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Licence MPCIBase de Données

Rémi [email protected] https://pageperso.lis-lab.fr/~remi.eyraud/WP/?page_id=129

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Organisation de l'UE● Premier cours : lundi 14 janvier, 16h-18h● Mercredi 16/01 : Cours (13h45 – 15h45) ● Vendredi 18/01 : TD (8h – 10h) ● Lundi 21/01 : Cours-TD (16h – 18h) ● Mercredi 23/01 : DSDS (10h15 – 12h15)● Vendredi 25/01 : Cours (8h – 10h) ● Lundi 28/01 : TP (16h – 18h) ● Mercredi 30/01 : Cours (16h – 18h) ● Lundi 4/02 : TD (16h – 18h) ● Vendredi 8/02 : ?? (8h – 10h) ● Mercredi 13/02 : TP notéTP noté (10h15 – 16h) ● Vendredi 15/02 : Cours (8h – 10h) ● Lundi 25/02 : TD (16h – 18h) ● Mercredi 27/02 : TP (16h – 18h) ● Vendredi 1/03 : ?? (14h30 – 16h30) ● Mercredi 6/03 : ?? (16h – 18h) ● Mercredi 20/03 : Examen finalExamen final (13h45 – 15h45)

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Plan du cours de Base de Données

● Vaste introduction● Le modèle relationnel● Le langage SQL● Conception de BD● Bd & python

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Dans quel(s) domaine(s) trouve-t-on des bases de données ?

Introduction

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Qu'est-ce qu'une base de données ?

Introduction

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Exemples et contre-exemples

● Toute source de donnée● Un fichier texte● Un ensemble de fichiers textes● Un site internet quelconque● Le web dans son ensemble● Un répertoire de téléphone portable● L'ensemble des information utilisées par la SNCF

pour l'achat d'un billet de train.

Introduction

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Usagers des BD

● Il existe 3 catégories d'usagers des bases de données :– les usagers interactifs– les programmeurs d'applications– les administrateurs

Introduction

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Les usagers interactifs

● Une personne quelconque (ne sachant même pas qu'il utilise une BD).– Ex.: quelqu'un consultant des horaires de trains sur le

site de la SNCF● Une personne visualisant le contenu d'une base à

l'aide d'une interface graphique conviviale.

Usagers des Bases de Données

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Les programmeurs d'applications

● Construisent les interfaces destinées aux usagers interactifs.

● Sont spécialistes d'un langage de définition et d'interrogation de données (ex: SQL).

● Exemple : développeur web.

Introduction

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Les administrateurs

● Définissent (parfois) et maintiennent la base de données.

● Possèdent plus de droits sur la base.● 2 types :

– concepteur– administrateur

● Exemple : vous, à la fin de ce cours ☺

Introduction

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Types de Base de Données

● 3 types :– BD personnelles (10 à 100 Ko)– BD professionnelles (100 Ko à 1 To)– Très grande BD (de 1 To à 1 Po)– Très très très grande (plus de 1 Po)

● Exemples :– Répertoire téléphonique– Données clients d'une PME– SNCF (10 To en 2016)– Facebook ( > 100 Po, + 500 To par jour)

Introduction

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SGBD

Système de Gestion de Base de Données :● But : simplifier la tache des usagers (tout les types).● Rôle : aide au développement et à l'exploitation des BD● Caractéristiques :

– définition et programmation de BD– contrôle et sécurité de BD– optimisation des accès à la base

● fourni : le(s) langage(s) nécessaire(s) (déclaratifs ou procéduraux) à la manipulation des données (lecture & écriture).

Introduction

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SGBD (suite)

● Gestion des couches physiques ET logiques● Certains SGBD intègrent des outils connexes:

– générateurs (de rapport, d'applications, d'interface, etc.)– utilitaires (calcul de statistiques, ...)– interface web– outils de fouille de données

● Un administrateur doit parfaitement connaître le SGBD de sa base.

Introduction

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Bref historique

● 3 grandes phases :– La préhistoire (1950-1970)– La révolution (1970)– L'ère post-révolutionnaire

Historique

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Historique : la pré-préhistoire

● basée sur les fichiers● Chaque application définit et gère ses propres

fichiers, reliés par des pointeurs● Positif : premières idées● Négatif :

– structure du stockage visible dans le code (struct en C)– dépendance donnée/programme (portabilité nulle)– redondance des données (taille, maintenance, ...)– Pas de vrai SGBD

Historique

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Historique : la préhistoire (1965-1970)

● Approche navigationelle● Systèmes hiérarchiques et réseaux● A base de fichiers gérés par arborescence de

pointeurs● Positif : fin de la redondance, premier vrai SGBD● Négatif : mélange logique/physique, accès

procéduraux (programmation lourde), “one-record-at-a-time”

● Toujours utilisés (SGBD : IDS2, IMS2, PHOLAS)

Historique

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Historique : la révolution● Approche relationnelle● Premier SGBD relationnel en 1980● idée majeure : indépendance des données (séparation

application/implémentation)● Positif :

– simplicité des concepts de base– existence d'un cadre théorique simple– modèle de données (respect de l'intégrité)– approche déclarative de haut niveau (SQL)– SGBD performants (accès concurrents, optimisation,

pannes)– portabilité des bases et des applications

Historique

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Historique : la révolution (suite)

● Négatif :

– types de données prédéfinis (inadaptés aux données complexes)– modélisation conceptuelle pauvre– trop grande séparation données/opération (les procédures ne

font pas parties du modèle)– théorie relationnelle pas entièrement exploité (ex: contraintes

d'intégrité)– grand écart entre SQL et langages de programmation– pas adapté à la fouille● La plupart des bases actuelles sont relationnelles (SGBDR :

Oracle, PosgreSQL, SQLite, DB2, Informix, ...)

Historique

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Historique : la nouvelle génération● Approche post-relationnelle (Not Only SQL - NoSQL)● Pour des applications de + en + complexes● Plein de catégories :

– approche orientée objet– approche par documents semi-structurés (XML)– Données hétérogènes complexes (vidéos, images, sons, etc.)

● Permet une intégration des idées de l'intelligence artificielle (base de donnée déductives, Business Intelligence, data science)

● Pas autant utilisée que les SGBDR mais en progression constante.

Historique

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Plan de ce cours

● Introduction● Modélisation des données

– principes– différents niveaux– modèle entité-relation

● SGBD– objectifs– fonctionnalités– architectures

Modélisation des données

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● Principe premier : séparer description des données et manipulation par des programmes.

● description : spécification des structures des données et de leurs types.

● manipulation : opération d'interrogation, d'insertion, mise à jour, suppression.

● Réalisation : norme ANSI-SPARC.


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Décrire les données : définitions

● Données = ensembles reliés par des associations (= ensembles de liens).

Exemple : base de données cinématographique– Ensemble des films– Ensemble des acteurs– Association entre les films et les acteurs (ensemble de

liens film ↔ acteurs)

décrire les données c'est définir ces ensembles via leurs propriétés / leurs caractéristiques


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Décrire les données : définitions

● 4 grandes notions :

– Type de donnée : construction informatique spécifiant un ensemble de données via leurs caractéristiques et les opérations applicables.

– Instance : une donnée particulière appartenant à un type spécifié + identifiant. Créées par insertion dans la base

– Modèle de description : spécification d'un ensemble de types, parfois graphique.

– Schéma : mise en oeuvre du modèle de description à l'aide d'une Langage de Description de Données (LDD).

● LDD : souvent algébrique (SQL) ne nécessite pas d'exécution.


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Décrire les données : exemples● Le type Entier muni des opérations standards de

l'arithmétique est un type de donnée (élémentaire). 12 est une instance de ce type.

● Le type Film avec ses propriétés : titre, réalisateur, langues, acteurs, durée, année, etc. muni d'opérations internes comme traduire est un type composé.

● Le film (“Usual suspects”, “Bryan Singer”, [anglais, français], [“Byrne”, “Spacey”, “Del Toro”], 108, 1994) est une instance du type Film dont l'identifiant pourrait être le produit cartésien des valeurs de chaque propriété nommée.

● Le type générique Entité avec les propriétés p1, p2...pn et les opérations Créer, Afficher, Modifier, Supprimer.


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Les niveaux d'abstraction

● Selon l'ANSI-X3-SPARC, 3 niveaux spécifiant clairement le passage de la vision de chaque utilisateur à la représentation en machine.

● facilite la construction, la maintenance, l'évolution des BD

● Les SGBD actuels ont tendance à n'utiliser que 2 niveaux MAIS il est important de comprendre ces 3 niveaux lors de la phase de conception.


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Le niveau conceptuel(chapitre 2)

● Niveau le plus important, détaillé avant même la réalisation de la base.

● Il conditionne :

– la qualité de la base– les développements au sein du SGBD– la perception que les utilisateurs auront de la BD

● il correspond à l'explication et la description sémantique des concepts et des relations du domaine modélisé.

● Indépendant d'un SGBD, il reflète une réalité cohérente du domaine ET des acteurs du domaine.


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Le niveau conceptuel (suite)

Le schéma conceptuel d'une BD couvre (mini) :– La référence aux concepts élémentaires. Ex.: la durée

d'un film est un entier positif correspondant au nombre de minutes.

– La définition des types composés : regroupement des propriétés nommées d'un ensemble d'objets. Cet ensemble est soit un concept du monde modélisé, soit une association entre concepts. Ex.: à suivre

– Les règles que doivent respectées les données au cours de leur vie. Ex.: un Film doit obligatoirement avoir un titre, un acteur doit avoir joué dans au moins un Film, etc.


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Le niveau conceptuel (fin)

Ex. de définition de types composés et d'associations

Types d'objets :

FILM(titre, année, durée, nbPrix, réalisateur)

ACTEUR(nom, prénom, dateNaissance, photo)Type d'association :

CASTING(FILM, ACTEUR, personnage)

Note : toutes les relations ne sont pas explicités. Par exemple, deux acteurs peuvent être en relation parce qu'ils ont joué dans le même film.


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Le niveau interne(Cours de Master 1 Info)

● Niveau le plus proche de l'implémentation● Concerne la façon dont les données sont stockées.● La définition du schéma interne est donc

fortement lié au choix du SGBD.● Contenu :

– les fichiers contenant les données– les articles de ces fichiers (leur longueur, mode de

placement, etc.)– le mode d'accès à ces articles (pointeur/index, etc.)

● Dérive du schéma conceptuel.


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Le niveau externe(fin du cours, peut-être)

● Le niveau externe spécifie des vues différentes associée aux différents groupes d'utilisateurs.

● Eloigné du niveau interne, dépendant du niveau conceptuel.

● On définit donc 1 ou plusieurs schémas externes. Chaque schéma définit la manière dont un utilisateur perçoit la base dans ses applications.

● Il spécifie les droits d'accès.


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Le niveau externe

Exemples de schémas externes possibles pour le schéma conceptuel de filmographie


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Les trois niveaux (fin)● Les schémas externes dépendent fortement du

schéma conceptuel : impossibilité de définir certaines vues → le gros du travail (et des difficultés) est au niveau conceptuel.

● Figure générale de l'ANSI-SPARC :


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Le modèle entité-association

● But : réaliser un schéma conceptuel● Permet : description visuelle des entités (=types

d'objets) et de liens entre elles (= relations)● Notion principale : agrégation (= la construction

d'un objet complexe/composé à l'aide d'objets plus élémentaires).

● monde = distinction entre agrégations de données élémentaires (entités) et des liaisons entre ces entités (=relations)

● Entité = agrégation d'attributs (nommés et typés)


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Modèle entité-association : exemple

Spécifier un schéma conceptuel revient (presque) à fournir un modèle entité-relation et à le préciser par diverses informations.


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Objectif des SGBDs

● Nous avons vu le rôle des SGBD, nous verrons leurs principes permettant de mettre en oeuvre leurs objectifs.

● Ces principes dépendent fortement des trois niveaux d'abstraction : l'objectif principal est la gestion des données en respectant l'indépendance des programmes aux données, tant aux niveaux logiques que physique.

● Langages de haut niveau : quoi VS comment. S'adressent au niveau logique, stocké dans le dictionnaire des données.

SGBD

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Indépendance physique

● Si modification du schéma interne alors les programmes d'applications ne sont pas modifiés.

● Modifier les propriétés de stockage ne doit pas modifier le schéma conceptuel.

● Ex.: ajouter un index dans un fichier, fusionner deux fichiers, changer le codage des données, ...

● L'inverse n'est pas vrai.

SGBD

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Indépendance logique

● Le schéma conceptuel résulte d'une synthèse de la vision d'un ensemble (de groupes) d'usagers : les entités et leurs relations sont un consensus.

● Or, un groupe d'usagers doit pouvoir modifier son schéma externe sans modifier le schéma conceptuel.

● Avantages :

– chaque groupe voit les données comme il veut– un groupe peut faire évoluer sa visions sans en faire

pâtir les autres (pas toujours possible)● l'inverse (ajout d'attributs, d'entités, d'associations au

schéma conceptuel) doit aussi être (partiellement) possible.

SGBD

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Manipuler avec des langages non-procéduraux

● Un usagers voit les données indépendamment de leur implémentation machine.

● Manipulation des données (au moins consultations) affranchie du schéma interne.

● Le moyen d'accéder et de mettre à jour les données est le problème du SGBD.

● Langages de (très) haut niveau utilisés :– s'adresser à la base via entités, relations et propriétés. – Basés sur la logique du premier ordre et de l'algèbre.– plusieurs classes (suivant usagers).

SGBD

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Administration des données

● Vie d'une BD :

1 description (3 niveaux)

2 création

3 évolution

● Des outils d'administration des données doivent être disponibles.

● Ex: un administrateur doit pouvoir régulièrement contrôler les données, la résolution de conflit entre vues, etc.

SGBD

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Efficacité des accès

● Mesures :– débit (nombre de transactions types par seconde)– temps de réponse (temps moyen pour une requête type)

● Objectif des SGBD : être bons ☺ ● Les petites requêtes ne doivent pas attendre la fin

des grandes (cf cours de système d'exploitation).● Problème majeur : accès disque (10 ms).

Ex. de solution : tampons en mémoire vive.● Autre problème : les langages de haut niveau (cf

processus de compilation).

SGBD

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Cohérence des données

● Respect des propriétés élémentaires.

Ex.: la durée d'un film est positive.● La modification (ou sa suppression) d'une donnée

mène à reconsidérer d'autres données.

Ex: enlever un acteur de la base implique enlever les données de type Casting associées.

● Un SGBD doit veiller à cette cohérence, mise en oeuvre à l'aide de contraintes d'intégrité (et de triggers si ils existent).

SGBD

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Partage et sécurité

● Les données sont accessibles simultanément par plusieurs usagers, de manière transparente (cf SE)

● Transaction : programme consultant ou modifiant une base dont l'exécution est indivisible.

Ex.: réservation d'un billet de train– 2 transactions concurrentes ne doivent pas être

emmêlées (cohérence, mais pas toujours possible).

– Sécurité :● restauration à l'identique après une panne (une

transaction est soit pas exécutée, soit exécutée).● gestion des droits d'accès.

SGBD

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Fonctionnalités des SGBD

● Pour atteindre les objectifs précédents, les SGBD intègrent de nombreuses fonctionnalités.

● Ce qui suit ne représente que des exemples simples (liste non-exhaustive).


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Description des données(chapitre 4)

● Réservée aux administrateurs● Le SGBD a un langage pour décrire les données aux 3 niveaux

(de + en + souvent graphique).● Les 3 niveaux peuvent être partiellement référencés dans le

dictionnaire des données, avec le mode de passage d'un niveau à l'autre.

● Exemple en SQL :

CREATE TABLE Film (titre TEXT, annee DATE, duree INTEGER, nbPrix INTEGER, realisateur VARCHAR);

● A chaque instructions est associée des contrôles d'intégrité. Ex.: il ne doit pas déjà exister de table nommée Film.


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Interrogation de données(dès le premier TP, chapitre 3)

● fonctionnalité majeure● langage assertionnelle (dans SGBD) pour retrouver

des données par leur contenu, en fonction du schéma conceptuel, à condition d'être disponibles dans le schéma externe en question.

● SQL se base sur la notion de qualification (= une expression logique de critères simples, cf cours de logique). Les données sont alors comparables (entre elles, avec une valeur donnée, ...)

● Une autre fonctionnalité : la navigation dans les descriptions (parcours d'association)


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Interrogation de données : exemples

Sélection des titres de films ayant été tournés après 2007:

SELECT titre

FROM Film

WHERE annee > DATE('2007');

Sélection du nombre de prix de chaque film, indiqué par son titre, dont ce titre contient le mot “Hunger”:

SELECT titre, nbPrix

FROM Film

WHERE titre LIKE '%Hunger%';


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Ajout et mise à jour

● Un SGBD doit permettre l'ajout, la modification et la suppression de données en maintenant la cohérence.

● La modification est souvent précédée d'une interrogation de la base.

● Lors d'une suppression, des conséquences en cascade peuvent intervenir : le SGBD doit permettre de spécifier le comportement du modèle dans de tel cas.


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Ajout et mise à jour : exemples Modification de la description d'une entité

ALTER TABLE Acteur ADD (initiales VARCHAR);

Ajout d'un Film

INSERT INTO Film ('The big short', '2015', 131, 0, 'McKay');

Ajout des initiales pour chaque acteur (modification de données)

UPDATE TABLE Acteur

SET initiales=FIRST(nom) + '.' + FIRST(prenom) + '.';

Suppression de données

DELETE FROM Casting WHERE personnage='Popeye';


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Gestion de l'intégrité

● Un SGBD maintient la cohérence de la base à condition que les règles de cohérence soient explicitées :

1 chaque instance d'entité est muni d'un identifiant unique (contrainte de clé primaire)

2 Une relation associe deux entités (contrainte référentielle)

3 les valeurs des attributs d'entités doivent appartenir à un type donné (contrainte de domaine).

● D'autres contraintes existent.


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Architectures principales

● Pour atteindre ces objectifs, plusieurs existent.● Celle de l'ANSI-SPARC est une architecture

idéale.● Actuellement les SGBD ont presque tous une

architecture client/serveur (exception : SQLite)

Architectures principales

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Quelques repères bibliographiques

● La “bible” francophone : Bases de données, Georges Gardarin, éditions Eyrolles.

● Le site web de l'auteur :

http://georges.gardarin.free.fr/Cours_Total/IndexTotal.html ● Anglophone : “RDB: A Comprehensive Guide”, Ken

England, Lilian Hobbs, Ian Smith.● Plein de sites web “tutoriels”. Exemple :

https://youtu.be/jReDVnyCNdQ?list=PLB9AbbTDeBzT9JN8-Ow669spvEN8DKAwp

licence mpci base de données - lis-lab.frremi.eyraud/bd/bd_cours_1_mpci_etudiant… · le modèle...

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