Datenbanksysteme I. FB Automatisierung und Informatik: Datenbanksysteme I

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1 Datenbanksysteme I Dipl.-Inf., Dipl.-Ing. (FH) Michael Wilhelm Hochschule Harz FB Automatisierung und Informatik mwilhelm@hs-harz.de Raum Tel /

2 Inhalt 1. Grundlegende Begriffe der Datenbanktechnologie 2. Datenbankentwurf / Datenmodelle 3. ER-Modell / ER-Diagramm 4. SQL-Sprache 5. Normalisierung 2

3 Grundlagen der DBMS SQL- Grundlagen 3

4 Informationsspeicherung und Oracle Jede Behörde, jede Bildungseinrichtung und jedes Unternehmen hat einen gewissen Informationsbedarf Informationen werden in DB erfasst und mittels DBMS verwaltet DB: organisierte Sammlung von Daten DBMS: Managementsystem für die Daten Oracle ist ein DBMS (Oracle 7 ein relationales, Oracle 8 ein objekt-relationales) ein DBMS ist ein Programm, um Daten auf Anforderung in der DB zu speichern, daraus abzurufen und zu bearbeiten 4

5 Oracle relational Auf der Basis des Codd schen Modelles (relationales Modell) Definition gemäß Oracle- Handbuch Ansammlung von Objekten oder Relationen Reihe von Operatoren, die auf die Relationen angewendet werden können Datenintegrität für Genauigkeit und Konsistenz kurz: eine relationale Datenbank ist eine Reihe von Relationen oder zweidimensionalen Tabellen Beispiel: Mitarbeiterdatenbank, die in verschiedenen Tabellen unterschiedliche Informationen über die Mitarbeiter speichern: Mitarbeitertabelle Abteilungstabelle Gehaltstabelle 5

6 Datenmodelle Datenmodelle werden zu folgenden Zwecken verwendet: kommunizieren kategorisieren beschreiben spezifizieren untersuchen entwickeln analysieren imitieren 6

7 ER-Modell In einem effizienten System sind Daten in bestimmte Kategorien (oder entities) unterteilt. Ein ER-Modell ist eine Darstellung verschiedener entities innerhalb eines Unternehmens und den Beschreibungen zwischen diesen ein ER-Modell wird aus Unternehmensspezifikationen oder Schilderungen abgeleitet und in der Analysephase des Systementwicklungszyklus erstellt ER-Modelle trennen die für ein Unternehmen erforderlichen Informationen von den in diesem Unternehmen ausgeführten Aktivitäten - auch wenn sich Aktivitäten ändern, bleiben Art und Struktur der Informationen weitgehend konstant 7

8 ER-Modell und Oracle Oracle unterstützt die ER- Modellierung (Designer) Krähenfuß- Notation es nutzt dabei die folgende Notation (hier m : 1- Beziehung): 8

9 ER-Modell Unique identifier: beliebige Kombination von Attributen oder Beziehungen (oder beide), die dazu dienen, das Vorkommen (die Existenz) einer Entität zu unterscheiden. Jede Entität muss eindeutig identifizierbar sein! Jedes Attribut, das Teil der UID ist, wird mit einem Nummernzeichen gekennzeichnet: # Fachbereich # Nummer * Name Standort * = zwingend = optional 9

10 Terminologie Zeile oder Tupel Spalte oder Attribut, die/das den Primärschlüssel darstellt Spalte(n) oder Attribut(e), die keine Primärschlüssel darstellen Spalte oder Attribut, das ggf. als Fremdschlüssel fungiert Feld: Schnittstelle zwischen Zeile und Spalte jede Tabelle enthält Daten, die genau eine Entität beschrieben Verknüpfung von Tabellen über Fremdschlüssel (= Spalte oder Gruppe von Spalten, die auf einen Primärschlüssel in derselben oder in einer anderen Tabelle verweisen) diese Terminologie deckt sich mit den Inhalten der Vorlesungsstunde zum relationalen Modell 10

11 Oracle Eigenschaften Bietet Zugriffs- und Bearbeitungsmöglichkeiten durch Ausführung von SQL- Anweisungen enthält eine Ansammlung von Tabellen ohne physikalische Zeiger verwendet eine Reihe von Operatoren diese Terminologie deckt sich mit den Inhalten der Vorlesungsstunde zum relationalen Modell der Anwender muss nicht den Zugriffspfad zu Tabellen kennen; er muss auch nicht wissen, wie die Daten physikalisch angeordnet sind um auf die Datenbank zuzugreifen, führt der Anwender eine SQL- Anweisung aus SQL ist ein Standard des ANSI (American National Standards Institute) SQL enthält viele Operatoren zum Partitionieren und Kombinieren von Relationen und zur Modifikation der Datenbank 11

12 Kommunikation mit dem RDBMS über SQL SQL> SELECT loc 2 FROM dept; Anweisung geht an Datenbank LOC NEW YORK RIO TOKYO Datenbank Daten werden angezeigt 12

13 Oracle RDBMS Server Tabelle A Tabelle B Tabelle C Data Dictionary 13

14 Oracle Eigenschaften Relationales Datenbank Managementsystem (RDBMS) SQL PL/SQL Speicherung von Programmeinheiten Sicherheitsfunktionen, die Zugriff und Verwendung der Daten steuern Funktionen zur Gewährleistung der Konsistenz Datenschutzfunktionen Oracle- Anwendungen auf demselben Rechner wie der Oracle Server alternativ: Benutzer nutzt lokales System; Oracle Server auf remote system (Client/Server) Vorteil der Alternative: es kann auf große Rechnerressourcen zurückgegriffen werden (Bsp.: Fluggesellschaft-Buchungssystem; Client: Rechner im Reisebüro; Server (remote) verwaltet Flugdaten) 14

15 Internet- Plattform High Performance Plattform für E- commerce und data warehousing beinhaltet alle Funktionalitäten, die zur Entwicklung, dem Einsatz und der Verwaltung von Internet- Anwendungen benötigt werden Entwicklungswerkzeuge mit GUI zur Erstellung von Geschäftsanwendungen einschl. umfangreichen Paketes an Software- Anwendungen für viele Geschäfts- und Industriebereiche Prozeduren können unter SQL, PL/SQL und besteht aus drei Modulen: Browser-basierte Clients zur Verarbeitung der Präsentation (Anzeige) Anwendungs-Server zur Ausführung der Unternehmenslogik und Bereitstellung von Präsentationslogik an die Browser-basierten Clients Datenbanken zur Ausführung von Datenbank-intensiver Unternehmenslogik und Datenbereitstellung Eigenschaften Oracle 15

16 Datenabruf SELECT Data Manipulation Language (DML) INSERT UPDATE DELETE Data Definition Language (DDL) CREATE ALTER DROP RENAME TRUNCATE Transaktionssteuerung COMMIT ROLLBACK SAVEPOINT Data Control Language (DCL) GRANT REVOKE SQL- Anweisungen 16

17 SQL Oracle SQL entspricht Industriestandards Oracle Corporation garantiert weitere Übereinstimmung mit neu entwickelten Standards durch die aktive Teilnahme seines Personals an SQL- Standardisierungskommitees ANSI (American Standards Institute) International Standards Organization (ISO) (beide haben SQL als Standardsprache für Datenbanken akzeptiert) 17

18 Tabellen erstellen Daten einfügen Daten abrufen Daten bearbeiten Tabellen ändern Oracle/SQL-Operationen 18

19 Oracle/SQL-Grundfunktionalität 19

20 EMPLOYEES Oracle: Beispieltabellen Daten aller Mitarbeiter einer Firma DEPARTMENTS Daten über die Abteilungen der Firma LOCATIONS Adressen JOB_GRADES Gehaltsangaben Grundlage der SQL-Übungen: ORACLE-Beispieltabellen (s.o.) ORACLE: Professioneller Einstieg in Oracle SQL (Teil I SQL Grundlagen, Band 1) 2001/

21 DBMS: Sprachen, SQL oder: wie arbeitet man mit Datenbanken? 21

22 Datenbanksprachen Storage Structure Language (SSL) Dateiorganisation (Systemadministrator) Data Definition Language (DDL) Schema erzeugen (Datenbankadministrator (DBA)) View Definition Language (VDL) Sichten erzeugen (Anwendungsadministrator) Interactive Query Language (IQL) oder Data Manipulation Language (DML) Daten abfragen und editieren (ausgebildete Endanwender) Data Base Programming Language (DBPL) Anwendungen erstellen (Programmierer) Schnittstellen der Anwendungen (Menüs, Masken usw.) Daten abfragen und editieren (Endanwender ohne DB-Kenntnisse) 22

23 Structured Query Language (SQL) SQL wird von den meisten relationalen DBMS unterstützt (Oracle, Dbase, Microsoft Access, MySQL, SQL Server, etc.) gewinnt für Client/Server Anwendungen zunehmend an Bedeutung vom ANSI (American National Standard Institute) entwickelt und als Standardsprache für relationale DBMS erklärt ABER: viele DBS-Hersteller haben den Sprachumfang von SQL für ihre eigenen Systeme erweitert es gibt also ANSI-SQL und Systemhersteller-spezifische Erweiterungen/Modifikationen von SQL 23

24 Structured Query Language (SQL) Relationales Modell deklarativ (spezifizieren, was man sucht, nicht wie es gesucht werden soll) Datenbankschema muss bekannt sein Standard (z. B. SQL2 von 1992, gegenwärtig: SQL3 von 1999) Weiterentwicklung SQL3 (Objektorientierung) GeoSQL (Geoobjekte, Geometrie und Topologie) 24

25 SQL-Beispiel select NAME, VORNAME from MITARBEITER where GEHALT > 3000 selektiert die Spalten NAME und VORNAME aus der Tabelle MITARBEITER für die Mitarbeiter, deren Gehalt höher ist als 3000 ( brutto im Monat) 25

26 andere Sprachen... QUEL (QUEry Language, Ingres) hat gegen SQL verloren QBE (Query by Example) Beispieleinträge in Tabellengerüsten Access ähnlich wie QBE OO Systeme: kein einheitlicher Sprachstandard 26

27 Kommandoeingabe graphische Oberfläche (Befehle werden automatisch erzeugt), besser als ein reiner Kommandoeditor Kommandos als Text eingeben DB-Anwendung: Nutzer wendet SQL an, ohne dies explizit zu wissen... 27

28 SQL Tabellen erzeugen mit Daten füllen indizieren updaten abfragen... und in Tabellen für Konsistenz sorgen für Vollständigkeit sorgen für Aktualität sorgen... 28

29 Begriffe Data dictionary DDL DML Index Integrity constraints table trigger view role 29

30 Data dictionary Enthält alle Informationen über die Art und Weise der Speicherung der Daten, über die Lokalisierung der Daten und über Zugangsbedingungen/- berechtigungen tables about tables Metadaten 30

31 DDL Data Definition Language SQL create, revoke, grant, drop SQL statements, die Einsatz finden, um eine Tabelle zu erzeugen, oder zu löschen SQL statements, die Zugangsberechtigungen regeln 31

32 DML Data Manipulation Language select, insert, delete, update SQL statements, die mit der Manipulation der Datenbank zu tun haben 32

33 Index Eine Art Kopie einer Oracle- Tabelle, die in einer sortierten Form vorgehalten wird Indizes erlauben den schnellen, gezielten Zugriff auf Daten in Tabellen Vergleich: das Inhaltsverzeichnis eines Buches; Telefonbuch;... 33

34 Integrity constraints Regeln, die die Integrität der Datenbank sichern. Unter Integrität werden DB- Eigenschaften wie Vollständigkeit, logische Konsistenz, Einhaltung von Wertebereichen, etc. verstanden Beispiel: in einer Kunden- DB MUSS eine Kunde eine ID haben, sonst liefert das DBMS eine Fehlermeldung; hinter dieser Fehlermeldung verbirgt sich eine entsprechend implementierte Regel. 34

35 table Zentraler Bestandteil jedes relationalen DBMS: die Tabelle ( a database object that holds your data ) Informationen über die Tabellen werden im Oracle data dictionary vorgehalten unter Nutzung der Informationen im data dictionary wird das Management der in den Tabellen gespeicherten Daten möglich Basis: das relationale Modell! Entwurf: über das konzeptionelle Datenmodell, z. B. mit ER- Diagrammen! 35

36 trigger Trigger sind Programme, die Bestandteil der Datenbank sind diese Programme werden bei Eintritt bestimmter events getriggert ( angestoßen, sie feuern ) Beispiel: das Einfügen einer neuen Zeile in einer Tabelle kann ein event sein, das die Auslösung eines triggers zur Folge hat, der z. B. Bedingungen prüft, unter denen eine neue Zeile eingefügt werden darf 36

37 view Views ermöglichen die Sicht eines DBMS- Nutzers auf eine oder mehrere Tabellen einer Datenbank views werden mit SQL- Skripten generiert, die in der DB gespeichert wird wenn auf einen view zugegriffen wird, wird das SQL statement ausgeführt; die Ergebnisse des statements werden dem Nutzer angezeigt 37

38 role Eine Rolle beschreibt mehrere Privilegien eines Nutzers Privilegen werden einer Rolle zugeordnet: Once privileges are granted to a role, a user inherits the role s privileges by becoming a membr of that role 38

39 Tabellen every piece of information that gets loaded into an Oracle database must be placed inside an Oracle table zu unterscheiden: tables: alle Tabellen zur Speicherung der Informationen data dictionary tables: alle Tabellen, die Informationen über die sonstigen Oracle Tabellen enthalten ( tables about tables ) Tabellen: Zeilen, Spalten Zeilen: Identifkator MUSS eindeutig sein; hat einen Typ (z. B. varchar2, date, number) Oracle ermöglicht die Zuordnung von integrity rules und triggers zu Tabellen 39

40 Tabellen erzeugen Create SQL> CREATE TABLE students Student_ID INTEGER PRIMARY KEY Student_name VARCHAR2 (25) Student_subject VARCHAR2 (30) SQL> / 40

41 Tabellen aus existierenden Tabellen erzeugen (1) Create table as SQL> CREATE TABLE mass_newhire 2 AS select * 3 from newhire 4* where state_cd = 'MA' SQL> / Table created 41

42 Tabellen aus existierenden Tabellen erzeugen (2) Die Originaltabelle SQL> select * from newhire; LNAME ST HIRE_DATE SALARY tom MA 15-AUG dick NJ 02-FEB harry NJ 19-MAY lisa MA 08-MAY alastair TX 12-DEC

43 Tabellen aus existierenden Tabellen erzeugen (3) Die Originaltabelle SQL> select * from mass_newhire; LNAME ST HIRE_DATE SALARY tom MA 15-AUG lisa MA 08-MAY SQL> CREATE TABLE mass_newhire 2 AS select * 3 from newhire 4* where state_cd = 'MA' SQL> / 43

44 Index Effiziente Suche nach Informationen in komplexen Datenbanken, die aus einer Vielzahl von Tabellen aufgebaut sind Beispiel: Tabelle ALPHABET mit 26 Spalten (A - Z) mit Zeilen Es wird ein Index auf die ersten 3 Spalten (ABC) gesetzt Name des Index: ABC Aufgabe: Finde alle Zeilen, in denen in der Spalte A das Wort Soup steht 44

45 Index Effiziente Suche nach Informationen in komplexen Datenbanken, die aus einer Vielzahl von Tabellen aufgebaut sind Beispiel: Tabelle ALPHABET mit 26 Spalten (A - Z) mit Zeilen Es wird ein Index auf die ersten 3 Spalten (ABC) gesetzt Name des Index: ABC Aufgabe: Finde alle Zeilen, in denen in der Spalte A das Wort Soup steht 1. Möglichkeit gesamte Tabelle durchsuchen, alle Zeilen, alle Spalten 2. Möglichkeit nur die interessierenden Spalten durchsuchen, oder vorhandene Indizes, z. B. ABC: Zeilen über 26 Spalten prüfen O D E R Zelen nur über die Spalten A, B und C prüfen 45

46 Primärschlüssel (primary key) Jede Tabelle sollte einen Primärschlüssel aufweisen; dies gewährleistet die eindeutige Identifizierbarkeit von Tabellenattributen (bzw. die Vermeidung von redundanten Attributen, da ein Attribut nur einen Primärschlüssel haben kann) Beispiel: Kundendatei Attribute: Kunde_ID, Kunde_Vorname, Kunde_Nachname, Kunden_Straße, Kunde_Stadt, Kunde_Telefon Jeder Kunde hat eine eindeutige Identifikationsnummer (Kunde_ID); Kunde_ID ist eindeutig und kommt nur einmal in der Tabelle vor: dieses Attribut ist als Primärschlüsselattribut geeignet Vorname, Nachname, Straße, etc. sind denkbar ungeeignet, da sie redundant in der Kundendatei vorkommen können und daher nicht mehr Eindeutigkeit gewährleistet ist 46

47 Oracle/SQL-Aufbau SELECT [DISTINCT ALL] {*, column [alias], expr } FROM table, [WHERE condition(s)] [GROUP BY expr [, expr] ] [HAVING condition(s)] [ORDER BY {column, expr, alias} [ASC DESC]]; 47

48 Oracle/SQL-Syntax SELECT Liste mit einer oder mehreren Spalten DISTINCT Schlüsselwort, um vorkommende Zeilen auszuschließen * Auswahl aller Spalten aller in der FROM-Klausel aufgeführten Tabellen, Views oder Snapshots column Auswahl der benannten Spalte alias Ausgewählte Spalten erhalten andere Überschriften expr Zeichenkette oder errechneter Ausdruck FROM table Schlüsselwort zur Angabe der Tabelle, View, oder des Snapshot mit den Spalten WHERE Klausel zur Einschränkung der auszuwählenden Zeilen entsprechend einer Bedingung GROUP BY zur Gruppierung ausgewählter Zeilen und zur Rückgabe einer zusammenfassenden Zeile HAVING gibt an, welche durch die GROUP-BY-Klausel definierten Zeilengruppen von der Abfrage zurückgegeben werden ORDER BY Reihenfolge zur Anzeige der abgerufenen Zeilen. ASC: aufsteigend (Standard), DESC: absteigend 48

49 Oracle/SQL-Syntax Folgende einfache Regeln und Richtlinien müssen einhalten werden, damit gültige Anweisungen konstruiert werden, die leicht lesbar und einfach zu editieren sind: SQL-Anweisungen unterscheiden keine Groß- und Kleinbuchstaben. Klauseln stehen gewöhnlich zur leichteren Lesbarkeit und Bearbeitung in separaten Zeilen. Schlüsselwörter werden gewöhnlich in Großbuchstaben angegeben; alle anderen Wörter, wie z.b. Tabellennamen und Spalten, werden in Kleinbuchstaben geschrieben. 49

50 Erste Schritte: Select from where SELECT... FROM SQL> select * from newhire; SELECT... FROM... WHERE SQL> select * from newhire where state_cd = 'MA'; 50

51 Select.. from.. where SELECT - Auswahl der Information (bzw. die Namen der Spalten, die die relevante Information enthalten) FROM - wo ist die Information zu finden (bzw. der Name der Relation/Tabelle, in der die relevante Information zu finden ist) WHERE - Definition von Bedingungen oder Selektionskriterien; hier kann auch spezifiziert werden, wie zwei Tabellen miteinander verknüpfbar sind GROUP BY - wie sollen die Daten gruppiert werden? ORDER BY - wie sollen die Daten sortiert werden? 51

52 Select from where SELECT KNr, Kursbezeichnung FROM Kurse WHERE Kursbezeichnung = 'Informatik' GROUP BY KNr; KNr Kursbezeichnung Informatik Informatik Elektrotechnik Steuerungstechnik Informatik Informatik 52

53 Oracle: SQL*Plus Aufruf über Menü Oracle9i - Benutzerkennung } - Password Verbindung - Host-Zeichenfolge Zugriff von der Befehlszeile: SQL> mit der Server-seitigen DB aufbauen Aufruf aus dem Menü Beenden über exit DDL und DML sofort einsetzbar; gesamter Sprachumfang von SQL*Plus 53

54 Oracle: SQL*Plus Jede Tabelle hat einen eindeutigen Namen alle Spalten haben eindeutige Namen für jede Spalte ist ein Datentyp anzugeben mit jedem Datentyp sind bestimmte Regeln verbunden, die Datenbank-Engine von Oracle9i unterstützt diese Regeln Datentypen char(size) Zeichenfolgen mit fixer Länge varchar(size) Zeichenfolgen mit variabler Länge number(l,d) Numerische Daten (l = Länge, d = Dezimalstellen) blob großes Binärobjekt (bis zu 4GB) raw(size) Datentyp mit variabler Länge; für Binärdaten oder Byte-strings wie Grafiken, sounds, Dokumente, etc. date Datumsangaben long Zeichendaten mit variabler Länge; Spalten, die als long definiert sind können bis zu 2GB aufnehmen 54

55 Übersetzen Sie in SQL: Zeige mir alle Daten der Tabelle Mitarbeiter Zeige mir den Mitarbeiter Müller in der Tabelle `Mitarbeiter` an Zeige mir aus der Tabelle Kursteilnehmer alle Personen, die den Kurs Datenbanken belegt haben 55