Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbank-Management Systeme

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1 Gottfried Vossen Datenmodelle, Datenbanksprachen und Datenbank-Management Systeme 2. aktualisierte und erweiterte Auflage ADDISON-WESLEY PUBLISHING COMPANY Bonn Paris Reading, Massachusetts Menlo Park, California New York Don Mills, Ontario Wokingham, England Amsterdam Milan Sydney Tokyo Singapore Madrid San Juan Seoul Mexico City Taipei, Taiwan

2 Inhaltsverzeichnis Vorwort zur ersten Auflage Vorwort zur zweiten Auflage xiii xv I Einführung 1 1 Das Warum" und das Was" Zur Einordung des Gebiets Datenbanken" Filesysteme Generische Sicht eines Datenbanksystems Prärelationale Systeme Relationale Systeme Kommerzielle Anwendungen Anforderungen neuartiger Anwendungen Postrelationale Systeme 18 2 Das 3-Ebenen-Architekturmodell für Datenbanken Datenunabhängigkeit Datenmodelle und -Schemata Die ANSI/SPARC-Modellebenen Sprachebenen und -klassen 26 3 Aufbau und Organisation von DBMS Datenbanken und Informationssysteme Schichtenmodell eines DBMS _ Zentrale DBMS-Komponenten 33 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 40 Übungen 42

3 vi Inhalt II Datenbankentwurf und traditionelle Datenmodelle 43 4 Der Datenbank-Entwurfsprozeß Der Datenbank-Lebenszyklus Phasen des Entwurfsprozesses Anforderungsanalyse und -Spezifikation Konzeptioneller Entwurf Logischer und Implementierungsentwurf Weitere Entwurfsschritte 51 5 Das Entity-Relationship-Modell Abstraktionskonzepte Entities und Attribute Relationships IS-A-Beziehungen Zusammenfassung 75 6 Netzwerk- und hierarchisches Modell Konstrukte des Netzwerk-Modells Transformation eines ER-Diagramms in das Netzwerk-Modell Schema-Deklaration für Netzwerk-Datenbanken Normalisierung einer ER-Transformation Deklaration Integritätsbedingungen Satzweise Navigation Direkter Zugriff auf Record-Typ-Ebene Sequentieller Zugriff auf Record-Typ-Ebene Direkter Zugriff auf Set-Typ-Ebene Sequentieller Zugriff auf Set-Typ-Ebene Datenbank-Updates Grundzüge des hierarchischen Modells Zugriff auf hierarchische Datenbanken Das relationale Datenmodell Relationen Datenabhängigkei'ten. Relationenschemata Intrarelationale Abhängigkeiten Relationale Datenbanken Interrelationale Abhängigkeiten Transformation eines ER-Diagramms in das Relationenmodell Vorbereitende Schritte" Transformation 135 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 140 Übungen 143

4 Inhalt vii III Theoretische Grundlagen des Relationenmodells Datenmanipulation im Relationenmodell Die Relationenalgebra Relationale Operationen und ihre Rechenregeln Ausdrücke der Relationenalgebra Eigenschaften der Relationenalgebra Algebraische Optimierung Relationenkalküle Der Relationen-Tupelkalkül Der Relationen-Domainkalkül Erweiterungen der Relationenalgebra. Berechenbare Anfragen Grundlagen von Datalog Datenbank-Updates View-Updates Datenabhängigkeiten Funktionale Abhängigkeiten Definition. Implikation Ableitung. Das Membership-Problem Anwendungen des Membership-Algorithmus. Schlüssel Alternative Charakterisierungen des Implikationsbegriffs (Abhängigkeits-) Basen FDs und Updates Bemerkungen zur allgemeinen Implikation Mehrwertige und Verbund-Abhängigkeiten Inklusionsabhängigkeiten Der Sprachstandard SQL Zur Evolution von SQL Datenbank-Definition Datenbankschema-Definition Tabellen-Definition Integritätsbedingungen Ein Beispiel Weitere Definitionsaspekte Datenbank-Updates Datenbank-Anfragen Einführung Zur Syntax von SELECT Semantik von SELECT am Beispiel von RA-Ausdrücken Verbund-Operatoren in SQL Beispiele Abschließende Bemerkungen 247

5 viii Inhalt 11 Normalisierung und algorithmischer Schema-Entwurf Update-Anomalien Zweite, dritte und Boyce-Codd-Normalform Dekomposition und Synthese Vierte und fünfte Normalform Universalrelationen Anfragen Fenster-Funktionen Bottom-Up-Auswertungsstrategien Die repräsentative Instanz einer Datenbank 280 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 286 Übungen 292 IV Höhere Datenmodelle Das geschachtelte Relationenmodell Einführung Geschachtelte Strukturen Geschachtelte Formate Geschachtelte Relationen Operationen auf geschachtelten Relationen Projektion und Selektion Nestung und Entnestung Natürlicher Verbund Abschließende Bemerkungen Semantische Datenmodelle am Beispiel GSM Grenzen des ER-basierten (konzeptionellen) Datenbank-Entwurfs Zur Evolution von Datenmodellen Das Generische Semantische Modell (GSM) Lokale GSM-Konstrukte Atomare und konstruierte Typen Attribute IS-A-Beziehungen Globale GSM-Aspekte Zusammenfassung Grundlagen objekt orientiert er Datenmodelle Motivation Objektorientierung in höheren Programmiersprachen Zur Historie Zusammenfassung: Das Paradigma der Objektorientierung Kennzeichen objektorientierter Datenmodelle Modellierung von Struktur 348

6 Inhalt ix Überlegungen zu Tupel- und Mengen-Konstruktor Komplexe Typen und Werte. Objekt-Identität Vererbung von Struktur Struktur-Schemata Zum logischen Entwurf von strukturellen Schemata Modellierung von Verhalten Objektbank-Schemata und -Instanzen Einführung in den Object Database Standard Grundzüge des ODMG-93-Objektmodells Die Objekt-Definitionssprache ODL Spezielle Eigenschaften von objektorientierten Datenbanksprachen Einführung Zugriff auf komplexe Objekte. Pfad-Ausdrücke Zugriff auf Mengen von Objekten Update-Operationen Zur objektorientierten Erweiterung des SQL-Standards 380 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 384 Übungen 387 V Grundlagen der Datenbanksystemtechnik Interne Datenbank- und Speicherorganisation Einführung Files Puffer-Verwaltung Indexe Baumstrukturen Hash-Organisation Speicherung komplexer Objekte Direktes Speichermodell Normalisiertes Speichermodell Index-Strukturen zur Auswertung von Pfad-Ausdrücken Überlegungen zum physischen Datenbank-Entwurf Verarbeitung und Optimierung von Anfragen Anfrage-Verarbeitung im Überblick Anfrage-Optimierung Ziele und Ansätze High-Level-Optimierung Low-Level-Optimierung Implementierungstechniken für den Verbund Nested-Loop-Join Sort-Merge-Join 433

7 x Inhalt Hash-Join Spezielle QEP-Parameter Zur Architektur von Anfrage-Prozessoren Der Systemkatalog am Beispiel DB Transaktionsverarbeitung. Concurrency Control Einführung Typische Synchronisationsprobleme Das ACID-Prinzip Das Read-Write-Modell für Transaktionen Schedules und Serialisierbarkeit Schedules View-Serialisierbarkeit Konflikt-Serialisierbarkeit Commit-Serialisierbarkeit Fehlersicherheit von Schedules Motivation Rücksetzbarkeit Vermeidung kaskadierender Aborts Striktheit Zusammenhang zur Serialisierbarkeit. Korrekte Schedules Überlegungen zum Scheduler-Entwurf Sperrende Scheduler Einführung Das 2-Phasen-Sperrprotokoll Varianten des 2-Phasen-Sperrprotokolls Das MGL-Protokoll Das TL-Protokoll Nicht-sperrende Scheduler Zeitmarken-Verfahren Serialisationsgraphen-Tester Zur Ausnutzung semantischer Information Grundlagen des Recovery Einführung Zur Organisation eines Data-Managers Der Recovery-Manager Ein Undo/Redo-Protokoll Alternativen zum Undo/Redo-Protokoll Aspekte der Integritätssicherung Einführung Klassifikation von Integritätsbedingungen Spezifikation von Integritätsbedingungen Übersicht Verwendung relationaler Sprachen Assertions in SQL2 517

8 Inhalt xi 20.4 Integritätsüberwachung Anfrage-Modifikation Das Trigger-Konzept Trigger in SQL Aktive Datenbanken Datenbank-Schutz Datenbank-Tuning. Benchmarks Datenbank-Tuning Grundlegende Tuning-Prinzipien Concurrency-Control-Tuning Recovery-Tuning Tuning von Indexen Tuning in relationalen Systemen Datenbank-Benchmarks Der Wisconsin-Benchmark Die TPC-Benchmarks Der Sun-Benchmark Der HyperModel-Benchmark Der OO7-Benchmark 545 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 548 Übungen 553 VI Datenbanksysteme: Stand und Ausblick Relationale Datenbanksysteme Einführung Beispiel 1: DB Übersicht Logische Speicherorganisation Speicherung von Tabellen Anfrage-Optimierung Anwendungsprogrammierung. Das Cursor-Konzept Das Client-Server-Architekturkonzept Beispiel 2: Oracle Interne Architektur SQL und PL/SQL Trusted Oracle und der Media Server Objektorientierte Datenbanksysteme Architekturkonzepte Beispiel 1: GemStone Systemübersicht Die Sprache OPAL 583

9 xii Inhalt Struktur-Definition in OPAL Methoden in OPAL Datenmanipulation Bemerkungen zur Transaktionsverarbeitung Beispiel 2: O Übersicht. Das Datenmodell Struktur- und Verhaltensdefinition Datenmanipulation. O 2 SQL Interne Architektur von O Beispiel 3: ObjectStore Abschließende Bemerkungen Weitere Arten kommerzieller Systeme Ein Netzwerk-System: UDS Ein hierarchisches System: IMS Ein erweitert-relationales System: Postgres Ein OR-System: UniSQL/X Ausblick Anwendungsspezifische Systeme Deduktive Datenbanksysteme Erweiterbare Systeme und System-Generatoren Zeitunterstützung in Datenbanken Hauptspeicherresidente Datenbanken Parallele Datenbanksysteme Multimedia-Datenbanken Wissenschaftliche Datenbanken, insbes. Sequenz-Datenbanken Weitere aktuelle Fragestellungen 627 Bibliographische Hinweise und Ergänzungen 630 Übungen 633 Literaturverzeichnis 634 Sachindex 667 Namenindex 680