Logischer Entwurf von Datenbanken

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1 Logischer Entwurf von Datenbanken Relationales Datenbankschema Wintersemester 16/17 DBIS 1

2 Typischer Datenbankentwurf Anforderungsanalyse und -spezifikation Miniwelt Konzeptioneller Entwurf E/R-Diagramm Alternative: UML-Diagramm Logischer Entwurf Relationales DB- Schema Alternativen: Bachman-Diagramm (Netzwerk- DB-Modell) Hierarchisches DB-Schema (Hierarchisches DB-Modell) Datendefinition Durch Wahl eines Produkts SQL-Anweisungen gemäß SQL- Dialekt des gewählten DBMS (Übung: DB2) Alternativen: Wahl eines anderen RDBMS Wintersemester 16/17 DBIS 2

3 Inhalt des Kapitels Vorbemerkung Ausgangslage, Entwicklungsziele, Historie Begriffe und Eigenschaften Relationen und Tabellen Relationsschema Schlüssel, Integrität Relationale Abbildung des E/R-Modells Beziehungstypen Nichtatomare Attribute Wintersemester 16/17 DBIS 3

4 Ausgangslage (1960er Jahre) Datenbanksysteme "weit entfernt" vom gelegentlichen Endbenutzer Datenbank nur aus Anwendungsprogramm heraus ansprechbar, dazu sind Programmierkenntnisse erforderlich Datenbanksprache (DL/1, CODASYL) schwer zu erlernen GET UNIQUE, GET NEXT, GET NEXT WITHIN PARENT Datenbanksystem nur für kleinen Kreis von Spezialisten zugänglich, dadurch "Entwicklungsstau" Komplizierter Umgang mit Datenbanksystem führt zu Fehlern Datenbank wird inkonsistent, DBMS kann dies nicht feststellen Fatal vor allem bei kritischen Anwendungen (z.b. Prozessteuerung in der Industrie, Finanzbereich) Wintersemester 16/17 DBIS 4

5 Entwicklungsziele Relationales Modell Einfaches Datenmodell mit mathematisch fundierter Grundlage Einfache Datenbanksprache (auch für Ad-hoc-Anfragen) mit mathematisch fundierter Grundlage Verhalten von Datenbanksprachanweisungen (Semantik) ist wohldefiniert auf mathematischer Grundlage Benutzer beschreibt nur noch, was er haben möchte (lesen, einfügen, ändern, löschen), das wie überlässt er dem DBS Überwachung von Konsistenz/Integrität möglichst weitgehend durch das DBMS und nicht durch den Benutzer Semantik der Daten muss dem DBMS offengelegt werden, sodass automatische Überprüfungen möglich sind Deskriptive Anfragen anstatt Navigation Wintersemester 16/17 DBIS 5

6 Ergebnisse der Entwicklung Datenmodell leichter zu verstehen, Datenbanksprache leichter zu erlernen (breiterer Benutzerkreis, weniger Entwicklungsstau) Datenbankzugriffe auch ad-hoc möglich, nicht zwingend per Anwendung Inkonsistente Datenbanken unwahrscheinlicher Ineffizienter Datenbankzugriff unwahrscheinlicher DBMS ist für das wie des Datenzugriffs verantwortlich Optimale Ausführungsstrategie wählbar (Zugriffsplan, Optimizer) Wintersemester 16/17 DBIS 6

7 Entwicklungsweg relationaler DBMS Erste Prototypen ab Mitte der 1970er System R (IBM, später DB2), Ingres (Univ. of California) Erste Produkte ab Ende der 1970er SQL/DS, DB2, Ingres, Oracle Stärkere Verbreitung in der Praxis ab Mitte der 1980er und 1990er Informix, Sybase, MS SQL Server, MySQL Wintersemester 16/17 DBIS 7

8 Eigenschaften Wenige, einfache und mathematisch fundierte Konzepte und Begriffe Beschreibung ausschließlich logischer Aspekte (konzeptuelles Schema), physische Aspekte (internes Schema) nicht Gegenstand des Modells Modellierung in Form von Relationen, Grundlage zur Darstellung der Daten sowie der Datenabfrage und -Manipulation Grundlegende Begriffe: Relation Relationsschema Datenbankschema Schlüssel Wintersemester 16/17 DBIS 8

9 Definition Relation Gegeben seien Wertebereiche/Domänen D 1, D 2,..., D n Eine Relation R ist eine Teilmenge des kartesischen Produkts der Domänen D 1, D 2,..., D n R D 1 D 2... D n (n 1) n = Stelligkeit (Grad) der Relation Element r = (d 1, d 2,..., d n ) mit d i єd i wird als Tupel von R bezeichnet, d i als die i-te Komponente des Tupels Wintersemester 16/17 DBIS 9

10 Darstellung der Relation Relationen können als Tabellen dargestellt / aufgefasst werden Ein Tupel entspricht der Tabellenzeile Die Komponente des Tupels entspricht dem Wert in Tabellenspalte Relation R D 1 D 2... D n d 1 d 2... d n... Tupel Wintersemester 16/17 DBIS 10

11 Ein einfaches Beispiel Domänen: D 1 = {rot, blau, grün}, D 2 = {0,1} Kartesisches Produkt: D 1 D 2 = {(rot,0), (rot,1), (blau,0), (blau,1), (grün,0), (grün,1)} Mögliche 2-stellige Relationen: R 1 = {(rot,0), (grün,1)} rot 0 grün 1 R 2 = { } R 3 = {(rot,0)} rot 0 Wintersemester 16/17 DBIS 11

12 Definition Relationsschema Bisher wurden Relationen (Mengen von Tupeln) betrachtet Aus Datenbanksicht ist aber auch das zugehörige Schema von Interesse, das einen Relationstyp beschreibt Abstraktion von konkreter Relation zum Relationstyp Relationsschema besteht aus Schemaname Menge von Domänen(namen) D 1, D 2,..., D n Menge von Attributnamen A 1, A 2,..., A n (Tabellenspalten mit a i єd i ) Zusätzlichen Integritätsbedingungen Wintersemester 16/17 DBIS 12

13 Ein Beispiel in Textform Eine Farbtabelle (wie vorhin) Schemaname: FarbTabelle, kurz: FarbTabelle(Farbe, Wert) Domänen: D 1 = {rot, blau, grün}, D 2 = {0,1} Attributnamen: Farbe (D 1 ), Wert (D 2 ) Integritätsbedingung: Farbe rot darf nicht mit Wert 1 ein Tupel bilden Wintersemester 16/17 DBIS 13

14 Ein Beispiel in Tabellenform Relationsschema Angest (Name, Beruf, Wohnort, GebJahr) Domänen/Integritätsbedingungen hier nicht aufgeführt Darstellung von Schema + Daten Schemaname: Angest Attributnamen: Name, Beruf, Wohnort, GebJahr Schemaname Attributname Tupel (Darstellung als Tabellenzeilen) Angest Name Beruf Wohnort GebJahr Müller Meier Schulze Schreiner Schmied Bergmann Jena Jena Seiffen Schema Daten, konkrete Relation Attributwert Wintersemester 16/17 DBIS 14

15 Definition Datenbankschema Datenbankschema = Menge von Relationsschemata (mit verschiedenen Schemanamen) und zugehörigen Integritätsbedingungen (relationsschemaübergreifend) Keine strikte Unterscheidung zwischen Relationsschema und Relation: Wenn von Relation die Rede ist, wird meist darunter auch das Schema subsumiert (d.h. Daten + Schema oder auch nur Schema) Wintersemester 16/17 DBIS 15

16 Definition 1. Normalform Eine Relation ist in 1. Normalform, wenn jedes Attribut aufgrund der Schemadefinition nur atomare Wertebereich hat. Mengenwertige, strukturierte und geschachtelte Attribute sind verboten Entscheidung abhängig vom Anwendungskontext Beispiel: Attribut "Adresse" (PLZ, Ort, Strasse, Nr) in 4 Attribute splitten Das relationale Modell verlangt Modellierung in 1. Normalform Typische Datentypen für atomare Attribute: Integer, Real, Decimal, Char, String, Boolean Wintersemester 16/17 DBIS 16

17 Weitere Normalformen 2. Normalform: Die 1.NF ist erfüllt und jedes Nicht- Schlüsselattribut ist funktional voll abhängig vom Primärschlüsselattribut 3. Normalform: Die 2.NF ist erfüllt und es gibt kein Nicht- Schlüsselattribut, das von einem anderen Nicht- Schlüsselattribut abhängig ist (transitive Abhängigkeit) Wintersemester 16/17 DBIS 17

18 Definition Schlüssel Relationen sind Mengen, es dürfen also in einer Relation keine identischen Tupel auftauchen Relationenmodell verlangt daher für jede Relation einen Schlüssel als identifizierende Attributkombination Minimalitätseigenschaft Wahl eines Primärschlüssels bei mehreren Schlüsselkandidaten Künstliche Schlüssel Müller Müller Schreiner Schreiner Jena Jena Wintersemester 16/17 DBIS 18

19 Definition Fremdschlüssel Besitzt eine Attributkombination einer Relation R1 in einer Relation R2 (Primär-)Schlüsseleigenschaft, kann sie in R1 als Fremdschlüssel mit Bezug auf den (Primär-)Schlüssel in R2 bezeichnet werden Fremdschlüssel ist üblicherweise kein Schlüssel in R1! Fremdschlüssel als Definitionsmittel für referentielle Integrität, wobei Werte als Verweise dienen (keine "Pointer") Namensidentität nicht zwingend, aber Kompatibilität der Wertebereiche Relationen dürfen beliebig viele Fremdschlüssel haben Wintersemester 16/17 DBIS 19

20 Beispiel Fremdschlüssel R1 = Angest (PNR, Name, Beruf, Wohnort, GebJahr, ANR) R2 = Abteilung (ANR, AOrt, Mgr, Budget) "ANR" kann als Fremdschlüssel in der Relation "Angest" bezüglich des Primärschlüssels "ANR" in "Abteilung" vereinbart werden Bedeutung: Für "ANR" in "Angest" dürfen nur Werte auftreten, die auch als ANR-Wert in "Abteilung" vorkommen Reine Lehre: Waisenkinder sind verboten, Einfügereihenfolge! SQL / Produkte: Möglichkeiten der Aufweichung (on update/delete...) Wintersemester 16/17 DBIS 20