienza por analizar la realidad  de lo que se desea plasmar en la base de datos, se analizan listados, pantallas, normativas, etc. 

Después se realiza un esquema, expresado en lenguaje natural, que nos facilite la creación de un esquema conceptual, por tanto es necesario “interpretar” las frases en el lenguaje natural en el que se ha descrito el esquema, luego las convertimos en elementos del modelo E/R, como pueden ser las entidades, atributos y las relaciones.

No existen reglas exactas que nos digan qué elemento va a ser una entidad o cual una relación, pero sí se pueden marcar unas normas generales y con un poco de buen criterio de diseñador, se puede elaborar un primer esquema conceptual:
           
-Un sustantivo (nombre común) que actúa como sujeto o complemento directo de una frase es, en general, una entidad, aunque también puede ser un atributo. Por ejemplo, en la frase “Los médicos atienden a pacientes”, existen dos posibles entidades: Médico y Paciente.

-Los nombres propios nos indican las ocurrencias de un tipo de entidad, Por ejemplo, “Félix” indica una ocurrencia de Paciente.

-Un verbo es una relación, en la frase anterior “atender” indica una relación entre las dos entidades, Médico y Paciente.

-Una preposición o una frase preposicional entre dos nombres suele ser un tipo de relación, o también puede establecer la asociación entre una entidad y sus atributos. Por ejemplo, al decir “la especialidad del médico”, estamos indicando la relación entre las entidades Especialidad y Médico, mientras que si decimos “la dirección del Médico”, estamos asociando el atributo Dirección a la entidad Médico.

preposiciones

Por tanto, simplemente basándonos en estos conceptos lingüísticos podemos generar un  esquema de conceptos preliminar.

Podemos construirlo desde un nivel alto de abstracción a uno bajo (descendente) o generar un esquema E/R en el papel y luego ir extendiéndolo y complicándolo (mancha de aceite).

Al finalizar el esquema, buscamos redundancias, ya que pueden derivar en problemas al implementar la base de datos. Es necesario buscar si existen atributos redundantes (los que se derivan de otros mediante algún cálculo, y que deben ser eliminados del esquema E/R, o bien etiquetados como redundantes), además hay que considerar la existencia de bucles en el diagrama E/R, ya que también pueden indicar la existencia de relaciones redundantes.


Como norma general, hay que tener en cuenta que la existencia de un bucle no implica la existencia de relaciones redundantes. Pero es necesario estudiar con mucho detenimiento las cardinalidades mínimas de las entidades y la semántica que aporten las relaciones. Si al eliminar una relación es siempre posible el paso en un sentido como en el inverso, entre las dos entidades unidas por la relación entonces existen relaciones redundantes.

Ejemplo sencillo

En la construcción de un sistema de información para el control hospitalario se revelaron los siguientes conceptos:

- Hospital: con los datos Nombre, Dirección y Teléfono

- Sala con los datos: número y cantidad de camas

- Médico, con los datos: Identidad, Nombre y Especialidad

- Paciente, con los datos: Identidad, Nombre, Dirección y Fecha de nacimiento.

Por otra parte, las relaciones reveladas entre dichos conceptos son:

-Cada hospital tiene varias salas. Todas y cada una de ellas pertenecen a un hospital (y sólo a uno).

-Cada médico trabaja en un único hospital, todo hospital tiene al menos 10 médicos.

-Un paciente puede estar internado; si lo está, estará en una sala y sólo en una.

-La capacidad máxima de camas que puede tener una sala es de cinco pacientes.

-Cada paciente puede ser atendido por más de un médico (pero por lo menos por uno) y a su vez un médico puede atender a varios pacientes.

1º Definimos las entidades, para ello ponemos en rojo y negrita los sustantivos y nombres.

Con lo que obtenemos los siguientes candidatos a Entidad: Hospital, Sala, Médico, Paciente, Cama

2º Definimos las candidatas a relaciones, marcando los verbos en azul e itálica.

3º Marcamos en verde subrayado las preposiciones para asignar los atributos o identificar nuevas relaciones

Por lo que tenemos posibles relaciones: Hospital tiene salas, Hospital tiene Médicos, Médico trabaja en Hospital, Paciente está internado, en sala.
Paciente atendido por médico.

Y los siguientes atributos:

Hospital: Nombre, Dirección, Teléfono.
Sala: Número, Cantidad de camas.
Médico: Identidad, Nombre, Especialidad
Paciente: Identidad, Nombre, Dirección, Fecha Nacimiento
Cama:

4º Con estos datos montamos un esquema preliminar

Esquema preliminar modelo E/R


5º Buscamos redundancias, en este caso hay dos evidentes, Médico y Paciente

Con lo que quitándolas queda del siguiente modo:

modelo E/R

6º Si el esquema es cíclico es posible que haya relaciones redundantes, En nuestro caso es posible que la relación ”Está Ingresado”  sea redundante con la Interrelación “Atiende”, pues todos los pacientes atendidos están ingresados. (Aunque esto no sea así en la realidad, pues en un hospital se atiende a pacientes externos e ingresados, nos ceñimos al enunciado original donde no dice que haya pacientes externos) En principio no vamos a quitar dicha relación, pero hay que ponerla en “Cuarentena”.

7º Buscamos las cardinalidades

Para la cardinalidad Hospital-Médico tenemos el enunciado
-Cada médico trabaja en un único hospital, todo hospital tiene al menos 10 médicos.
Con lo que tenemos:
diagrama E/R


Para la cardinalidad Hospital-Sala tenemos el enunciado:



-Cada hospital tiene varias salas. Todas y cada una de ellas pertenecen a un hospital (y sólo a uno).
diagrama de estructura de datos


Para la cardinalidad Paciente-Sala (aunque es posible que se elimine en el futuro) tendríamos:

-Un paciente puede estar internado; si lo está, estará en una sala y sólo en una.
 Además
-La capacidad máxima de camas que puede tener una sala es de cinco pacientes.

diagrama de estructura de datos E/R



Finalmente para la cardinalidad Médico-Paciente tenemos el enunciado:

-Cada paciente puede ser atendido por más de un médico (pero por lo menos por uno) y a su vez un médico puede atender a varios pacientes.
médico -atiende- paciente


Y colocando el tipo de correspondencia, tenemos el siguiente Esquema preliminar, (teniendo en cuenta que la relación “Está Ingresado” podría ser redundante, aunque de momento no se quitará)

diagrama E/R hospital







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