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Proyecto de n de Carrera Ingeniería en Informática Curso 2009/10 Herramienta para el aprendizaje del álgebra relacional y optimización de consultas Roberto Yus Peirote Director: Sergio Ilarri Artigas Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas Centro Politécnico Superior Universidad de Zaragoza Junio de 2010 Herramienta para el aprendizaje del álgebra relacional y optimización de consultas RESUMEN Cada día nos encontramos con actividades que requieren algún tipo de interacción con bases de datos. Por ejemplo, si acudimos al banco a sacar o ingresar dinero, si compramos unos billetes de tren, o si reservamos una habitación de un hotel, estamos interaccionando con distintas aplicaciones de bases de datos. Todas estas interacciones se traducen en consultas a diferentes sistemas gestores de bases de datos. La necesidad de realizar estas consultas de la forma más ecaz y eciente posible hace que el estudio de las bases en las que se asientan sea muy importante. Debido a que la mayoría de las bases de datos responden al modelo relacional, entender el álgebra relacional es imprescindible para consultar a dichas bases de datos. Con este proyecto se ha desarrollado una aplicación gráca que pretende sobre todo ser una herramienta para ayudar en el aprendizaje del álgebra relacional y la optimización de consultas. La aplicación desarrollada permite introducir expresiones en álgebra relacional de forma intuitiva, así como árboles de expresiones en álgebra relacional. De esta forma se permite al estudiante aprender a familiarizarse con este proceso. También se encuentra entre sus funcionalidades la introducción de relaciones de ejemplo, ya sea desde la propia aplicación o a través de cheros externos o incluso desde bases de datos externas. Denir las relaciones con las que va a trabajar ayuda al usuario a comprender de una forma más clara los pasos que va realizando. Una vez denidas las consultas, la aplicación puede ejecutarlas de forma automática o paso a paso tanto en la propia aplicación como en un sistema gestor de bases de datos externo. Además, se permite al usuario realizar la optimización de las consultas introducidas de forma automática o paso a paso aplicando tanto las reglas de transformación del álgebra relacional como las estadísticas de las relaciones, permitiendo al usuario comprender estos procesos por medio de explicaciones. Por último, se permite traducir las expresiones en álgebra relacional a SQL puesto que es el lenguaje estándar de consulta en los sistemas gestores de bases de datos actuales y así el alumno puede observar la relación existente entre ambos lenguajes. Para el desarrollo de la aplicación se ha utilizado el lenguaje Java, y se ha dividido en dos partes. En la primera se ha creado el entorno gráco de la herramienta y en la segunda parte se han implementado las funcionalidades principales de la aplicación así como los mecanismos de detección de errores. Como balance general del proyecto, se ha implementado una herramienta que cumple con todos los requisitos marcados inicialmente, que se traducen en: lograr una herramienta útil, potente, intuitiva y versátil para el aprendizaje del álgebra relacional y la optimización de consultas. i Agradecimientos Quiero agradecer a mis padres Carmen y Antonio, a mi hermana María y al resto de mi familia la compresión y el afecto que me han demostrado a lo largo de todos estos años y en especial los últimos años de la carrera ya que con su apoyo he podido continuar adelante. Un ciclo de mi vida está a punto de terminar y sé que siempre contaré con ellos para el ciclo que empieza ahora. También quiero agradecer a mis amigos de carrera con los que he compartido muchos momentos a lo largo de estos años y que se han convertido en mi segunda familia. Creo muy sinceramente que las amistades forjadas perdurarán a lo largo de los años y eso me reconforta. Y, por supuesto, quiero agradecer a Sergio la posibilidad de nalizar mis estudios trabajando en un aspecto tan interesante como este y también su ayuda y colaboración a lo largo de todo el proyecto. iii Índice general 1. Introducción 1 1.1. Motivación................................. 1 1.2. Objetivoyalcance ............................ 2 1.3. Contenido de la memoria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4. Marco temporal del proyecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2. Contexto Tecnológico 7 2.1. El modelo relacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2. El álgebra relacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.2.1. Operaciones Fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2.2. Construcción de expresiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.3. Operadores adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3. Optimización de consultas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.4. Java .................................... 12 2.5. Softwaredeapoyo............................. 13 3. Estado del arte 15 3.1. Análisis de requerimientos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3.2. Herramientas actuales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3.2.1. Relational............................. 16 3.2.2. LEAP ............................... 17 3.2.3. WinRDBI............................. 17 3.2.4. RelationalQuery.......................... 18 3.2.5. Comparativa ........................... 19 v 4. Desarrollo de la herramienta 23 4.1. Análisis de requisitos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 4.2. Arquitectura propuesta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.3. Prototipado................................ 26 4.4. Implementación.............................. 26 4.5. Errores y problemas encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 5. Conclusiones 31 5.1. Conclusiones generales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 5.2. Posibilidad de mejoras y trabajo futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 5.3. Conclusión personal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 A. Manual de usuario 37 A.1.Introducción................................ 37 A.2. Perspectiva general de la aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 A.3. Guia rápida de instalación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 A.4.Tutorialcompleto............................. 38 A.4.1.Menúprincipal .......................... 39 A.4.2. Barra de herramientas general . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 A.4.3. Ventana de relaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 A.4.4. Ventana de relación seleccionada . . . . . . . . . . . . . . . . 53 A.4.5. Ventana de expresiones en álgebra relacional . . . . . . . . . . 57 A.4.6. Ejecución de consultas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 A.5. Optimización de consultas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 A.6.TraducciónaSQL............................. 70 A.7. Conguración de la aplicación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 B. Conceptos del álgebra relacional 77 B.1.Elmodelorelacional ........................... 77 B.2. El álgebra relacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 B.2.1. Operaciones Fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 B.2.2. Construcción de expresiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 vi B.2.3. Operadores adicionales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 B.3. Optimización de consultas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 B.3.1.Selección ............................. 90 B.3.2.Proyección............................. 91 B.3.3.Renombre............................. 92 B.3.4. Otras operaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 C. Análisis y diseño de la aplicación 95 C.1. Especicación de Requisitos Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 C.1.1.Introducción............................ 95 C.1.2. Descripción general . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 C.1.3. Requerimientos especícos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 C.2.Diagramadeclases............................100 C.3. Casos de uso y trazas de eventos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 C.4. Módulos del sistema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 C.4.1. Módulo de interfaz gráca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 C.4.2. Módulo de álgebra relacional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 C.4.3. Módulo de manejo de cheros . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 C.4.4. Módulo de manejo de base de datos externa . . . . . . . . . . 110 C.4.5. Comunicación entre módulos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 C.5. Prototipado de la ventana principal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 D. Ejemplos de uso 117 D.1. Introducción de relaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 D.2. Introducción de tuplas para una relación . . . . . . . . . . . . . . . . 119 D.3. Creación de una consulta en álgebra relacional . . . . . . . . . . . . . 124 D.4. Ejecución de una consulta en la base de datos externa . . . . . . . . . 128 D.5. Optimización de una consulta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 vii xiv Capítulo 1 Introducción El presente documento representa la memoria de trabajo del proyecto de nal de carrera  Herramienta para el aprendizaje del álgebra relacional y optimización de consultas , realizado por el alumno Roberto Yus Peirote y dirigido por Sergio Ilarri Artigas. Se ha desarrollado dentro del marco del Departamento de Informática e Ingeniería de Sistemas del Centro Politécnico Superior de la Universidad de Zaragoza. En este proyecto se ha desarrollado una herramienta gráca que permite denir expresiones en álgebra relacional o árboles de expresiones en álgebra relacional y posteriormente ejecutar dichas consultas sobre relaciones de ejemplo extraídas de cheros externos, bases de datos externas o introducidas por el usuario en la propia aplicación. También se permite realizar la optimización de estas consultas así como la traducción de las consultas en álgebra relacional a SQL. La herramienta tiene principalmente una nalidad educativa, e incluye en consecuencia modos de ejecución u optimización paso a paso, detección de errores, etc. 1.1. Motivación En la sociedad actual, las bases de datos están presentes en muchas de nuestras actividades diarias. Desde la compra de entradas o billetes, al ingreso u extracción bancaria o incluso la consulta de paginas web, a lo largo de cada jornada consultamos bases de datos de muchas formas. Dado que a día de hoy todavía no hay herramientas serias para consultar a bases de datos en lenguaje natural, es necesario que estas consultas se realicen en un lenguaje comprensible por los sistemas gestores de bases de datos. El lenguaje estándar para esto es SQL ( Structured Query Language ), pero antes de aprender a realizar consultas en este lenguaje es necesario comprender las bases en las que se asienta. Por ello, el estudio y la comprensión del álgebra relacional y sus principios son un aspecto muy importante en la formación en bases de datos de los alumnos de Ingeniería en Informática. 1 El plan actual de Ingeniería en Informática de la Universidad de Zaragoza sólo contempla una asignatura obligatoria de bases de datos: Ficheros y Bases de datos . Y el próximo plan de estudios con la aparición de los grados también tiene una sola asignatura obligatoria de bases de datos: Bases de datos. Por lo tanto, y dado que los alumnos que no amplíen sus conocimientos en la materia cursando optativas solamente van a dedicar un cuatrimestre al estudio de las bases de datos, es importante que puedan disponer de herramientas para simplicar dicho estudio y practicar (en este caso la construcción de consultas en álgebra relacional) de la forma mas ecaz posible. Existen multitud de libros e información acerca de la construcción de consultas en álgebra relacional y de su optimización, pero debido a su componente matemático, la forma mas ilustrativa para su aprendizaje son los ejemplos. Esta herramienta pretende servir al alumno para realizar su aprendizaje en función a relaciones dadas o a relaciones introducidas por él (por lo tanto más familiares). 1.2. Objetivo y alcance El objetivo del proyecto es desarrollar una herramienta que permitiera: Denir y manipular expresiones en álgebra relacional y árboles de expresiones en álgebra relacional a través de un interfaz gráco fácil de usar, de tal forma que el usuario pueda comprobar la corrección de las mismas, así como obtener el árbol asociado a la expresión que introduzca y viceversa. Interpretar las expresiones en álgebra relacional permitiendo la evaluación de las mismas sobre relaciones de ejemplo ayudando al usuario a entender el proceso. Además, esta ejecución puede realizarse de forma local (a través de la propia aplicación) así como remota (a través de la conexión a un gestor de bases de datos externo). El usuario podrá también ejecutar las consultas paso a paso para una mejor comprensión del proceso. Traducir las expresiones en álgebra relacional a SQL de tal forma que el usuario pueda entender la relación entre ambos lenguajes y ejecutar sus consultas posteriormente en cualquier sistema gestor de bases de datos relacionales. Optimizar las consultas introducidas por el usuario aplicando las propiedades de las operaciones del álgebra relacional, así como datos estadísticos de las relaciones involucradas. Esta optimización se realizará de forma automática o interactiva mostrándose en este último caso los pasos seguidos. Denir relaciones de ejemplo e introducir datos para esas relaciones (ya sea de forma manual o automática) que ayuden al usuario en la comprensión del álgebra relacional. 2 Esta herramienta tiene carácter docente lo que implica que todas sus funcionalidades están pensadas para facilitar la compresión del álgebra relacional. 1.3. Contenido de la memoria La división de la memoria contempla los siguientes apartados: Capítulo 1, introducción a la problemática abordada y los objetivos marcados. Capítulo 2, descripción de la tecnología empleada en el desarrollo del proyecto. Capítulo 3, análisis de las herramientas existentes relacionadas con el proyecto. Capítulo 4, descripción del proceso de desarrollo de la herramienta. Capítulo 5, resumen de los resultados del proyecto, conclusiones del autor y las posibles aportaciones de este PFC a líneas futuras de trabajo. Además se incluyen los siguientes anexos: Anexo A - manual de usuario de la herramienta. Anexo B - estudio del contexto del proyecto. Anexo C - análisis y diseño de la aplicación. Anexo D - ejemplos de uso. 1.4. Marco temporal del proyecto En el diagrama de la Figura 1.1 se resume el desarrollo temporal del proyecto. También se incluye en la tabla 1.1 un resumen de las horas que han sido necesarias para completar cada una de las partes del proyecto. 3 Figura 1.1: Diagrama de Gantt de desarrollo de Proyecto 4 Tiempo dedicado por tarea Tarea Tiempo Estudio Previo 20h Análisis y Diseño 35h Implementación 395h Pruebas 45h Documentación 110h Total 605h Tabla 1.1: Resumen temporal 5 6 Capítulo 2 Contexto Tecnológico En este capítulo se detallan las diferentes tecnologías que fueron utilizadas en el desarrollo del presente PFC. En primer lugar se explican algunos conceptos referentes al modelo relacional, necesarios para entender el contenido de proyecto (estos conceptos están explicados de una forma más extensa en el Anexo B). A continuación se introduce brevemente el lenguaje utilizado para la implementación de la aplicación así como el software utilizado durante otras fases del desarrollo del proyecto. 2.1. El modelo relacional Para ser capaces de comprender con exactitud el álgebra relacional es necesario realizar un repaso acerca de modelo relacional. Antes de denir una relación necesitamos denir en primer lugar otros dos términos, dominio y atributo. Cada atributo de una relación se caracteriza por un nombre y por un dominio. El dominio indica qué valores pueden ser asumidos por una columna de la relación. A menudo un dominio se dene a través de la declaración de un tipo para el atributo (por ejemplo diciendo que es una cadena de diez caracteres), pero también es posible denir dominios más complejos y precisos. 2.2. El álgebra relacional El álgebra relacional es un lenguaje procedural de consulta y está formado por cinco operaciones fundamentales. Estas operaciones son la proyección, selección, producto cartesiano, unión y diferencia. Toda consulta puede ser generada con esas cinco operaciones, pero se incluyen además una serie de operaciones adicionales que simplican la denición de consultas usuales. Estas operaciones adicionales incluyen la intersección, el natural join, outer joins y la división. El operador de renombre 7 algunas veces es incluido como operación auxiliar aunque podría considerarse una operación fundamental. Todas los operadores del álgebra relacional utilizan como operandos relaciones. Además, estos operadores producen como resultado una nueva relación. Los operadores pueden unirse para expresar consultas más complejas. Para las operaciones del álgebra relacional, una relación es vista como un conjunto de tuplas. Estas operaciones del álgebra relacional son pues las operaciones utilizadas en la teoría de conjuntos con algunos operadores adicionales. 2.2.1. Operaciones Fundamentales A continuación se explicarán las operaciones fundamentales del álgebra relacional. Proyección La proyección es una operación unaria que se denota por la letra griega pi ( p ). De una forma intuitiva podemos denir la proyección sobre una relación como la misma relación omitiendo algunas columnas. Deniendo la operación de una forma más formal, la operación de proyección copia la relación que utiliza como argumento dejando algunas columnas atrás. Las columnas que queremos conservar se pasan a la operación como una lista de atributos. Selección La selección es una operación unaria que selecciona las tuplas que satisfacen un predicado dado. Al igual que la proyección selecciona solamente un subconjunto de atributos, la selección selecciona un subconjunto de tuplas. Esta operación se denota por la letra minúscula griega sigma ( sv ). La relación pasada como argumento se expresa entre paréntesis y la condición de selección se anota al lado del operador. Producto Cartesiano El producto cartesiano genera como resultado una relación cuyas tuplas son formadas combinando cada posible par de tuplas: siendo uno de ellos de la relación R y el otro de la relación S. Si hay n 1 tuplas en R y n 2 tuplas en S , entonces hay n 1 n 2 tuplas en la relación resultante de aplicarles el producto cartesiano. 8 Unión La operación binaria de unión se denota, al igual que en teoría de conjuntos, por ∪ . La unión se utiliza para unir el contenido de sus argumentos, sin embargo, la unión del modelo relacional no es tan general como la unión del modelo matemático ya que la del modelo relacional solamente une relaciones compatibles. Diferencia La última de las operaciones fundamentales del álgebra relacional es la diferencia. Esta operación se denota con el símbolo = . Para poder aplicar este operador, las dos relaciones tienen que ser compatibles. El resultado de la expresión R = S, es una relación obtenida al incluir todas las tuplas de R que no aparecen en S. Renombre Como se ha mencionado anteriormente, la operación de renombre se omite algunas veces de la lista de operaciones fundamentales o, en ocasiones, se clasica como una operación auxiliar. La operación de renombre, denotada por la letra minúscula griega rho ( r ), es una operación unaria. El resultado de aplicar el operador de renombre a una relación es una relación idéntica a la original excepto por el hecho de que los atributos tienen nuevos nombres. 2.2.2. Construcción de expresiones Los cinco operadores fundamentales dan al álgebra relacional el poder para formular consultas complejas. El álgebra relacional es denida por las siguientes reglas: 1. Si R es una relación, entonces es una expresión algebraica. 2. Si E1 y E2 son expresiones algebraicas, entonces también lo son E1 ∪ E2 , E1  E2 y E1 Ö E2 . Para poder aplicar la unión y la diferencia, E1 y E2 deben ser compatibles. 3. Si E es una expresión algebraica, entonces también lo son p L (E) , sv P (E) , r S (E) , siendo L una lista de nombres de atributos contenidos en el esquema de E , P un predicado con los atributos de E y S una lista de nuevos nombres. 4. Si E es una expresión, también lo es ( E ). 9 es esencial que las consultas que introduzca el usuario se ejecuten y muestren resultados. Sería una gran limitación que solo se pudieran ejecutar estas consultas sobre SGBDs externos a la aplicación puesto que limitaría mucho su uso, por lo tanto también consideramos esencial la posibilidad de ejecutar las consultas sobre la propia herramienta. 5. Traducción álgebra relacional - SQL . Puesto que SQL es utilizado en la actualidad como lenguaje estándar de consulta, pensamos que sería de gran ayuda para el alumno la posibilidad de traducir sus consultas a este lenguaje y poder observar la relación existente entre ambos. 6. Disponibilidad de interfaz gráca . El objetivo principal de la herramienta es que el alumno realice la labor de aprendizaje del álgebra relacional de una forma fácil e interactiva. Por lo tanto es necesario que la aplicación disponga de una buena interfaz gráca. Estos requerimientos se analizarán ahora para cada una de las herramientas con objeto de compararlas de una manera rigurosa. 3.2. Herramientas actuales El álgebra relacional en la actualidad es utilizada en la mayor parte de los casos en entornos formativos. Por esto mismo no existen muchas herramientas en el mercado que la utilicen, y las que podemos encontrar se tratan en su mayoría de proyectos educativos que han sido desarrollados centrándose solamente en las funcionalidades que necesitan en dicho entorno. A continuación vamos a explicar brevemente algunas de ellas para, posteriormente, hacer una comparativa con la herramienta desarrollada en este proyecto. 3.2.1. Relational Desarrollada como herramienta educativa en la Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali dell'Ateneo di Catania , Relational [14] dispone de una interfaz grá- ca que permite cargar/guardar relaciones, ejecutar consultas sobre ellas y mostrar los resultados. Está desarrollada en Phyton y tiene una Licencia Publica General de GNU (GNU General Public License). Permite la optimización de consultas simples pero no la realiza en función de estadísticas provenientes de las relaciones. No permite la traducción entre álgebra relacional y SQL ni tampoco la obtención o denición de árboles de expresiones en álgebra relacional. Está disponible para Windows, MacOS y Debian (cada sistema operativo necesita un instalador). No se adjunta demasiada documentación y la ayuda al usuario es bastante pobre, lo que hace complicado el uso. En la Figura 3.1 se puede ver un ejemplo de esta herramienta. 16 Figura 3.1: Aplicación Relational 3.2.2. LEAP LEAP [15] se trata de una herramienta orientada a la educación desarrollada como proyecto n de carrera en la Oxford Brookes University . Está desarrollada en C y tiene una Licencia Publica General de GNU (GNU General Public License). Se distribuye el código fuente y es necesario compilarlo lo cual puede representar algún problema. No tiene interfaz gráca y se basa en el paso de comandos, el uso es difícil y cuesta identicar los resultados obtenidos. Además, presenta pocas ayudas para el usuario y no permite la optimización de consultas. Permite la obtención de árboles de expresiones en álgebra relacional, pero al carecer de interfaz gráca son mostrados en modo texto, resultando confusos si las consultas son complejas. La documentación adjunta es bastante completa, lo cual es un punto muy favorable. La última versión de la herramienta data de 2005 y el proyecto parece estar abandonado. 3.2.3. WinRDBI WinRDBI [16] es una herramienta educacional desarrollada en la Arizona State University. Su primera versión fue implementada en Quintus Prolog, pero posteriormente se pasó a Java con objeto de crear una interfaz gráca amigable. Para poder descargar esta aplicación debe registrarse en su web para la obtención de una 17 autorización de descarga. Tiene interfaz gráca que permite cargar/guardar relaciones, cargar/guardar consultas y, en comparación con las demás aplicaciones, la interfaz gráca es muy completa y simplica el uso. No dispone de ayudas para la introducción de las consultas. Permite la carga de relaciones a través de diferentes formatos de archivo. No permite la optimización de consultas. La documentación es muy completa y bien redactada. Trae algunos ejemplos incluyendo una base de datos y consultas. Dispone de instalador y al haber sido desarrollada en Java es multiplataforma. Se puede observar una captura de la aplicación en la Figura 3.2. Figura 3.2: Aplicación WinRDBI 3.2.4. RelationalQuery Desarrollada en la Universidad de Sevilla , RelationalQuery [17] es una herramienta educativa que posee una interfaz gráca que permite almacenar/recuperar consultas y elegir el lenguaje en el que se va a trabajar (álgebra relacional, TRC o SQL). Permite la realización de consultas sobre una base de datos SQL (trae incorporado un driver JDBC para Oracle[4] aunque pueden utilizarse otros drivers). Básicamente se trata de un traductor de consultas entre diferentes lenguajes. Es multiplataforma 18 al ser desarrollada en Java. Actualmente el proyecto está abandonado. Puede verse la interfaz de la herramienta en la Figura 3.3. Figura 3.3: Aplicación RelationalQuery 3.2.5. Comparativa Del estudio de las herramientas actuales se obtuvo bastante información interesante sobre los puntos fuertes y débiles de cada aplicación. Esta información fue trasladada al desarrollo de nuestra herramienta. Así pues, estamos en disposición de comparar los aspectos que se han tratado en la denición de los requerimientos, así como otros que se consideran deseables para una aplicación de este tipo, entre las herramientas estudiadas y la herramienta desarrollada en este proyecto. En las tablas de la Figura 3.4 se puede observar un resumen de dicha comparación. Es necesario explicar los resultados de las tablas, ya que es difícil representar grácamente toda la información y el grado de cumplimiento de cada característica puede ser diferente en cada una de las aplicaciones. En primer lugar, se consideró un punto fundamental del proyecto que la herramienta contara con una interfaz gráca intuitiva y que ayudara al usuario en todo lo posible. Este punto es cumplido por casi todas las herramientas, exceptuando a LEAP , pero la interfaz de herramientas como la de este proyecto o la de WinRDBI resulta mucho más atractiva y fácil de utilizar que el resto. Entrando en las funcionalidades, todas las herramientas permiten la introducción de expresiones en álgebra relacional, si bien es cierto que los operadores deben ser introducidos en forma textual en todas menos en la nuestra aplicación y en Relational . La introducción de los operadores en modo textual diculta la lectura de las relaciones y puede confundir al usuario que esté aprendiendo el álgebra relacional. 19 Figura 3.4: Tabla comparativa entre las herramientas 20 Otra de las funcionalidades importantes es la introducción y manipulación de árboles de expresiones en álgebra relacional. Solamente nuestra aplicación y LEAP permiten este aspecto, pero LEAP , al no disponer de interfaz gráca, hace que la lectura de los mismos sea difícil y no se parezcan mucho a los árboles que los usuarios realizan en papel. También hay que decir que no es posible modicar los árboles en LEAP como ocurre en nuestra aplicación. Las únicas aplicaciones que permiten la optimización de consultas son Relational y nuestra herramienta. Relational optimiza automáticamente consultas simples sin tener en cuenta las estadísticas de las relaciones. Nuestra aplicación sin embargo permite la optimización automática así como la interactiva, y tiene en cuenta estas estadísticas. A la hora de denir las relaciones con las que el usuario va a trabajar, todas las herramientas permiten la obtención de los datos desde cheros externos, pero el acceso a gestores de bases de datos externos solamente es posible en nuestra aplicación. Tampoco es posible la denición de relaciones o tuplas a través de la interfaz en todas las herramientas, Relational , WinRDBI y nuestra aplicación son las únicas que disponen de esta funcionalidad. 21 22 Capítulo 4 Desarrollo de la herramienta Como se ha explicado en la sección 1.2, el principal objetivo del proyecto es diseñar una herramienta gráca que permita al usuario: Denir y manipular expresiones en álgebra relacional y árboles de expresiones en álgebra relacional. Interpretar dichas expresiones permitiendo la ejecución de las mismas sobre relaciones. Traducir las expresiones en álgebra relacional a SQL. Optimizar las consultas de manera automática y guiada. Denir relaciones de ejemplo e introducir datos en dichas relaciones. A la vista de estos objetivos y aplicando la metodología para el desarrollo software aprendida durante la carrera, se realiza el análisis de requisitos, diseño de la arquitectura del sistema, prototipado e implementación del mismo. En este capitulo se hace un resumen de las etapas seguidas, que son explicadas con más detalle en el Anexo C. 4.1. Análisis de requisitos Después del estudio de las herramientas actuales y la naturaleza del problema se procedió a realizar el análisis de requisitos según el estándar 830-1988 IEEE [18]. A continuación se muestran los requisitos de la aplicación (extracto del documento de Especicación de Requisitos Software (ERS), que puede ser consultado en el Anexo C): 23 1. Denición de expresiones de álgebra relacional. De forma textual o a través de ayudas grácas. 2. Denición de arboles sintácticos de álgebra relacional. 3. Obtención de arboles sintácticos de expresiones de álgebra relacional, mostrados de forma gráca y permitiendo su posterior manipulación. 4. Guardado/carga de expresiones de álgebra relacional. 5. Interpretación (automática o paso a paso) de expresiones de álgebra relacional sobre relaciones de ejemplo. 6. Guardado/carga de relaciones de ejemplo. 7. Conexión a bases de datos externas para la obtención de relaciones de ejemplo. 8. Introducción de datos en las relaciones. 9. Traducción de álgebra relacional a SQL. 10. Optimización (automática o paso a paso) de consultas introducidas por el usuario. 11. Imprimir árboles, relaciones y consultas. 12. Comprobación de la corrección de consultas y árboles. 4.2. Arquitectura propuesta El diseño de la arquitectura del sistema se realiza de forma modular en función de los requisitos previamente analizados. En la Tabla 4.1 se puede ver la división de los requerimientos en diferentes categorías. De ellos se obtienen tres grandes secciones que deberán corresponder a los módulos que integrarán la aplicación. Estas secciones son: El sistema gestor de bases de datos externo. Los cheros donde se guarden/carguen las consultas, relaciones y tuplas. Los elementos del álgebra relacional (relaciones, operadores, tuplas, árboles...) Teniendo en cuenta que en una herramienta de este tipo la interfaz gráca es muy importante, puesto que cuanto más intuitiva y fácil de utilizar más ecaz será en la ayuda al aprendizaje de los alumnos, se decide que este apartado tendrá un modulo propio en la arquitectura del sistema. También se decide que la categoría de 24 SGBD Ficheros Álgebra relacional Importar/exportar relaciones Cargar y guardar relaciones Creación/edición de árboles Ejecutar consultas Cargar y guardar tuplas Creación/edición de consultas Cargar y guardar consultas Optimizar consultas Imprimir árboles/relaciones/consultas Ejecución de consultas Comprobación corrección consultas Tabla 4.1: Tabla de requisitos divididos por categoría álgebra relacional (que abarca tanto las expresiones como los árboles de expresiones) estará compuesta a su vez por los módulos de ejecución, optimización y creación, puesto que dicha categoría comprende la mayor parte de las funcionalidades de la herramienta. Así pues, en la Figura 4.1 se puede ver el esquema gráco de la arquitectura propuesta. Figura 4.1: Arquitectura general de sistema También se adjunta en la Figura 4.2 un diagrama que permite observar la comunicación entre los módulos diseñados. Comentando dicho diagrama podemos decir que el módulo de interfaz gráca servirá como conexión entre los diferentes módulos del sistema. Se ha optado por esta decisión puesto que un control central de la comunicación nos permitirá gestionar de una forma mas adecuada los recursos y los posibles errores. De esta forma, el modulo de álgebra relacional no accederá directamente al sistema gestor de bases de datos ni a los diferentes cheros externos, sino que será necesaria la comunicación con el módulo de interfaz gráca para la extracción de la información. Es decir, la obtención de las relaciones (y sus tuplas) ya sea desde la base de datos o desde un chero externo, será realizada por el módulo de interfaz gráca (puesto que el usuario conrmará todas estas acciones a través de componentes visuales), y a continuación serán transferidos dichos datos al módulo de álgebra relacional correspondiente. 25 5.2. Posibilidad de mejoras y trabajo futuro A continuación se exponen algunos de los posibles trabajos a realizar continuando con la línea del proyecto: La aplicación ayuda a la comprensión del álgebra relacional a través de explicaciones y de la interacción con relaciones de ejemplo. Para ello se requiere previamente un cierto conocimiento del tema. Se podría desarrollar alguna funcionalidad capaz de interpretar las consultas que el usuario expresara en lenguaje natural (o semi-natural), de tal forma que se permitiera al usuario introducir la consulta de una forma más familiar para él y esto facilitara su aprendizaje. No era el objetivo de esta aplicación tratar las bases de datos distribuidas, pero podrían implementarse las funcionalidades necesarias para realizar la optimización de consultas teniendo en cuenta que se podría dar el caso de que la información que va a ser consultada se encontrase en múltiples bases de datos lógicamente relacionadas, de tal forma que con una buena gestión se pudiera optimizar el tiempo de ejecución. Se ha implementado la optimización automática y paso a paso de las consultas introducidas por el usuario, pero no era el objetivo de este proyecto permitir la selección de las diferentes heurísticas a aplicar y podrían realizarse las mod- icaciones oportunas para darle la oportunidad al usuario de seleccionarlas. 5.3. Conclusión personal El desarrollo de este proyecto me ha aportado conocimientos que serán útiles en mi vida profesional. Conocimientos técnicos en cuanto al problema tratado, el álgebra relacional y las bases de datos, y en cuanto a las herramientas utilizadas, y otros conocimientos como son el desarrollo de software y el trato con el cliente. En cuanto a los conocimientos técnicos me gustaría destacar que gracias al estudio realizado a lo largo del proyecto he llegado a comprender mucho mejor la importancia del álgebra relacional. Después de realizar este proyecto percibo mejor la relación existente entre el área matemática y las bases de datos. Sin comprender los conocimientos propios del álgebra es muy difícil entender correctamente ya no sólo el álgebra relacional sino las bases de datos relacionales en general, puesto que para su denición se utilizaron conceptos matemáticos. También he aprendido bastante acerca de Java, durante la carrera lo había utilizado para la realización de varias prácticas, pero no había necesitado hacer un uso tan exhaustivo de la documentación como en este caso. La necesidad de utilizar clases y métodos que no conocía me ha 32 hecho aprender a consultar correctamente la documentación disponible y he aprendido bastante acerca de un lenguaje que creo que será fundamental los primeros años de mi vida profesional. Como decía, este proyecto también me ha aportado una serie de conocimientos como podrían ser el trato con el cliente (en este caso el papel de cliente ha sido interpretado por el director de proyecto y los usuarios que han realizado pruebas de la herramienta) y el desarrollo de un proyecto software de tamaño medio (en el que se han empleado casi siete meses). El trato con el cliente es una de esas cosas que no se estudian en la carrera pero que considero muy importantes de cara a mi vida laboral. Se han realizado reuniones semanales con el director en las que se ha presentado el trabajo de forma que entre los dos se han encontrado problemas y posibles soluciones. En resumen, el proyecto ha hecho que consiguiera adquirir conocimientos interesantes de cara a mi futuro profesional y además desarrollar ciertas habilidades, como dar soluciones a problemas que aparecen en el transcurso de un proyecto real, que a priori no se dan en trabajos desarrollados en la formación de la carrera. 33 34