Kapitel 1 Einführung

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1 Kapitel 1 Einführung Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 LMU München 2008 Thmas Bernecker, Tbias Emrich unter Verwendung der Flien des Datenbankpraktikums aus dem Wintersemester 2007/08 vn Dr. Matthias Schubert

2 Welche DBMS gibt es? Marktführer (Marktanteile 2011 der gängigsten Systeme) Quelle: Market Share: All Sftware Markets, Wrldwide 2011 Oracle: 48,2% DB2 (IBM): 20,2% MS SQL (Micrsft): 17,0% SAP/Sybase: 4,6% Open Surce, z.b. MySQL PstgreSQL SQLite LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 2

3 Übersicht 1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum 1.2 Datenbank-Design 1.3 ER-Mdell und relatinales Mdell 1.4 Datendefinitin in SQL 1.5 Data Dictinary LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 3

4 Oracle: Objekt-Relatinales Datenbanksystem (Versin 10g) Client-Server-Architektur DBMS läuft auf einem dedizierten Serverrechner (flres.dbs.ifi.lmu.de) Anwendungsprgramme laufen auf Client-Rechner (Linux, Slaris, Windws) Kmmunikatin über Netzwerk für den Benutzer transparent Viele Anwender greifen gleichzeitig auf die Datenbank zu (Transaktinsschutz) Zugriff auf die Datenbank über... Anfragesprache SQL Przedurale Erweiterung PL/SQL (Oracle-spezifisch) SQL in Hstsprachen (z.b. C der Java) LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 4

5 Übersicht 1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum 1.2 Datenbank-Design 1.3 ER-Mdell und relatinales Mdell 1.4 Datendefinitin in SQL 1.5 Data Dictinary LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 5

6 Datenbanksystem (DBS): System zur Beschreibung, Speicherung und Wiedergewinnung umfangreicher Datenmengen, die vn verschiedenen Anwendungsprgrammen benutzt werden. Ein DBS besteht aus: Datenbank: Sammlung aller gespeicherten Daten Es existiert ein Ziel des Entwurfs und eine Vrstellung über die Nutzung. Es existieren lgische Zusammenhänge zwischen den Daten in einer DB. Datenbank-Management-System Prgrammsystem, das die DB verwaltet, frtschreibt und Zugriffe darauf regelt LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 6

7 Abstraktinsebenen eines Datenbanksystems Schichtenmdell: Jede Schicht kennt nur die darunterliegende Externe Sicht Benutzergruppe 1 Benutzergruppe n Views Ausschnitte aus dem knzeptinellen Schema Externe Sicht 1 Externe Sicht n Knzeptinelle Sicht einheitliche Darstellung aller Daten DBS bietet dazu Datenmdell mit entsprechendem Schema (definiert über Data Definitin Language (DDL)) Knzeptinelle (lgische) Datenbank Interne Sicht Implementierung der knzep. DB Dateien, Zugriffspfade, etc. Physische Datenbank LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 7

8 Ansätze für das Datenbank-Design Daten-rientiert: Die Entwicklung der Datenbank rientiert sich an den Daten, die im Fkus der Anwendungen stehen. Funktins-rientiert: Die Entwicklung der Datenbank rientiert sich an den Funktinen (Anwendungen), die durch das Datenbanksystem unterstützt werden sllen. Objekt-rientiert: Die Entwicklung der Datenbank rientiert sich an der Menge der interagierenden Objekte, die in dem zu mdellierenden Ausschnitt der realen Welt auftreten. Objekte vereinen datenspezifische Eigenschaften und funktinsspezifisches Verhalten. LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 8

9 Entstehungszyklus Anfrderungsanalyse Knzeptineller Entwurf Lgischer Entwurf Feedback Physischer Entwurf Wartung, Mdifikatin, Erweiterung LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 9

10 Anfrderungsanalyse Analyse und Spezifikatin vn Daten Datenbeziehungen Transaktinen (Funktinen auf den Daten, die vn den Applikatinen benötigt werden) Randbedingungen Leistungsanfrderungen (Antwrtzeiten etc.) Sicherheit HW/SW-Plattfrmen Anwendungsrichtlinien Beispielansätze Der DB-Experte interviewt die zukünftigen Anwender und versucht deren Anfrderungen festzustellen. Der DB-Experte und der zukünftige Anwender entwickeln das Design als Team. LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 10

11 Knzeptineller Entwurf Basierend auf der Anfrderungsanalyse werden die essentiellen Knzepte extrahiert und in einem knzeptinellen Datenmdell (DB-Schema) beschrieben. Mdell (z.b. Entity-Relatinship, UML) Frmale Beschreibung der Datenbjekte und ihrer Beziehungen Integratin verschiedener Sichten Beschreibung der Transaktinen (Eingabe, Änderung, Suche, ) Festlegung vn Integritätsbedingungen für die Daten und für die Transaktinen LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 11

12 Lgischer Entwurf Ausgehend vm DB-Schema (z.b. ER-Mdell) wird ein DBS-spezifisches Datenmdell (z.b. Relatinales Datenmdell) entwickelt. Wichtige Schritte bei der Transfrmatin des DB-Schemas in das Datemdell: Nrmalisierung und Denrmalisierung Primärschlüssel festlegen Frmulierung vn Integritätsbedingungen und Transaktinen in DBS-spezifischem Datenmdell (relatinale Anfragen, rel. Algebra etc.) View-Definitinen (externe Sichten) Zugriffsrechte LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 12

13 Physischer Entwurf (Umsetzung des Datenmdells) knkrete Dmäne für Attribute, z.b. CHAR(30), VARCHAR(20), NUMBER(4), NUMBER(7,2), DATE, Erzeugen der Relatinen und evtl. Laden mit vrhandenen Daten Einrichten vn Views, Benutzern, Zugriffsrechten Eingabe der Integritätsbedingungen (Anfragen, Prüfprgramme,...) Definitin geeigneter Indexe Wartung, Mdifikatin und Erweiterung Beseitigung vn Fehlern Erstellen vn Anwendungsprgrammen Re-Engineering, Integratin Erweiterung LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 13

14 Übersicht 1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum 1.2 Datenbank-Design 1.3 ER-Mdell und relatinales Mdell 1.4 Datendefinitin in SQL 1.5 Data Dictinary LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 14

15 Das ER-Mdell beschreibt einen Ausschnitt der realen Welt durch: Entity Relatinship Attribut Set Menge gleichartiger Objekte Beziehungsmöglichkeit Merkmal, Eigenschaft Instanz bestimmtes Objekt Knkrete Beziehung zwischen zwei Objekten Eigenschaft eines Objekts LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 15

16 Kardinalität vn Relatinships: 1:1-Beziehung ( ne-t-ne ): 1:1 1:n-Beziehung ( ne-t-many ): 1:n n:m-beziehung ( many-t-many ): n:m LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 16

17 Erweiterung: ISA-Beziehungen Beispiel: Name Gehalt Angestellter is_a Semantik dieser ISA-Beziehung: Der Manager erbt alle Attribute Und Beziehungen vm Angestellten, auch den Schlüssel. Dienstwagen Manager LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 17

18 Beispiel: Abteilung Lieferant angestellt liefert Angestellter arbeitet an Prjekt verwendet Teil leitet is_a elektrnisches Teil mechanisches Teil LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 18

19 Mdellierungsentscheidungen 1. Attribut der Entity? 2. Attribut zu welchem Entity? 3. Schlüsselattribute? 4. Entity der Relatinship? 5. Relatinships nur zwischen zwei Entities? 6. Attribut der Relatinship? 7. Einsatz vn ISA-Beziehungen? LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 19

20 1. Attribut der Entity? Dienstwagen Kennzeichen Manager ODER Manager fährt Dienstwagen Kriterien: Ist das Attribut ein atmarer Wert der aus mehreren Werten zusammengesetzt? Kann der Wert des Attributs fehlen? Kann das Attribut mehrere Werte gleichzeitig annehmen? Ist die Dmäne des Attributs wichtig (bzgl. der Krrektheit des Wertes)? LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 20

21 2. Attribut zu welcher Entity? Telefn Telefn Persn ODER Raum Kriterien: Natürlichkeit Änderungsfreundlichkeit 3. Schlüssel-Attribute Dürfen auch mehrere sein (zusammengesetzter Schlüssel) Künstliche IDs (Surrgate) nur dann einsetzen, wenn es keinen knstanten Schlüssel innerhalb des Entity-Typs gibt der der Schlüssel aus sehr vielen Attributen zusammengesetzt wäre LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 21

22 4. Entity der Relatinship? Kunde bestellt Artikel Anzahl Lieferdatum ODER Kunde bestellt Artikel Kriterien: Beziehung benötigt Schlüsselattribute mdelliere Entity Beziehung hat viele Attribute mdelliere Entity LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 22

23 5. Relatinships nur zwischen zwei Entities? unär: Bauteil besteht aus binär: Manager arbeitet in Firma ternär: Arbeiter Maschine (selten, meist schlechte Mdellierung) Auftrag LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 23

24 6. Attribut der Relatinship? Persn linker Nachbar rechter Nachbar Schlechte Mdellierung im ER-Mdell: Fremdschlüssel vermeiden Persn ist Nachbar vn besser als Relatinship mdelliert Persn Hausnummer Aus anderen Attributen berechenbar (hier: Nachbarschaft über Hausnummer): keine Relatinship verwenden LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 24

25 7. Einsatz vn ISA-Beziehungen? Persn Name Alter is_a Hauptfach Student Prfessr hält Vrlesung Kriterien: Hat die Oberklasse gemeinsame Beziehungen / Attribute? Haben die Untersklassen unterschiedliche Beziehungen / Attribute? LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 25

26 Übersicht 1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum 1.2 Datenbank-Design 1.3 ER-Mdell und relatinales Mdell 1.4 Datendefinitin in SQL 1.5 Data Dictinary LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 26

27 2 SQL und PL/SQL Der Befehl CREATE TABLE (teilweise) in Oracle SQL CREATE TABLE schema. table, ( clumn datatype ) table_cnstraint [DEFAULT expr] [clumn_cnstraint] AS subquery LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 27

28 2 SQL und PL/SQL table_cnstraint ::= CONSTRAINT cnstraint, UNIQUE ( clumn ) PRIMARY KEY, FOREIGN KEY ( clumn CHECK (cnditin) ) REFERENCES table, ( clumn ) LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 28

29 Datentypen in ORACLE (auszugsweise) Data Type CHAR(size) Descriptin Fixed length character date f length size. Maximum size is 255. VARCHAR2(size) Variable length character string having maximum length size bytes. Maximum size is NUMBER(p, s) Number having precisin p and scale s. LONG Character data f variable length up t 2 gigabytes. DATE Valid dates range frm January 1, 4712 BC t December 31, 4712 AD. RAW(size) Raw binary data f length size bytes. Maximum size is LONG RAW Raw binary data f variable length up t 2 gigabytes. BLOB A binary large bject. Maximum size is 4 gigabytes. LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 29

30 Relatinales Mdell (Wiederhlung) Einziger Grundbaustein: Relatin (Tabelle) wird beschrieben durch Relatinenschema: R(A 1 : D 1,..., A k : D k ) Attribut A i : Spalte, Name eindeutig Dmäne D i : Wertebereich, Datentyp des Attributs Tupel: Zeile, Element einer Relatin Relatinales Datenbankschema: Menge aller Relatinenschemata Relatinale Datenbank: Menge aller Relatinen = Relatinales DB-Schema + Ausprägung Relatinen sind Mengen keine Duplikate Reihenflge der Tupel belangls LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 30

31 Transfrmatin ER in Relatinales Mdell Bezeichnungen umwandeln ER: freie Bezeichnungen und Beschreibung SQL: feste Ntatin (Namensgebung) z.b. bezügl. Snderzeichen, Schlüsselwörter Datentypen für Attribute festlegen ER: frei SQL: atmare Datentypen (Oracle-spezifisch) CHAR, VARCHAR2, NUMBER, LONG, DATE, RAW, LONGRAW,... Die Auswahl des Datentyps ist abhängig vn den Operatinen, die ausgeführt werden sllen. LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 31

32 Transfrmatin vn Entities CREATE TABLE land ( name varchar2(25) NOT NULL, flaeche number(10,2), kfz_kennz char(4) NOT NULL, CONSTRAINT pk_name PRIMARY KEY (name), UNIQUE (kfz_kennz) ); Name Fläche Land KFZ- Kennzeichen LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 32

33 Transfrmatin vn Relatinships (n:m) Entity A und B haben wir schn überführt: CREATE TABLE A (... PRIMARY KEY a_id...) CREATE TABLE B (... PRIMARY KEY b_id...) Hinzu kmmt: CREATE TABLE rel ( a_id... NOT NULL, b_id... NOT NULL, rel_attr..., PRIMARY KEY (a_id, b_id), FOREIGN KEY (a_id) REFERENCES A, FOREIGN KEY (b_id) REFERENCES B ); A arbeitet in B rel_attr LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 33

34 Transfrmatin vn Relatinships (1:n, 1:1) Keine separate Relatin für die Beziehung, sndern: 1:n Aufnahme des Primärschlüssels vn A in die Entity-Relatin B 1:1 Aufnahme des Primärschlüssels vn B in die Entity-Relatin A der umgekehrt CREATE TABLE B ( b_id... NOT NULL, b_rest..., a_id... NOT NULL, PRIMARY KEY (b_id), FOREIGN KEY (a_id) REFERENCES A ); A 1:n B A 1:1 B LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 34

35 Transfrmatin vn ISA-Beziehung CREATE TABLE persn ( p_id char(8) NOT NULL, name..., alter..., PRIMARY KEY (p_id) ); CREATE TABLE student ( p_id char(8) NOT NULL, fach..., PRIMARY KEY (p_id), FOREIGN KEY (p_id) REFERENCES persn ) CREATE TABLE prfessr ( p_id char(8) NOT NULL,..., PRIMARY KEY (p_id), FOREIGN KEY (p_id) REFERENCES persn ); p_id Student Fach Name Alter Persn is_a Prfessr LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 35

36 Alternative: CREATE TABLE persn_x ( p_id char(8) NOT NULL, name..., alter..., PRIMARY KEY (p_id) ) CREATE TABLE student ( p_id char(8) NOT NULL, name..., alter..., fach..., PRIMARY KEY (p_id) ) Alternative: CREATE VIEW persn (p_id, name, alter) AS ( ); (SELECT p_id, name, alter FROM persn_x) UNION (SELECT p_id, name, alter FROM student) UNION (SELECT p_id, name, alter FROM prfessr) CREATE TABLE prfessr (... ); LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 36

37 Nrmalisierung des erzeugten Relatinalen Schemas durch Herstellung der 3. Nrmalfrm (z.b. mit dem Synthesealgrithmus aus dem DBS-Skript). Ein Relatinenschema ist in der 3. Nrmalfrm (3NF), wenn für alle Abhängigkeiten X A mit X R, A R, A X gilt: X enthält einen Schlüssel vn R, der A ist prim. Seien A und B Attributmengen des Relatinenschemas R (A,B R). B ist vn A funktinal abhängig der A bestimmt B funktinal, geschrieben A B, gdw. zu jedem Wert in A genau ein Wert in B gehört: A B t 1, t 2 r(r): t 1 [A]=t 2 [A] t 1 [B]=t 2 [B] für alle real möglichen Relatinen r(r). Dabei bezeichnet r(r) eine Relatin r über dem Schema R. Ein Attribut heißt prim, wenn es Teil eines Schlüsselkandidaten ist, snst nicht prim. LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 37

38 Übersicht 1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum 1.2 Datenbank-Design 1.3 ER-Mdell und relatinales Mdell 1.4 Datendefinitin in SQL 1.5 Data Dictinary LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 38

39 Neben den Daten in den Relatinen benötigt ein Datenbanksystem Infrmatinen über die Relatinen (und über andere Objekte), sg. Meta- Daten. Die Meta-Daten werden im Data Dictinary der System-Katalg gespeichert. Relatinenverwaltung Relatinennamen Attributsnamen für jede Relatin Dmäne der Attribute Viewnamen und Viewdefinitinen Integritätsbedingungen Benutzerverwaltung (Datenschutz) Namen berechtigter (autrisierter) Benutzer Speicherbereich und Speicherbergrenze für jeden Benutzer Zugriffs- und andere Rechte einzelner Benutzer LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 39

40 Anfragebearbeitung Anzahl der Tupel in jeder Relatin Indexnamen Indizierte Relatinen Indizierte Attribute Art des Index Häufig: Data Dictinary ist selbst Teil der Datenbank. Meta- Infrmatin ist in Systemrelatinen gespeichert. Systemrelatinen sind wie alle anderen Relatinen zugänglich. Verwaltete Objekte: Relatin View Synnym Link Sequenz Schnappschuss PL/SQL-Prgramme Benutzer LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 40

41 Namensgebung für ORACLE-Systemrelatinen USER_ ALL_ DBA_ TABLES alle Tabellen, die der Benutzer angelegt hat alle Tabellen, auf die der Benutzer Zugriff hat alle Tabellen des gesamten Systems TAB_COLUMNS alle Spalten derjenigen Tabellen, die der Benutzer angelegt hat alle Spalten derjenigen Tabellen, auf die der Benutzer Zugriff hat alle Spalten aller Tabellen des gesamten Systems INDEXES alle Indexe, die der Benutzer angelegt hat alle Indexe, die über Tabellen erstellt wurden, auf die der Benutzer Zugriff hat alle Indexe des gesamten Systems VIEWS alle Views, die der Benutzer angelegt hat alle Views, auf die der Benutzer Zugriff hat alle Views des gesamten Systems TAB_PRIVS Zugriffsrechte auf alle Tabellen, die der Benutzer angelegt hat Zugriffsrechte auf alle Tabellen, auf die der Benutzer Zugriff hat Zugriffsrechte auf alle Tabellen des gesamten Systems LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 41

42 Beispielanfragen an das Data Dictinary SQL> describe dictinary; Name Null? Type TABLE_NAME VARCHAR2(30) COMMENTS VARCHAR2(2000) SQL> select cunt(*) frm dictinary; COUNT(*) LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 42

43 SQL> select TABLE_NAME, COMMENTS frm dictinary where TABLE_NAME like %TABLE% ; TABLE_NAME COMMENTS ALL_TABLES DBA_TABLES DBA_TABLESPACES... Descriptin f tables accessible t the user Descriptin f all tables in the database Descriptin f all tablespaces SQL> select TABLE_NAME, OWNER frm ALL_TABLES; TABLE_NAME OWNER ACCESS$ SYS AUD$ SYS... LMU München Flien zum Datenbankpraktikum Wintersemester 2012/13 43

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