Klausur Grundlagen der Datenbanksysteme I zum Erwerb einer Studienleistung / eines Leistungsscheins

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1 Prof. Dott.-Ing. Roberto Zicari Datenbanken und Informationssysteme Institut für Informatik Fachbereich Informatik und Mathematik Klausur Grundlagen der Datenbanksysteme I zum Erwerb einer Studienleistung / eines Leistungsscheins WS 2007/ Februar 2008 Name: Vorname: Matrikelnummer: Hinweise: 1. Füllen Sie bitte sofort die oben verlangten Angaben aus. Auf allen übrigen Blättern tragen Sie bitte Ihren Namen ein. Nicht in dieser Weise gekennzeichnete Blätter können von der Wertung ausgeschlossen werden. 2. Lose Blätter sind nicht erlaubt. Lassen Sie daher diesen Stapel geheftet und bearbeiten Sie die Aufgaben direkt auf den Blättern. Sollte der ausreichend eingeräumte Platz dennoch einmal nicht genügen, so verweisen Sie bitte auf die anhängenden Zusatzblätter. 3. Außer gewöhnlichen Stiften nicht in rot und auch kein Bleistift! sind keine Hilfsmittel zugelassen. Insbesondere wird von der Klausur ausgeschlossen, wer währenddessen elektronische Geräte wie Organizer, Handys oder ähnliches benutzt. 4. Die Klausur besteht aus 8 Aufgaben, die nicht nach Schwierigkeitsgrad geordnet sind. Bitte verschaffen Sie sich zunächst einen überblick, bevor Sie die einzelnen Aufgaben bearbeiten. In der Klausur können insgesamt 180 Punkte erreicht werden. 5. Die Dauer der Klausur beträgt 180 Minuten. Bitte bleiben Sie nach Ablauf dieser Zeit an Ihrem Platz, bis alle Klausuren eingesammelt sind. Sollten Sie mehr als 15 Minuten früher fertig sein, so geben Sie Ihre Arbeit bitte bei der Klausuraufsicht ab und verlassen leise den Saal. Viel Erfolg! Nachfolgende Tabelle bitte nicht ausfüllen. Aufgabe Punkte Gesamt Note

2 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 2 Aufgabe 1: Multiple Choice (10 Punkte) Kreuzen Sie für jede der folgender Aussagen an, ob diese wahr oder falsch ist. Bewertung: Für jedes richtige Kreuz gibt es einen halben Punkt, für jedes falsche Kreuz wird ein halber Punkt abgezogen. Insgesamt gibt es nicht weniger als 0 Punkte. 1. Die einzelnen Sichten auf eine Datenbank werden auf der Konzeptuellen Ebene beschrieben. wahr falsch 2. (r r) (r r) wahr falsch 3. Das Data Dictionary enthält die Metadaten der Datenbank. wahr falsch 4. SQL ist eine reine Data Manipulation Language (DML). wahr falsch 5. Der Schnitt zweier Relationen lässt sich durch die Differenz ausdrücken. wahr falsch 6. Bei einem zusammengesetzten Schlüssel ist jedes Attribut eindeutig. wahr falsch 7. Synonymen und Homonymen sind Homonymen. wahr falsch 8. Die Nebenläufigkeitskontrolle (concurrency control) regelt der Transaktions- Manager. 9. Eine Relation kann als Tabelle visualisiert werden: Die Spalten repräsentieren die Tupel. wahr wahr falsch falsch 10. SQL: Eine View ist keine Relation. wahr falsch 11. Der Anfrage Prozessor führt Optimierung von Anfragen durch. wahr falsch 12. Der Selektionsoperator ist kommutativ. wahr falsch 13. Der Verbundoperator ist kommutativ. wahr falsch 14. Ein Relationenschema R ist eine endliche Menge von Attributnamen. wahr falsch 15. r s entspricht r s, falls R S = {}. wahr falsch 16. Klassifikation ist ein anderes Wort für Vererbung. wahr falsch 17. Das Ergebnis eines algebraischen Ausdrucks ist immer eine Relation. wahr falsch 18. SQL: Der union-operator folgt nicht dem Ansatz der Vielfachmenge. wahr falsch 19. Die Division ist eine Grundoperation der Relationalen Algebra. wahr falsch 20. Wenn X R und X R, dann ist X ein Oberschlüssel für R. wahr falsch

3 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 3 Lösung: 1. FALSCH Sichten werden auf der Sichten-Ebene (view-level) beschrieben. 2. RICHTIG (r r) (r r) 3. RICHTIG Die Schemainformationen nach der Übersetzung von DDL-Aussagen werden in einem besonderen File, dem Data Dictionary gespeichert. Diese Daten über Daten werden als Metadaten bezeichnet. 4. FALSCH SQL enthält sowohl DDL als auch DML Ausdrücke. 5. RICHTIG Der Schnitt zweier Relationen lässt sich durch die Differenz ausdrücken, denn es gilt: r s = r (r s) 6. FALSCH Ein Schlüssel identifiziert eine Entität. Er besteht aus einer Menge von Attributen, deren Werte alle Instanzen einer Entität eindeutig bestimmen. 7. FALSCH Synonyme sind verschiedene Begriffe mit gleicher Bedeutung. Homonyme sind Begriffe mit mehreren Bedeutungen. 8. RICHTIG Transaktions-Manager - Nebenläufigkeitskontrolle (concurrency control). 9. FALSCH Eine Relation kann als Tabelle visualisiert werden: Die Spalten repräsentieren die Attribute. 10. FALSCH Eine View ist eine Relation. 11. RICHTIG Anfrage Prozessor übersetzt die Ausdrücke der Anfragesprache in Low-Level Anweisungen, die der Datenbank Manager versteht; führt Optimierung von Anfragen durch. 12. RICHTIG Selektionsoperator ist kommutativ. 13. RICHTIG Der Verbundoperator ist kommutativ. 14. RICHTIG Ein Relationenschema R ist eine endliche Menge von Attributnamen {A1, A2,..., An}. 15. RICHTIG r s entspricht r s, falls R S = {}. 16. FALSCH Die Klassifikation definiert ein Konzept für eine Klasse von Objekten der realen Welt, die durch gemeinsame Eigenschaften gekennzeichnet sind. 17. RICHTIG Ergebnis eines algebraischen Ausdrucks ist immer eine Relation. 18. RICHTIG Der union-operator folgt, im Gegensatz zu den meisten anderen SQL-Konstrukten, nicht dem Ansatz der Vielfachmenge! 19. FALSCH Division ist eine Grundoperation der Relationalen Algebra. 20. RICHTIG Wenn X R und X R, dann ist X ein Oberschlüssel für R.

4 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 4 Aufgabe 2: Konzeptuelles Modell ( Punkte) Wegen den schwierigen Koalitionsverhandlungen nach der Wahl in Hessen, wurde nun beschlossen, die Monarchie wieder einzuführen. Um den Vorgang besser organisieren zu können, wurden folgende Anforderungen aufgestellt: Um die neue Ordnung einfach zu halten sollen die Menschen in Hessen nur noch in Adelige und Untertanen unterteilt werden. Einzelne Menschen sollen voneinander unterscheidbar sein, durch Namen, Adresse und eine eindeutige ID. Die Adeligen herrschen über die Untertanen. Um noch Reste der Demokratie zu erhalten, soll die Regierungszeit der Adeligen auf vier Jahre begrenzt sein. Untertanen sollen außerdem die Möglichkeit gegeben sein, bei den Adeligen als Diener zu arbeiten. Unter den Diener gibt es leitende und untergebene Diener. Jeder Diener hat einen bestimmten Aufgabenbereich und wird entsprechen entlohnt. Jeder Adelige wohnt in mindestens einem Schloss in Hessen, dass eine Postleitzahl, Telefonnummer und eine bestimmte Anzahl von Zimmer hat. a) Erstellen Sie aus der obigen Anforderung ein vollständiges ER-Diagramm mit Hilfe der Bottom-up Methode. Erläutern Sie dabei Ihre Vorgehensweise. b) Welche Anforderungen lassen sich nicht mit einem ER-Diagramm modellieren. Nennen Sie eine alternative Darstellungssmöglichkeit.

5 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 5 a) Lösung: "! # '() $%& )( +! *& b) Amtszeit auf vier Jahr begrenzt. Lösung: Business Rule: Ein Adeliger darf nicht länger als vier Jahre regieren.

6 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 6 Aufgabe 3: Relationales Modell (10 Punkte) a) Ist die Abbildung eines ER-Diagramms auf ein relationales Schema immer eindeutig? Begründen Sie Ihre Antwort kurz. b) Wandeln Sie folgendes relationales Schema in ein ER-Diagramm um. Achten Sie dabei auf korrekte Beziehungen und Kardinalitäten. Fremdschlüssel sind kursiv dargestellt, Schlüssel unterstrichen. Manager(id, vorname, name, schauspieleranzahl), Schauspieler(id, name, mangerid, gehalt, ortname), Spielt in(schauspielerid, filmtitel, von, bis), Ort(name, plz, landname), Land(name, bevoelkerungsanzahl), Film(titel, jahr, ortname, einnahmen)

7 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 7 Lösung: a) Die Abbildung eines ER-Diagramms auf ein relationales Schema ist nicht immer eindeutig (z.b. wg. Generalisierung). $!"# b)

8 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 8 Aufgabe 4: SQL und Relationale Algebra (30 Punkte) Folgendes Schema speichert zu Schauspielern ihre Manager, Filmverträge (Attribute: von, bis) und ihr Heimatland. Zu Filmen wird das Jahr und der Ort der Erstaufführung gespeichert. Fremdschlüssel sind kursiv dargestellt, Schlüssel unterstrichen. Manager(id, vorname, name, schauspieleranzahl), Schauspieler(id, name, mangerid, gehalt, ortname), Spielt in(schauspielerid, filmtitel, von, bis), Ort(name, plz, landname), Land(name, bevoelkerungsanzahl), Film(titel, jahr, ortname, einnahmen) a) Fügen Sie den Film mit Namen I am Legend aus dem Jahr 2008 mit Einnahmen von 500 Millionen mittels SQL in die Datenbank ein. b) Formulieren Sie für folgende Anfragen ein Äquivalent in SQL: - Wieviele Schauspieler betreut der Manager Rolf Miller? - Wie heißt der Schauspieler mit dem höchsten Gehalt? - Welche Filme wurden nach dem Jahr 1990 in einem Land mit einer bevoelkerungsanzahl von mehr als 100 Millionen gedreht? - Hat der Manager Rolf Miller einen Schauspieler betreut, der im Film Die Simpsons mitgespielt hat? - Wie groß ist die Bevölkerung der beiden Länder Japan und Madagaskar zusammen? - Welcher Film hat Einnahmen über 1 Millionen eingespielt? Geben Sie diese absteigend alphabetisch sortiert aus. - Welches Gehalt haben Schauspieler, die im Film Titanic mitspielten, im Durchschnitt? c) Löschen Sie den Film Große Langeweile mittels SQL aus der Datenbank. Kann es hierbei zu Problemen kommen? Begründen Sie Ihre Antwort. d) Beschreiben Sie in Worten das Ergebnis folgender Anfrage: SELECT S. name FROM Schauspieler S WHERE S. id IN ( SELECT FROM S p i e l t i n SIN WHERE SIN. schauspielerid = S. id AND (SIN. von > OR SIN. bis > ) ) e) Formulieren Sie für folgende Anfragen ein Äquivalent in relationaler Algebra: - Geben Sie die Schauspieler an, die in allen Filmen mitgespielt haben, die ihre Erstaufführung (Attribut: ortname) in Frankfurt hatten. Verwenden Sie den Divisionsoperator! - Geben Sie die Namen der Schauspieler an, die schon mindestens einmal einen Film-Vertrag hatten, der mehr als 100 Millionen Einnahmen hatte.

9 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 9 Lösung: a) INSERT INTO FILM (titel, jahr, ortname, einnahmen) VALUES ( I am Legend, 2008, I am Legend, ) b) - SELECT schauspieleranzahl FROM MANAGER WHERE vorname = Rolf AND name = Miller - SELECT name FROM SCHAUSPIELER WHERE gehalt = (SELECT max(gehalt) from SCHAUSPIELER) oder SELECT name, max(gehalt) as gmax FROM SCHAUSPIELER WHERE gehalt = gmax - SELECT titel FROM FILM F, ORT O, LAND L WHERE F.jahr > 1990 AND L.bevoelkerungsanzahl > AND O.landname = L.name AND F.ortname = O.name - SELECT SIN.schauspielerid FROM MANAGER M, SPIELT IN SIN WHERE M.vorname = Rolf AND M.name = Miller AND SIN.filmtitel = Die Simpsons - SELECT SUM (bevoelkerungsanzahl) FROM LAND WHERE name = Madagaskar OR name = Japan - SELECT titel FROM FILM WHERE einnahmen > ORDER BY (titel) DES - SELECT AVG(S.gehalt) FROM SCHAUSPIELER S, SPIELT IN SIN WHERE SIN.titel = Titanic AND SIN.schauspielerid = S.id c) DELETE FILM WHERE NAME= Grosse Langeweile Problem: Es wird nur der Film in der DB Film geloescht. In SPIELT IN koennten aber noch die Schauspieler fuer den Film gespeichert sein. Dann entstehen Anomalien; FS hat einen ungueltigen Wert.

10 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 10 d) Welche Schauspieler hatte nach 2006 einen Film-Vertag? oder: Welche Schauspieler hat in einem Film gespielt der nach begonnen hat oder nach immer noch laeuft. e) - E = π SIN.schauspielerid (σ SIN.filmtitel=F.titel ((SPIELT IN FILM)) ALLE FEHLT: Select SIN.schauspielerid from SPIELT IN SIN, FILM F, WHERE SIN.filmtitel = F.titel AND SIN.id IN ( SELECT * FROM FILM WHERE F.ortname= Frankfurt ) - E = π S.name (σ SIN.schauspielerid=S.id SIN.filmtitel=F.titel F.einnahmen> (SCHAUSPIELER SPIELT IN FILM))) Select S.name from SCHAUSPIELER S WHERE S.id IN( SELECT * FROM SPIELT IN SIN, FILM F WHERE SIN.schauspielerid=S.id AND SIN.filmtitel = F.titel AND F.einnahmen > )

11 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 11 Aufgabe 5: Logische Optimierung ( Punkte) Gegeben seien die Relationen q(acd), r(bcd) und s(bef). Optimieren Sie unter Verwendung der Operatorbäume die folgenden Anfragen. Geben Sie bitte auch alle Ihre Zwischenschritte mit an. E = π CD (σ A>a B=b (π ACD (σ F>f A>a (q (r s)))))

12 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 12 Lösung:

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20 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 20 Aufgabe 6: Normalformen ( Punkte) Die Frankfurter Schneiderei Nadel & Faden nutzt die unten stehende Datenbank, um ihre Produkte zu verwalten. Leider stellte sich mit der Zeit heraus, dass das Datenmodell nicht gut durchdacht ist. Fabrikant hersteller adresse plz artikelnummer Kleber Hauptstrasse {123, 124, 125} Kleinert Nebenstrasse {235, 123} Artikel nummer name farbe 123 Rock {Blau, Rot, Grün} 124 Pullover {Schwarz} 245 Jeans {Blau, Schwarz} a) Nennen und erläutern Sie zwei Anomalien, die im obigen Schema auftreten können. b) Bringen Sie das Schema, wenn nötig, in die erste Normalform. c) Bringen Sie das Schema, wenn nötig, in die zweite Normalform. d) Bringen Sie das Schema, wenn nötig, in die dritte Normalform.

21 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 21 Lösung: ERSTE NORMALFORM: Fabrikant hersteller adresse plz artikelnummer Kleber Hauptstrasse Kleber Hauptstrasse Kleber Hauptstrasse Kleinert Nebenstrasse Kleinert Nebenstrasse Artikel nummer name farbe 123 Rock Blau 123 Rock Rot 123 Rock Grün 124 Pullover Schwarz 245 Jeans Blau 245 Jeans Schwarz

22 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 22 ZWEITE NORMALFORM: FDs: hersteller adresse hersteller plz hersteller adresse, plz adresse plz nummer name Schlüssel Fabrikant: hersteller, adresse, plz, artikelnummer hersteller, artikelnummer adresse, plz Schlüssel Artikel: nummer, name, f arbe nummer, f arbe name Voll FD?: Schlüssel Fabrikant: adresse und plz nur von hersteller abhängig Schlüssel Artikel: name nur von nummer abhängig Fabrikant hersteller artikelnummer Kleber 123 Kleber 124 Kleber 125 Kleinert 235 Kleinert 123 Adresse hersteller adresse plz Kleber Hauptstrasse Kleinert Nebenstrasse Artikelfarbe nummer farbe 123 Blau 123 Rot 123 Grün 124 Schwarz 245 Blau 245 Schwarz Artikelname nummer name 123 Rock 124 Pullover 245 Jeans

23 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 23 DRITTE NORMALFORM: Keine transitiven Abhängigkeiten: Schema ist in dritter Normalform.

24 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 24 Aufgabe 7: Transaktionen ( Punkte) Gegeben sei folgender Schedule für die Transaktionen T 1, T 2 und T 3. T 1 T 2 T 3 READ(X) X:=10 READ(Y) Y:=Y*3 READ(Z) Z:=0+1 READ(Y) READ(X) X:=Y+10 WRITE(Y) READ(X) Z:=X+5 WRITE(X) X:=Y+3 WRITE(X) WRITE(Y) WRITE(Z) a) Geben Sie einen entsprechenden seriellen Schedule an. b) Erweitern Sie den Schedule um richtige Lock/Unlock Operationen des zwei-phasen-sperrprotokolls (2PL). c) Gegeben sei folgende Baumstruktur der Objekte X,Y und Z. Ändern Sie Transaktion T 3 so ab, dass T 3 das Baumprotokoll erfüllt.

25 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 25 Lösung: a) S seriell : T 1, T 2, T 3 b) T 1 T 2 T 3 R-LOCK(X) READ(X) X:=10 R-LOCK(Y) READ(Y) Y:=Y*3 R-LOCK(Z) READ(Z) Z:=0+1 R-LOCK(Y) READ(Y) R-LOCK(X) READ(X) X:=Y+10 W-LOCK(Y) (wait T 1 ) R-LOCK(X) Z:=X+5 W-LOCK(X) DEADLOCK - abort T 1 WRITE(Y) X:=Y+3 W-LOCK(X) (wait T 3 ) W-LOCK(Z) WRITE(Z) UNLOCK(X) UNLOCK(Z) WRITE(X) UNLOCK(Y) UNLOCK(X) R-LOCK(X) READ(X) X:=10 R-LOCK(Y) READ(Y) X:=Y+10 W-LOCK(X) WRITE(X) W-LOCK(Y) WRITE(Y)

26 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 26 Aufgabe 8: Optimistic Concurrency Control ( Punkte) a) Für die Produktdatenbank in einem Supermarkt mit 14 Kassen soll ein Verfahren für die Nebenläufigkeitskontrolle ausgewählt werden (2PL oder optimistisches Concurrency Control). Für welches würden Sie sich entscheiden? Begründen Sie Ihre Antwort kurz. b) Wandeln Sie folgenden Schedule S 1 in einen Schedule um, der auf dem optimistischen Verfahren beruht. Denken Sie dabei auch an die Angabe der Zeitstempel. Neu gestartete Transaktionen werden an den existierenden Schedule angehängt. Sollten mehrere Transaktionen neu gestartet werden müssen, wird jede Aktion im Wechsel durchgeführt. Anmerkung: Weitere Blätter mit der vorgedruckten Tabelle können Sie sich geben lassen! S 1 : READ 2 (y), READ 1 (x), WRITE 1 (x), WRITE 2 (y), READ 2 (y), WRITE 3 (x), READ 2 (x), WRITE 1 (x), READ 3 (z), COMMIT 1, COMMIT 3, COMMIT 2 T 1 T 2 T 3 t(t 1 ) t(t 2 ) t(t 3 ) t r (x) t r (y) t r (z) t w (x) t w (y) t w (z)

27 Klausur DB1 WS 2007/2008, Name: 27 Lösung: T 1 T 2 T 3 t(t 1) t(t 2) t(t 3) t r(x) t r(y) t r(z) t w(x) t w(y) t w(z) R(y) 110 R(x) 100 W(x) 100 W(y) 110 R(y) 110 R(x) 110 W(x) abort T 1, T 2 W(x) 120 R(z) 120 R(y) 150 R(x) 140 W(x) 140 W(y) 150 W(x) 140 R(y) 150 R(x) 140