Objektorientierte Datenbanken

Transkript

1 OODB 1 Slide 1 Objektorientierte Datenbanken Vorlesung 1 Sebastian Iwanowski FH Wedel

2 OODB 1 Slide Organisatorisches Vorlesung Mittwochs, 09:30 10:5 Raum HS Übung Dienstags, 09:30 10:5 (erstmalig am 1.0.) betreut von Christine Apfel, Julia Drowatzky, Jan-Oliver Steinbach Raum RZ1 Anmeldung über Praktische Aufgaben zum Vorlesungsstoff Beantworten von Fragen

3 OODB 1 Slide 3 Inhaltlicher Umfang dieser Vorlesung Inhaltliche Voraussetzungen: Datenbanken, Objektorientierte Programmierung (Java) Lernziele dieser Vorlesung: Grundprinzipien von OODBs Einsatz von OODBs für praktische Anwendungen Überblick über die gängigen Standards und Techniken Zusammenspiel objektorientierter Programmierung mit Datenbanken kein Lernziel dieser Vorlesung: Implementierung von OODBs

4 OODB 1 Slide Inhalte: Motivation und Überblick Vorlesungsaufbau Grundlegende Konzepte: Persistenz, Transaktionen, Anfragen ODMG-Standard JDO-Standard Anbindungsmöglichkeiten von relationalen Datenbanken an objektorientierte Programmierumgebungen Material zu dieser Vorlesung: alte Vorlesung: Literatur (in Folgenden genannt)

5 OODB 1 Slide 5 Literatur für den allgemeinen Kontext Andreas Geppert: Objektrelationale und objektorientierte Datenbankkonzepte und -systeme, dpunkt.verlag 00, ISBN Andreas Heuer: Objektorientierte Datenbanken Konzepte, Modelle, Standards und Systeme, Addison Wesley 1997 (. Auflage), ISBN Alfons Kemper / Andre Eickler: Datenbanksysteme Eine Einführung, Oldenbourg 00 (5. Auflage), ISBN In unserer Bibliothek: Oldenbourg 001 (. Auflage), ISBN Andreas Meier / Thomas Wüst: Objektorientierte und objektrelationale Datenbanken Ein Kompaß für die Praxis, dpunkt.verlag 000, ISBN

6 OODB 1 Slide 6 Literatur für die Schwerpunkte dieser Vorlesung Richard G.G. Cattell / Douglas K. Barry (Edts.): The Object Data Standard: ODMG 3.0, Morgan Kaufmann, ISBN David Jordan / Craig Russell: Java Data Objects, O'Reilly 003, ISBN Robin Roos: Java Data Objects, Addison-Wesley 00, ISBN Arno Schmidhauser: Skript JDO, Hochschule für Technik und Architektur (HTA) Bern

7 OODB 1 Slide 7 und nun geht es los: erst einmal mit Datenbanken

8 OODB 1 Slide 8 Ziele von Datenbanken: Warum Datenbanken? Permanente Sicherung von Daten zum Zweck der Wiederverwendung Vereinigung des Wissens mehrerer Benutzer und Programme Schutz vor unautorisiertem Zugriff auf Daten Exakt definierte Datenformate und Zugriffsmöglichkeiten Was kann beim Verfolgen dieser Ziele ohne Datenbanken passieren? Verlust von Daten Redundanz und Inkonsistenz Probleme beim Mehrbenutzerbetrieb Integritätsverletzung Sicherheitsprobleme hohe Entwicklungskosten für Anwendungsprogramme beschränkte Zugriffsmöglichkeiten

9 OODB 1 Slide 9 Wie sind Datenbanken aufgebaut? konzeptionelle Sicht ER-Modell (ER=Entity Relationship) Datenmodell logische Sicht Relationales Datenmodell (oder anderes Modell) physische Sicht Konkrete Speicherplätze Datenmanipulationssprache (DML) SQL Zum Definieren, Abfragen und Ändern eines Datenbestandes für ein relationales Datenmodell

10 OODB 1 Slide 10 Konzeptionelle Sicht: Beispiel für ein ER-Modell MatrNr Studenten voraussetzen Nachfolger Vorgänger hören Vorlesungen VorlNr SWS Semester Titel Note prüfen lesen PersNr Assistenten arbeitenfür Professoren Rang Raum Fachgebiet PersNr

11 OODB 1 Slide 11 Logische Sicht: Ausschnitt eines relationalen Modells Professoren 1 lesen N Vorlesungen Professoren Vorlesungen PersNr Rang Raum VorlNr Titel SWS Gelesen Von 15 Sokrates C 6 Grundzüge Russel C Ethik Kopernikus C Popper C Augustinus C Curie C Kant C Erkenntnistheorie Mäeutik Logik Wissenschaftstheorie Bioethik Der Wiener Kreis Glaube und Wissen Die 3 Kritiken 137

12 Anfragen an die Datenbank Anfragen können Informationen aus beliebigen Tabellen verknüpfen: Professoren Vorlesungen PersNr Rang Raum VorlNr Titel SWS gelesen Von Sokrates Russel C C Grundzüge Ethik Kant C Mäeutik Die 3 Kritiken 137 Welcher Professor liest "Mäeutik"? select, Titel from Professoren, Vorlesungen where PersNr = gelesenvon and Titel = 'Mäeutik'; SQL-Anfrage Die Bearbeitung verknüpfter Anfragen kann zeitaufwändig sein! OODB 1 Slide 1

13 PersNr Professoren Sokrates Russel Rang C C Raum 6 3 VorlNr 501 Vorlesungen Titel SWS Grundzüge Ethik gelesen Von Kant C Mäeutik Die 3 Kritiken 137 JOIN Verknüpfung: jeder mit jedem PersNr Sokrates Sokrates Rang C C Raum 6 6 VorlNr 501 Titel Grundzüge Ethik SWS gelesen Von Sokrates C Mäeutik Russel Russel C C Grundzüge Ethik SELECTION Kant C Die 3 Kritiken Auswahl von Zeilen 137 PersNr 15 PROJECTION Sokrates Rang C Raum 6 VorlNr Titel 509 Mäeutik Auswahl von Spalten SWS gelesen Von 15 Sokrates Titel Mäeutik OODB 1 Slide 13

14 OODB 1 Slide 1 Achtung: Übertragung aus ER-Modell darf nicht beliebig sein! lesen Professoren 1 N Z.B. NICHT so: Vorlesungen Vorlesungen Professoren PersNr Rang Raum liest VorlNr 501 Titel Grundzüge Ethik SWS 15 Sokrates C Erkenntnistheorie 3 15 Sokrates C Mäeutik 15 Sokrates C Logik Wissenschaftstheorie 3 13 Augustinus C Bioethik Der Wiener Kreis 136 Curie C 36?? 50 Glaube und Wissen 630 Die 3 Kritiken

15 OODB 1 Slide 15 Anomalien durch Verletzung von Normalformen Vorlesungen VorlNr Titel SWS Professoren Grundzüge PersNr Rang Raum liest 501 Ethik 15 Sokrates C Erkenntnistheorie 3 15 Sokrates C Sokrates C Mäeutik Logik Wissenschaftstheorie Bioethik 13 Augustinus C Der Wiener Kreis 136 Curie C 36?? 50 Glaube und Wissen 630 Die 3 Kritiken Aktualisierungs-Anomalie: Was passiert wenn Sokrates umzieht? Lösch-Anomalie: Was passiert wenn Glaube und Wissen wegfällt? Einfügeanomalie: Curie ist neu und liest noch keine Vorlesungen

16 OODB 1 Slide 16 So sollte es stattdessen gemacht werden: Professoren Studenten Vorlesungen PersNr Rang Raum MatrNr Semester VorlNr Titel SWS gelesenvon 15 Sokrates C 16 Russel C 17 Kopernikus C3 133 Popper C3 13 Augustinus C3 136 Curie C 137 Kant C voraussetzen Vorgänger Nachfolger prüfen MatrNr VorlNr PersNr Note 1 00 Xenokrates 503 Jonas 610 Fichte 6830 Aristoxenos 7550 Schopenhauer 8106 Carnap 910 Theophrastos 9555 Feuerbach hören MatrNr VorlNr PerslNr Grundzüge Ethik Erkenntnistheorie 3 Mäeutik Logik Wissenschaftstheorie 3 Bioethik Der Wiener Kreis Glaube und Wissen Die 3 Kritiken Assistenten Fachgebiet Platon Ideenlehre Aristoteles Syllogistik Wittgenstein Sprachtheorie Rhetikus Planetenbewegung Newton Keplersche Gesetze Spinoza Gott und Natur Boss effiziente Darstellung, aber unübersichtlich!

17 OODB 1 Slide 17 Daraus resultierender Nachteil: Navigierende Zugriffe sind umständlich Welche Vorlesungen müssen für Der Wiener Kreis gehört worden sein? voraussetzen Vorgänger Nachfolger VorlNr Vorlesungen Titel SWS gelesenvon Grundzüge Ethik Erkenntnistheorie Mäeutik Logik Wissenschaftstheorie Bioethik Der Wiener Kreis Glaube und Wissen Die 3 Kritiken 137 select pred1.titel, pred.titel, pred3.titel from Vorlesungen this, Vorlesungen pred1, Vorlesungen pred, Vorlesungen pred3, voraussetzen pred1pt, voraussetzen predpt, voraussetzen pred3pt where this.titel = 'Der Wiener Kreis' and this.vorlnr = pred1pt.nachfolger and pred1pt.vorgänger = pred1.vorlnr and pred1pt.vorgänger = predpt.nachfolger and predpt.vorgänger = pred.vorlnr and predpt.vorgänger = pred3pt.nachfolger and pred3pt.vorgänger = pred3.vorlnr; SQL-Antwort: 'Wissenschaftstheorie', 'Erkenntnistheorie', 'Ethik', 'Grundzüge' SQL-Anfrage (nur bis zum 3. Vorgänger, allgemein nicht möglich!)

18 OODB 1 Slide 18 Zersplitterung durch Beachtung der Normalformen: Pointierte Darstellung Die relationale Modellierung entspricht folgendem: Bevor ein Auto in der Garage abgestellt werden kann, muss es in seine tausend Einzelteile zerlegt und in den dafür vorgesehenen Fächern ablegt werden. Bevor es wieder benutzt werden kann, ist ein komplizierter Zusammenbau erforderlich.

19 OODB 1 Slide 19 Bewertung relationaler Datenbanken Vorteile: Viele komplexe Zusammenhänge können erfragt werden Aufbau, Pflege und Wartung erfordern keine Programmierkenntnisse Nachteile: Komplexe Anfragen kosten unverhältnismäßig viel Zeit ER-Modell kann nicht leicht in ein relationales Modell übertragen werden Fazit: RDBs eignen sich für seltene aber komplexe Anfragen Der Aufbau von RDBs erfordert wenig technisches aber viel logisches Denkvermögen

20 OODB 1 Slide 0 Themenwechsel: Objektorientierte Programmierung

21 OODB 1 Slide 1 Warum objektorientierte Programmierung? Ziele von objektorientierter Programmierung: Erstellen großer Programmsysteme mit komplexen Wechselwirkungen Vereinfachung einer nachträglichen Erweiterung der Software Allgemeingültige objektorientierte Konzepte: Datengetriebene Modellierung Vererbung Datenkapselung durch Methodenzugriff vereinfacht lokale Modellierung vereinfacht nachträgliche Veränderung schützt vor Seiteneffekten Was kann passieren, wenn diese Konzepte nicht beachtet werden? Unübersichtlicher und damit schwer verifizierbarer Programmcode Bei einer Erweiterung muss der gesamte Code verändert werden. Unerwünschte Seiteneffekte bei Datenmanipulation

22 OODB 1 Slide Aufbau eines Objekts allgemein: Klasse erweitert Superklasse Realisierung in Java: class Professoren extends Angestellte Attribut wert1 Attribut wert.. Beziehung Objekt1 Beziehung Objekt.. Methode Funktion1 (...) Methode Funktion (...).. In Java keine syntaktische Unterscheidung zwischen Attribut und Beziehung { } String rang; int raum; Collection liest; // Vorlesungen Collection beschaeftigt; // Assistenten Collection leitet; // Pruefungen int gehalt (); float notendurchschnitt (); int lehrstundenzahl (); void attachvorlesung (Vorlesungen vorlesung) Generalisierung Generalisierung Spezialisierung Spezialisierung

23 OODB 1 Slide 3 Vererbung Uni-Mitglieder is-a Generalisierung Spezialisierung Studenten Angestellte PersNr MatrNr Fachgebiet Assistenten is-a Professoren Rang Raum

24 OODB 1 Slide Noch einmal das ER-Modell von vorhin MatrNr Studenten voraussetzen Nachfolger Vorgänger hören Vorlesungen VorlNr SWS Semester Titel Note prüfen lesen PersNr Assistenten arbeitenfür Professoren Rang Raum Fachgebiet PersNr

25 OODB 1 Slide 5 ER-Modell plus Vererbung MatrNr Studenten Vorgänger voraussetzen hören Vorlesungen Semester Note prüfen lesen Nachfolger VorlNr SWS Titel Fachgebiet Assistenten arbeitenfür Professoren Rang Raum PersNr is-a Angestellte

26 OODB 1 Slide 6 UML-Notation für Beziehungen Komposition

27 OODB 1 Slide 7 Objektmodell in UML-Notation Studenten +M atrnr : int + : String +Semester : int +Notenschnitt() : float +SummeW ochenstunden() : short 1 +Prüfling +Hörer 1..* hören * +Nachfolger * Vorlesungen +VorlN r : int +Titel : String +SW S : int voraussetzen * * +AnzHörer() : int +DurchfallQuote() : float * Prüfungen +Note : Decimal +Datum : Date +verschieben() * * 1 1 +Prüfer +Prüfungsstoff gelesenvon Assistenten +Fachgebiet : String +Gehalt() : short * arbeitenfür +Boss 1 Professoren +Rang : String +Notenschnitt() : float +Gehalt() : short +Lehrstundenzahl() : short 1 +Dozent Angestellte +PersNr : int + : String +Gehalt() : short

28 OODB 1 Slide 8 Synthese: Wie bringen wir beides zusammen?

29 OODB 1 Slide 9 Gemeinsamkeiten bei der Modellierung Konzeptionelles Modell (ER-Modell) Relationales Modell Objektorientiertes Modell

30 OODB 1 Slide 30 Unterschiede bei der Modellierung A Konzeptionelles Modell (ER-Modell) B Objektorientiertes Modell Relationales Modell C Man kann aus einem ER-Modell A ein objektorientiertes Modell B derart gewinnen, dass A aus B eindeutig rekonstruiert werden kann. Man kann aus einem ER-Modell A kein relationales Modell C gewinnen, so dass A aus C eindeutig rekonstruiert werden kann im relationalen Modell geht Strukturinformation verloren!

31 OODB 1 Slide 31 Beispiel für ein ER-Modell A: voraussetzen Nachfolger MatrNr Vorgänger VorlNr Studenten hören Vorlesungen SWS Semester Titel Note prüfen lesen PersNr Rang Assistenten arbeitenfür Professoren Raum Fachgebiet PersNr

32 PersNr MatrNr Konvertierung von A in ein relationales Modell C: Vorgänger Professoren Sokrates Russel Kopernikus Popper Augustinus Curie Kant voraussetzen VorlNr prüfen Rang C C C3 C3 C3 C C Nachfolger PersNr Raum Note MatrNr MatrNr Studenten Xenokrates Jonas Fichte Aristoxenos Schopenhauer Carnap Theophrastos Feuerbach hören VorlNr Nicht erkennbar aus Relationen: 1 Semester OODB 1 Slide 3 PerslNr VorlNr Platon Aristoteles Wittgenstein Rhetikus Newton Spinoza Vorlesungen Titel Grundzüge Ethik Erkenntnistheorie Mäeutik Logik Wissenschaftstheorie Bioethik Der Wiener Kreis Glaube und Wissen Die 3 Kritiken Assistenten Fachgebiet Ideenlehre Syllogistik Sprachtheorie Gott und Natur SWS 3 3 Planetenbewegung Keplersche Gesetze gelesenvon Boss Werden Studenten von Assistenten oder Professoren geprüft? Was hat voraussetzen mit Vorlesungen zu tun?

33 OODB 1 Slide 33 Weiterer Unterschied: Impedance Mismatch Programmiersprachen allgemein: Geschaffen für die häufige Durchführung einfacher Operationen Datenbanken allgemein: Geschaffen für die seltene Durchführung komplexer Operationen

34 OODB 1 Slide 3 Zusammenfassung: Probleme relationaler Datenbanktechnologie Zwar methodisch saubere aber schwierig zu lernende manuelle Umsetzung des Entwurfsmodells (ERM) in das Implementierungsmodell Zersplitterung von zusammengehörigen Daten durch Normalisierung Joins bei navigierendem Zugriff sehr aufwendig Probleme bei Änderung des Datenmodells wegen fehlender Kapselung Impedance Mismatch

35 OODB 1 Slide 35 Noch offene Frage: Wie können wir objektorientiert modellieren und dennoch eine Datenbank benutzen? Wir nähern uns der Antwort beim nächsten Mal!