objektrelationale Datenbanken

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1 Vorlesung Objektrelationale Datenbanken Universität Magdeburg, SomSem 04 Eike Schallehn VL Objektrelationale Datenbanken 0 1 Organisatorisches Vorlesung Freitag: 11:15-12:45, Raum G Vorlesungsmaterial Übung Dienstag, 9:15-10:45, Raum G Prüfungen mündlich 30 min Schein: Gespräch oder 5 Vorträge in der Übung VL Objektrelationale Datenbanken 0 1 Überblick 1. Einführung: Motivation, Datenmodelle 2. Objektorientierter Datenbankentwurf 3. Datenmodelle für objektorientierte und objektrelationale Datenbanken 4. Datendefinition 5. Grundlagen von Anfragesprachen 6. Anfragesprachen 7. Methodenimplementierung VL Objektrelationale Datenbanken 0 2

2 Literatur Türker, C.: SQL:1999 & SQL:2003, dpunkt.verlag, Heidelberg, 2003 Geppert, A.: Objektrelationale und objektorientierte Datenbankkonzepte und -systeme, dpunkt.verlag, Heidelberg 2002 Heuer, A.; Saake, G.: Datenbanken Konzepte und Sprachen. 2. Aufl., mitp-verlag, Bonn, Januar 2000 Saake, G.; Türker, C.; Schmitt, I.: Objektdatenbanken, Int. Thomson Publishing, 1997 Elmasri, R.; Navathe, S.: Grundlagen von Datenbanksystemen, Pearson Studium, 2002 VL Objektrelationale Datenbanken Motivation Grundbegriffe Geschichte unterschiedlicher Datenmodelle RDBMS als Standard die Erfolge die Probleme Objektorientierung für Datenbanken? Synthese? VL Objektrelationale Datenbanken 1 1 Prinzipien von DBS DBMS: Datenbank-Management-System DBS: Datenbanksystem (DBMS + Datenbank) Anwendung 1... Anwendung n DBMS Datenbank VL Objektrelationale Datenbanken 1 2

3 Prinzipien /2 Grundmerkmale verwalten persistente (langfristig zu haltende) Daten verwalten große Datenmengen effizient Datenbankmodell, mit dessen Konzepten alle Daten einheitlich beschrieben werden (Integration) Operationen und Sprachen (DDL, IQL, DML,... ) deskriptiv, getrennt von einer Programmiersprache Transaktionskonzept, Concurrency Control: logisch zusammenhängende Operationen atomar (unteilbar), Auswirkungen langlebig, können parallel durchgeführt werden Datenschutz, Datenintegrität (Konsistenz), Datensicherheit VL Objektrelationale Datenbanken 1 3 Prinzipien /3 Grundprinzip moderner Datenbanksysteme 3-Ebenen-Architektur (physische Datenunabhängigkeit, logische Datenunabhängigkeit) Trennung zwischen Schema (etwa Tabellenstruktur) und Instanz (etwa Tabelleninhalt) angelehnt an 9 Codd sche Regeln: VL Objektrelationale Datenbanken 1 4 Die neun Codd schen Regeln 1. Integration: einheitliche, nichtredundante Datenverwaltung 2. Operationen: Speichern, Suchen, Ändern 3. Katalog: Zugriffe auf Datenbankbeschreibungen im Data Dictionary 4. Benutzersichten 5. Integritätssicherung: Korrektheit des Datenbankinhalts 6. Datenschutz: Ausschluss unauthorisierter Zugriffe 7. Transaktionen: mehrere DB-Operationen als Funktionseinheit 8. Synchronisation: parallele Transaktionen koordinieren 9. Datensicherung: Wiederherstellung von Daten nach Systemfehlern VL Objektrelationale Datenbanken 1 5

4 Schema-Architektur Zusammenhang zwischen Konzeptuellen Schema (Ergebnis der Datendefinition) Internen Schema (Festlegung der Dateiorganisationen und Zugriffspfade) Externen Schema (Ergebnis der Sichtdefinition) Anwendungsprogrammen (Ergebnis der Anwendungsprogrammierung) VL Objektrelationale Datenbanken 1 6 Schema-Architektur /2 Trennung Schema Instanz Schema (Metadaten, Datenbeschreibungen) Instanz (Anwenderdaten, Datenbankzustand oder -ausprägung) Datenbankschema besteht aus internem, konzeptuellen, externen Schema und den Anwendungsprogrammen im konzeptuellen Schema etwa: Strukturbeschreibungen Integritätsbedingungen Autorisierungsregeln (pro Benutzer für erlaubte DB-Zugriffe) VL Objektrelationale Datenbanken 1 7 Schema-Architektur /3 externes Schema 1... externes Schema N konzeptuelles Schema Anfragebearbeitung Datendarstellung internes Schema VL Objektrelationale Datenbanken 1 8

5 Datenunabhängigkeit Stabilität der Benutzerschnittstelle gegen Änderungen physisch: Änderungen der Dateiorganisationen und Zugriffspfade haben keinen Einfluß auf das konzeptuelle Schema logisch: Änderungen am konzeptuellen und gewissen externen Schemata haben keine Auswirkungen auf andere externe Schemata und Anwendungsprogramme VL Objektrelationale Datenbanken 1 9 Datenunabhängigkeit /2 mögliche Auswirkungen von Änderungen am konzeptuellen Schema: eventuell externe Schemata betroffen (Ändern von Attributen) eventuell Anwendungsprogramme betroffen (Rekompilieren der Anwendungsprogramme, eventuell Änderungen nötig) nötige Änderungen werden jedoch vom DBMS erkannt und überwacht VL Objektrelationale Datenbanken 1 10 Grundlagen von Datenbankmodellen Begriff Datenbankmodell Ein Datenbankmodell ist ein System von Konzepten zur Beschreibung von Datenbanken. Es legt Syntax und Semantik von Datenbankbeschreibungen für ein Datenbanksystem fest. Datenbankbeschreibungen = Datenbankschemata VL Objektrelationale Datenbanken 1 11

6 Ein Datenbankmodell legt fest statische Eigenschaften (a) Objekte (b) Beziehungen inklusive der Standard-Datentypen, die Daten über die Beziehungen und Objekte darstellen können, 2. dynamische Eigenschaften wie (a) Operationen (b) Beziehungen zwischen Operationen, 3. Integritätsbedingungen an (a) Objekte (b) Operationen. VL Objektrelationale Datenbanken 1 12 Datenbankmodelle Klassische Datenbankmodelle sind speziell geeignet für große Informationsmengen mit relativ starrer Struktur und die Darstellung statischer Eigenschaften und Integritätsbedingungen (also die Bereiche 1(a), 1(b) und 3(a)). VL Objektrelationale Datenbanken 1 13 Modelle für Daten und Algorithmen Modelle Daten Algorithmen abstrakter Entity-Relationship-Modell Flußdiagramme konkreter Hierarchisches Modell PASCAL Netzwerkmodell FORTRAN Relationenmodell Ada Neuere Modelle: deduktiv, objektorientiert, semistrukturiert VL Objektrelationale Datenbanken 1 14

7 Historische Einordnung und Bezüge implementierungsnah abstrakt ab Mitte 1960 HM NWM OODM (C++) SQL RM NF2 enf2 ER OEM SDM 2000 ODMG ORM / SQL-99 VL Objektrelationale Datenbanken 1 15 Evolution der Datenmodelle Operationale Mächtigkeit Geschachteltes Relationen Relationen modell modell Rekursiv geschachteltes Relationen modell Objekt relationale Modelle Datei modell Hierarchisches Modell Netzwerk Modell Semantische & Objektorientierte Datenmodelle Strukturelle Mächtigkeit VL Objektrelationale Datenbanken 1 16 Relationale Datenbanksysteme Basis: Relationenmodell (Codd 1970) am weitesten verbreitete Technologie erste Prototypen: 1974 (System R, IBM), 1975 (Ingres, UCB) erste kommerzielle Produkte: 1979 (Oracle) heute: Oracle9i, IBM DB2 V. 8.1, MS SQL Server 2000, PostgreSQL, MySQL,... Standardsprache: SQL Standardschnittstellen: SQL/CLI, Embedded SQL, XA,... VL Objektrelationale Datenbanken 1 17

8 Relationenmodell Konzeptuell ist die Datenbank eine Menge von Tabellen AUSLEIH INV.NR NAME 4711 Meyer 1201 Schulz 0007 Müller 4712 Meyer BUCH INV.NR TITEL ISBN AUTOR 0007 Dr. No James Bond 1201 Objektbanken Heuer 4711 Datenbanken Vossen 4712 Datenbanken Ullman 4717 PASCAL Wirth Tabellen = Relationen VL Objektrelationale Datenbanken 1 18 Relationenmodell /2 Fett geschriebene Zeilen: Relationenschema Weitere Einträge in der Tabelle: Relation Eine Zeile der Tabelle: Tupel Eine Spaltenüberschrift: Attribut Relationenname Attribute R A1 An } Relationenschema Tupel Relation VL Objektrelationale Datenbanken 1 19 Integritätsbedingungen Relationenschema + lokale Integritätsbedingungen INVENTARNR ist Schlüssel für BUCH d.h. INVENTARNR darf nicht doppelt vergeben werden Datenbankschema ist Menge von Relationenschemata + globale Integritätsbedingungen INVENTARNR in AUSLEIH ist Fremdschlüssel bezüglich BUCH d.h.: INVENTARNR taucht in einem anderen Relationenschema als Schlüssel auf VL Objektrelationale Datenbanken 1 20

9 Anfrageoperationen SELEKTION: Zeilen (Tupel) auswählen σ NAME= Meyer (AUSLEIH) INVENTARNR NAME 4711 Meyer 4712 Meyer PROJEKTION: Spalten (Attribute) auswählen π INVENTARNR, TITEL (BUCH) Achtung: doppelte Tupel werden entfernt! INVENTARNR TITEL 0007 Dr. No 1201 Objektbanken 4711 Datenbanken 4712 Datenbanken 4717 PASCAL VL Objektrelationale Datenbanken 1 21 Anfrageoperationen /2 VERBUND (JOIN): Tabellen verknüpfen über gleichbenannte Spalten und gleiche Werte π INVENTARNR,TITEL (BUCH) σ NAME= Meyer (AUSLEIH) ergibt: INVENTARNR TITEL NAME 4711 Datenbanken Meyer 4712 Datenbanken Meyer VL Objektrelationale Datenbanken 1 22 Anfrageoperationen /3 SEMI-VERBUND: Verbund der nur Attribute einer der beiden Tabellen liefert R S = π R* (R S) Weitere Operationen: Vereinigung, Differenz, Durchschnitt, Umbenennung Alle Operationen beliebig kombinierbar ( Algebra ) VL Objektrelationale Datenbanken 1 23

10 Sprachen und Sichten Anfragesprache Interaktive Möglichkeit, Datenbankabfragen zu formulieren und zu starten Relationenalgebra + Funktionen (SUM, MAX, MIN, COUNT,... ) + arithmetische Operationen eventuell graphisch verpackt SQL als Standard select BUCH.INVENTARNR, TITEL, NAME from BUCH, AUSLEIH where NAME = Meyer and BUCH.INVENTARNR = AUSLEIH.INVENTARNR VL Objektrelationale Datenbanken 1 24 Sprachen und Sichten /2 Änderungskomponente: interaktive Möglichkeit für Eingabe von Tupeln Löschen von Tupeln Ändern von Tupeln Lokale und globale Integritätsbedingungen werden geprüft! Definition von Benutzersichten Häufig vorkommende Datenbankabfragen können unter Sichtnamen als virtuelle Tabelle gespeichert werden VL Objektrelationale Datenbanken 1 25 Sprachen: SQL select Buch.InventarNr, Titel, Name from Buch, Ausleih where Name = Meyer and Buch.InventarNr = Ausleih.InventarNr update Angestellte set Gehalt = Gehalt where Gehalt < 5000 insert into Buch values (4867, Wissensbanken, 3-876, Karajan ) insert into Kunde ( select LName, LAdr, 0 from Lieferant ) VL Objektrelationale Datenbanken 1 26

11 SQL: Geschichte SEQUEL (1974, IBM Research Labs San Jose) SEQUEL2 (1976, IBM Research Labs San Jose) SQL (1982, IBM) ANSI-SQL (SQL-86; 1986) ISO-SQL (SQL-89; 1989; drei Sprachen Level 1, Level 2, + IEF) (ANSI / ISO) SQL2 (als SQL-92 verabschiedet) (ANSI / ISO) SQL3 (als SQL:1999 verabschiedet) (ANSI / ISO) SQL:2003 (in Arbeit) VL Objektrelationale Datenbanken 1 27 RDBMS: Probleme Nicht-Standard-Anwendungen: rechnerunterstützte Ingenieursysteme, computergestützter Softwareentwicklungsprozess, Multimedia- und Hypermedia-Anwendungen,... komplexe Datenstrukturen komplexe Integritätsbedingungen navigierende Zugriffe komplexe Abläufe Komplexe Datenstrukturen Wunsch nach Typkonstruktoren wie tuple, array, list und set Konstruktion komplexer Datenstrukturen VL Objektrelationale Datenbanken 1 28 RDBMS: Probleme /2 Semantische Modellierungskonzepte: Spezialisierung, Aggregation, Assoziation Identifikation von Anwendungsobjekten in RDBMS mittels Primärschlüsselwerten Identifizierungssemantik und Wertesemantik ohne künstlichen Schlüssel viele Attribute wegen Eindeutigkeit nötig Versionierung von Anwendungsobjekten komplexe Abläufe in Nicht-Standard-Anwendungen Kooperation statt einschränkende ACID-Transaktionen Kooperation durch Versionierung von Anwendungsobjekten VL Objektrelationale Datenbanken 1 29

12 RDBMS: Probleme /3 Verhalten von Anwendungsobjekten strikte Trennung zwischen Daten und zeitlichen Abläufen (Verhalten) Verwaltung der Daten DBMS Anwendungsprogramme Programmiersprachen starke Abhängigkeiten zwischen Daten und Verhalten Kapselung bekannt aus OOPS Wiederverwendbarkeit anwendungsunabhängige Abläufe z.b. Berechnungen für komplexe Integritätsbedingungen VL Objektrelationale Datenbanken 1 30 RDBMS: Probleme /4 Impedance Mismatch SQL mengenorientiert und deklarativ Programmiersprachen oft satzorientiert und prozedural unterschiedliche Typsysteme Überbrückung beider Welten durch Anwendungsprogrammierer VL Objektrelationale Datenbanken 1 31 Objektdatenbanksysteme (ODBS) Objektdatenbankmanagementsystem: Ein ODBMS ist ein DBMS, das ein Objektdatenbankmodell unterstützt. Ein Objektdatenbankmodell ist ein Objektmodell mit datenbankspezifischen Eigenschaften wir Persistenz und Transaktionen. VL Objektrelationale Datenbanken 1 32

13 ODBS: Historie erste Systeme seit ODBMS-Manifesto 1993 ODMG-Industriestandard 2000 ODMG 3.0 seitdem Marktberuhigung Einschränkungen der verfügbaren Systeme, unzureichende Unterstützung des Standards,... aktuelle Systeme FastObjects (POET), Versant, ObjectStore (Progress; früher ODI)? VL Objektrelationale Datenbanken 1 33 ODBMS-Manifesto: The Golden Rules Komplexe Objekte Objektidentität Kapselung Typen und Klassen Klassen- oder Typhierarchie Overriding, Overloading, Late Binding Berechnungsvollständige DB-Programmiersprache außerdem: Erweiterbarkeit, Persistenz, Sekundärspeicherverwaltung, Synchronisation und Recovery von Transaktionen, Anfragesprachen VL Objektrelationale Datenbanken 1 34 ODBMS-Manifesto: The Goodies Mehrfachvererbung Statische Typisierung und Typ-Inferenz außerdem: Verteilung, Entwurfstransaktionen, Versionen VL Objektrelationale Datenbanken 1 35

14 Unberücksichtigte DBMS-Eigenschaften Integrität Sichten Schemaevolution Zugriffskontrolle VL Objektrelationale Datenbanken 1 36 Definition eines ODBMS ODBMS ist ein System, das auf einem Objektdatenbankmodell basiert, eine objektorientierte DB-Programmierumgebung anbietet, (zumindest konzeptuell) erweiterbar ist, und darüber hinaus folgende DB-Funktionalität unterstützt: 1. Persistenz 2. Anfragesprache 3. Transaktionen 4. Synchronisation 5. Datensicherung 6. Integritätssicherung 7. Sichtdefinition 8. Zugriffsschutz 9. Schemaevolution VL Objektrelationale Datenbanken 1 37 Objektspeichersysteme versus ODBMS Eigenschaft OSS ODBMS Persistente Speicherung Datenunabhängigkeit Optimierung von Anfragen Transaktionen im (eingeschränkt) Mehrbenutzerbetrieb Sichten VL Objektrelationale Datenbanken 1 38

15 Probleme von ODBMS enge Kopplung an Programmiersprache (Datenunabhängigkeit?) Methodenimplementierung meist auf Client-Seite unzureichende Unterstützung des Standards Anfrageoptimierung Zugriffskontrolle, Sichtenkonzept VL Objektrelationale Datenbanken 1 39 Synthese von RDBMS und ODBMS? Verbindung der Vorteile von RDBMS Reife (Speicherverwaltung, Optimierung, Recovery, Zugriffskontrolle) Standardkonformität (SQL) Verbreitung mit Vorteilen von ODBMS semantisch reiches Datenmodell Erweiterbarkeit (Typen) Verhaltensimplementierung objektrelationale Datenbanksysteme VL Objektrelationale Datenbanken 1 40 Vergleich der Ansätze Anwendungsobjekte Relationale Repräsentation Transformation RDBMS Objekttransfer ODBMS VL Objektrelationale Datenbanken 1 41

16 Erweiterbarkeit AP AP AP AP AP AP Objektrelationales SQL Erweiterung Relationales SQL DBMS DBMS... Erweiterung VL Objektrelationale Datenbanken 1 42 Aktuelle Systeme Oracle9i IBM DB2 V8.1 IBM Informix PostgreSQL 7.4 Intersystems Caché 5 außerdem: objektrelationales Mapping (JDO) VL Objektrelationale Datenbanken 1 43 Einsatzmöglichkeiten Erweiterungsmodule (Cartridge, Extender, Datablade) neue Datentypen und zugehörige Operationen Beispiele: XML, Spatial Data, Audio/Video/Images objektorientierte Anwendungen Speicherung von Objekten direkt im DBS Unterstützung von OO-Konzepten (Objektidentität, Aggregation, Vererbung, Methoden, Navigation) VL Objektrelationale Datenbanken 1 44