Inhalt. 2.1 Datenbankentwurf. 2.2 Relationales Modell. 2.3 Relationale Entwurfstheorie. 2.4 Relationale Algebra. 2.5 Structured Query Language (SQL)

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1 2. Datenbanken

2 Inhalt 2.1 Datenbankentwurf 2.2 Relationales Modell 2.3 Relationale Entwurfstheorie 2.4 Relationale Algebra 2.5 Structured Query Language (SQL) 2

3 2.1 Datenbankentwurf Datenbankanwendungen werden oft über einen sehr langen Zeitraum (z. B. Jahrzehnte) eingesetzt Fehler sind umso teurer zu beheben, je weiter die Entwicklung bzw. der Einsatz der Datenbankanwendung fortgeschritten sind Datenbankentwurf (d.h. die Planung des Einsatzes der Datenbank) verdient besondere Aufmerksamkeit 3

4 2.1.1 Phasen des Datenbankentwurf Anforderungsanalyse Welche Aufgaben sollen unterstützt werden? Welche Arten von Objekten gibt es? Ergebnis: Informale Beschreibungen (z.b. Interviewprotokolle) Konzeptueller Entwurf strukturiert Anwendungsbereich (Ausschnitt der realen Welt) unabhängig vom (Typ des) verwendeten DBMS Ergebnis: Konzeptuelles Schema (ERM oder UML) 4

5 Phasen des Datenbankentwurfs Implementationsentwurf setzt Anwendung in Konzepte des verwendeten DBMS um Ergebnis: Relationales Schema (z.b. bei RDBMS) Physischer Entwurf legt Details zur Speicherung und Aufbereitung der Daten fest, um Leistungsfähigkeit zu optimieren Ergebnis: Indexstrukturen sowie Parameter beispielsweise bezüglich Komprimierung und Blockgröße 5

6 2.1.2 Entity-Relationship-Modell Entity-Relationship-Modell (ERM) (deutsch: Gegenstands-Beziehungs-Modell) bereits 1976 von Peter Chen [2] vorgeschlagen verbreitetes Instrument für den konzeptuellen Entwurf wichtiges Mittel zur Kommunikation mit Nicht-Informatikern 452 Logistikprozesse Beschaffungs- und Vertriebslogistik 453 ARBEilSPlAN ORT < Abb : Detaillierte Datenstruktur der Vertriebsabwicklung Quelle: Nehmen Kunden auf vorangegangene in Form von Nachbestellungen Bezug, so ist es sinnvoll, abgeschlossene iiber einen Quelle: Zeitraum hinweg verfiigbar Scheer zu halten. [4] Dariiber hinaus konnen iiber eine Zeitraster-Zuordnung auch statistische Zeitvergleiche durchgefiihrt werden. Fiir die der V ergangenheit werden eigene Beziehungstypen eingefiihrt, die parallel zu den bereits eingefiihrten Auftragsstrukturen verlaufen. Die Trennung zwischen aktiven und vergangenen ist sinnvoll, da die Attribute der bereits abgeschlossenen unterschied- 6

7 Entity-Relationship-Modell 452 Logistikprozesse Beschaffungs- und Vertriebslogistik 45 ARBEilSPlAN ORT < Abb : Detaillierte Datenstruktur der Vertriebsabwicklung Quelle: Scheer [3] Nehmen Kunden auf vorangegangene in Form von Nachbestellungen Bezug, & Informationssysteme so ist es sinnvoll, abgeschlossene / Kapitel 2: Datenbanken iiber einen Datenbanken Zeitraum hinweg verfiigbar zu halten. Dariiber hinaus konnen iiber Fiir die der V ergangenheit werden eigene Beziehungstypen 7

8 Bestandteile des Entity-Relationship-Modells Entity-Relationship-Modell (ERM) strukturiert relevanten Ausschnitt der realen Welt in Entitytypen (entity types) Beziehungstypen (relationships) Achtung: Begrifflichkeiten (z.b. Entity und Entitytyp) werden in der Literatur teilweise austauschbar verwendet In der Literatur finden sich leicht unterschiedliche graphische Darstellungen des ERMs 8

9 Entitäten und Entitytypen Entitäten (entities) (auch: Gegenstände) als wohl unterscheidbare physisch oder gedanklich existierende Konzepte des zu modellierenden Anwendungsbereichs Beispiel: Max Müller, Prof. Dr. Snuggles, Informatikgrundlagen Ähnliche Entitäten werden zu Entitytypen (auch: Gegenstandstypen) (entity types) zusammengefasst Beispiel: Studenten, Professoren, Vorlesungen 9

10 Entitytypen im ERM Darstellung: Rechteck um Namen des Entitytyps Studenten Professoren Vorlesungen 10

11 Beziehungen und Beziehungstypen Beziehungen zwischen mehreren konkreten Entitäten (z.b. Prof. Dr. Snuggles liest Datenbanken) werden zu Beziehungstypen (relationships) abstrahiert Beispiel: Beziehungstypen in einer Hochschule Studenten hören Vorlesungen Professoren lesen Vorlesungen Professoren prüfen Studenten in Vorlesungen 11

12 Beziehungstypen im ERM Darstellung: Raute um Namen des Beziehungstyps hören lesen prüfen Raute des Beziehungstyps durch ungerichtete Kanten mit Rechtecken der Entitytypen verbunden Studenten hören Vorlesungen 12

13 Beziehungstypen im ERM Studenten hören Vorlesungen Professoren lesen Vorlesungen Professoren prüfen Vorlesungen Studenten 13

14 Grade von Beziehungstypen Studenten hören Vorlesungen n =2 binär Professoren prüfen Vorlesungen n =3 ternär Studenten Allgemein: Ein Beziehungstyp mit Grad n heißt n-stellig 14

15 Attribute Attribute (attributes) charakterisieren Entitäten oder Beziehungen (z.b. Vorname des Professors, Titel der Vorlesung, Note der Prüfung) Während des konzeptuellen Entwurfs werden die Typen der Attribute (z.b. Zeichenkette oder Zahl) nicht betrachtet 15

16 Attribute im ERM Darstellung: Oval um Name des Attributs Name Titel Note Oval des Attributs durch ungerichtete Kante mit Rechteck des Entitytyps oder Raute des Beziehungstyps verbunden Note Name Professoren prüfen 16

17 Schlüssel Entitytypen wird ein eindeutig identifizierendes Attribut (oder eine Menge von Attributen) als Schlüssel zugeordnet Schlüssel müssen so gewählt werden, dass sie Entitäten nicht nur momentan, sondern immer eindeutig identifizieren Beispiel: Name kein Schlüssel für Professoren 17

18 Schlüssel Künstliche Attribute dienen häufig als Schlüssel (z.b. PersNr, MatrNr, ArtNr) Schlüssel müssen minimal sein, d.h. die gewählte Menge von Attributen soll keine überflüssigen Attribute enthalten Beispiel: PersNr und Name kein Schlüssel für Professoren 18

19 Schlüssel im ERM Darstellung: Name von Schlüsselattributen unterstrichen PersNr Professoren Name Kompaktere Darstellung für Mengen von Attributen PersNr, Name Professoren 19

20 ER-Diagramm für Hochschule MatrNr VorlNr Vorname Studenten hören Vorlesungen SWS Name Titel Semester prüfen lesen Note PersNr Vorname Assistenten arbeiten für Professoren Name Tätigkeit PersNr Fach Vorname Name 20

21 Kardinalitäten von Beziehungstypen Beziehungstypen werden bzgl. ihrer Kardinalität (auch: Funktionalität) charakterisiert, d.h. wie viele Entitäten der Entitytypen sie in Beziehung setzen Wir betrachten Kardinalitäten binärer Beziehungstypen R E 1 E 2 21

22 1:1 Für einen 1:1-Beziehungstyp R gilt, dass jeder Entität aus E 1 höchstens ein E 2 zugeordnet ist jeder Entität aus E 2 höchstens ein E 1 zugeordnet ist Beispiele: Person ist verheiratet mit Person (Polygamie außen vor) Kennzeichen gehört zu Fahrzeug (keine Saisonkennzeichen) Darstellung: E R E 2 22

23 1:N Für einen 1:N-Beziehungstyp R gilt, dass jeder Entität aus E 1 beliebig viele E 2 zugeordnet ist jeder Entität aus E 2 höchstens ein E 1 zugeordnet ist Beispiele: Professoren lesen Vorlesungen Bücher beinhalten Kapitel Darstellung: E 1 1 N R E 2 23

24 N:1 Für einen N:1-Beziehungstyp R gilt, dass jeder Entität aus E 1 höchstens ein E 2 zugeordnet ist jeder Entität aus E 2 beliebig viele E 1 zugeordnet ist Beispiele: Assistenten arbeiten für Professoren Sportler spielen für Mannschaften Darstellung: E 1 N 1 R E 2 24

25 N:M Für einen N:M-Beziehungstyp R gilt, dass jeder Entität aus E 1 beliebig viele E 2 zugeordnet ist jeder Entität aus E 2 beliebig viele E 1 zugeordnet ist Beispiele: Studenten hören Vorlesungen Schauspieler spielen in Filmen Darstellung: E 1 N R M E 2 25

26 ER-Diagramm für Hochschule MatrNr VorlNr Vorname Name Studenten N N hören M M Vorlesungen N SWS Titel Semester prüfen lesen Note PersNr Vorname Assistenten N arbeiten für Professoren Name Tätigkeit PersNr Fach Vorname Name 26

27 (min, max)-notation Genauere Charakterisierung der Kardinalität von Beziehungstypen mittels (min, max)-notation Beispiel: jeder Student hört beliebig viele Vorlesungen jede Vorlesung hören mindestens drei Studenten Studenten (0,*) (3,*) hören Vorlesungen 27

28 (min, max)-notation Beispiel: jeder Professor liest beliebig viele Vorlesungen jede Vorlesung wird von genau einem Professor gelesen Professoren (0,*) (1,1) lesen 1 N Vorlesungen Achtung: Die Kardinalitäten werden im Vergleich zur einfachen Notation in umgekehrter Orientierung notiert 28

29 Kardinalitäten als Integritätsbedingungen Kardinalitäten von Beziehungstypen sind Integritätsbedingungen, d.h. sie sollen nicht nur momentan, sondern immer zutreffen Beispiel: Auch wenn momentan jede Vorlesung von nur einem Studenten gehört wird, handelt es sich bei hören trotzdem um einen N:M-Beziehungstyp 29

30 Schwache Entitytypen Schwache Entitäten existieren nur in Abhängigkeit von einer anderen starken Entität Beispiel: Räume liegen in Gebäude (aber existieren nicht ohne dieses Gebäude) Schwache Entitytypen besitzen keinen eigenen Schlüssel, sondern erben den Schlüssel des übergeordneten Entitytyps und ergänzen ihn um ein oder mehrere unterscheidende Attribute 30

31 Schwache Entitäten im ERM Darstellung: Doppeltes Rechteck um Namen, doppelte Raute um Namen der Abhängigkeitsbeziehungtyp, unterscheidende Attribute gestrichelt unterstrichen RaumNr, Kapazität GebNr, Höhe Räume N 1 liegen in Gebäude 31

32 Generalisierung von Entitytypen Erinnerung: Entitytypen fassen ähnliche Entitäten zusammen, d.h. sie abstrahieren von der einzelnen konkreten Entität Generalisierung identifiziert gemeinsame Attribute mehrerer Entitytypen und lagert diese in gemeinsamen Obertyp aus Beispiel: Sowohl Assistenten als auch Professoren besitzen Attribute wie Name, Vorname 32

33 Generalisierung von Entitytypen Beispiel (fortgeführt): Gemeinsame Attribute werden in gemeinsamen Obertyp Personen ausgelagert Darstellung: Beziehungstyp ist-ein (is-a) als Sechseck dargestellt verbindet Entitytypen mit ihrem Obertyp PersNr, Vorname, Name Mitarbeiter ist-ein ist-ein Tätigkeit Assistenten Professoren Fach 33

34 Aggregation Aggregation ordnet Entitytypen einander zu, die zusammen einen anderen Entitytypen bilden Beispiel: Fahrräder bestehen aus Rahmen und Rädern; Rahmen bestehen aus Rohren und Lenker; Räder bestehen aus Felgen und Speichen Darstellung: Beziehungstyp Teil-von (part-of) als Raute verbindet den übergeordneten mit dem untergeordneten Entitytyp 34

35 Aggregation Fahrräder Teil-von Teil-von Rahmen Räder Teil-von Teil-von Teil-von Teil-von Rohre Lenker Felgen Speichen 35

36 Zusammenfassung Entity-Relationship-Modell für konzeptuellen Entwurf Entitytypen (entity types) (z.b. Studenten) Beziehungstypen (relationships) (z.b. hören) Attribute beschreiben Gegenstände oder Beziehungen Schlüssel identifizieren Gegenstände eindeutig Kardinalitäten charakterisieren Beziehungstypen 1:1-, 1:N- (N:1-), N:M-Beziehungstypen 36

37 Literatur [1] A. Kemper und A. Eickler: Datenbanksysteme Eine Einführung, De Gruyter Oldenbourg, 2013 (Kapitel 2) [2] P. Chen: The Entity-Relationship-Model Towards a Unified View of Data, ACM TODS 1(1), 1976 [3] G. Saake, K.-U. Sattler und A. Heuer: Datenbanken - Konzepte und Sprachen, mitp Professional, 2013 (Kapitel 5) [4] A.-W. Scheer: Wirtschaftsinformatik Referenzmodelle für industrielle Geschäftsprozesse, Springer,