examen.press ist eine Reihe, die Theorie und Praxis aus allen Bereichen der Informatik für die Hochschulausbildung vermittelt.
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- Ewald Graf
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1 examen.press
2 examen.press ist eine Reihe, die Theorie und Praxis aus allen Bereichen der Informatik für die Hochschulausbildung vermittelt.
3 Thomas Studer Relationale Datenbanken Von den theoretischen Grundlagen zu Anwendungen mit PostgreSQL
4 Thomas Studer Universität Bern Bern, Schweiz ISSN examen.press ISBN ISBN (ebook) DOI / Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2016 DasWerk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichenund Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer-Verlag GmbH Berlin Heidelberg ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media (
5 Vorwort Die automatische Informationsverarbeitung entwickelte sich in den letzten Jahrzehnten zu einem immer wichtigeren Aspekt unserer Gesellschaft. In vielen Bereichen des täglichen Lebens spielen die Speicherung und der Zugriff auf riesige Datenmengen eine wesentliche Rolle. Somit benötigen wir verlässliche Technologien, um die Verarbeitung dieser Daten effizient und sicher zu gewährleisten. Das relationale Modell beschreibt einen klassischen Ansatz, um strukturierte Daten zu verwalten und dabei Konsistenz und Transaktionssicherheit zu garantieren. Dieses Modell wurde in relationalen Datenbanksystemen vielfach und äussert erfolgreich implementiert. Ein entsprechend wichtiges Thema sind relationale Datenbanken in der Informatikausbildung. Dieses Buch richtet sind an Studierende der Informatik oder Wirtschaftsinformatik an Universitäten und Fachhochschulen, sowie an Software-Entwickler, die mit relationalen Datenbanken arbeiten. Es eignet sich zum Selbststudium oder als Begleitskript für Kurse und Vorlesungen. In diesem Buch studieren wir relationale Datenbanken aus Sicht des Anwendungsentwicklers und Benutzers. Wir gehen im Detail auf folgende Themen ein: 1. Datenbanktheorie, 2. Design von Datenbanken, 3. Datenbanksprache SQL, 4. Abfrageoptimierung, 5. Transaktionsverarbeitung. Im theoretischen Teil geben wir eine präzise mathematische Beschreibung des relationalen Modells an und führen die relationale Algebra als formale Abfragesprache ein. Ausserdem studieren wir, wie ein gegebenes Datenbankschema in die dritte Normalform und in die Boyce-Codd Normalform zerlegt werden kann. Meistens verzichten wir aber darauf, die angegebenen Eigenschaften zu beweisen. Dafür enthält das Buch eine Vielzahl von ausführlichen Beispielen, welche die theoretischen Begriffe praxisnah illustrieren. Der praktische Teil bietet eine Einführung in SQL als Query-Sprache aber auch als Sprache zur Datendefinition und -manipulation. Weiter zeigen wir an konkreten Beispielen, was ein gutes Datenbankdesign ausmacht. Ebenso behandeln wir die Themen v
6 vi Vorwort Abfrageoptimierung und Transaktionsverarbeitung. Für alle praktischen Aspekte beziehen wir uns auf die open-source Datenbank PostgreSQL, wobei wir auch aktuelle Entwicklungen, wie beispielsweise Serializable Snapshot Isolation, behandeln. PostgreSQL und eine ausführliche Dokumention dazu sind verfügbar unter Zu diesem Buch gibt es auch eine Reihe von Begleitmaterialien, welche unter öffentlich zugänglich sind. db-buch.inf.unibe.ch Danksagung Dieses Buch wäre nicht möglich gewesen ohne die Hilfe einer Vielzahl von Personen. Zuerst möchte ich mich bei Gerhard Jäger bedanken. Sein Vorlesungsskript Datenbanken war meine Inspiration zu diesem Buch. Ein grosses Dankeschön geht an Karin Abegglen, Dominik Feller, Anna Kaeser und Johannes Werner. Sie haben eine frühe Version dieses Buches sorgfältig gelesen und viele Fehler und Unstimmigkeiten korrigiert. Ich möchte mich auch bei den Studentinnen und Studenten meiner Datenbank-Vorlesung des Frühlingssemesters 2015 bedanken. Insbesondere Eveline Lehmann, Laurent Schwander, Mathias Stocker und Antonio Tuor haben mich auf verschiedene Fehler aufmerksam gemacht und Themen angeregt, die ich nun im Buch behandle. Und noch ein Merci an Jasmin für den Schlusssatz. Dank auch an alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Springer Verlags, welche die Produktion dieses Buches ermöglicht haben. Speziell erwähnen möchte ich dabei Hermann Engesser, Dorothea Glaunsinger und Lisa Nienhaus. Bern, Schweiz August 2015 Thomas Studer
7 Inhaltsverzeichnis 1 Mengenlehre Objekte und Mengen Operationen auf Mengen Relationen... 6 Weiterführende Literatur Das Relationenmodell Struktur relationaler Datenbanken Schlüssel Integritätsbedingungen Weiterführende Literatur Diagramme und Modellierung Diagramme für m:1-beziehungen Diagramme für m:n-beziehungen Diagramme für 1:1-Beziehungen Modellierung komplexer Systeme Weiterführende Literatur Die relationale Algebra Basisrelationen Grundoperationen Weitere Operationen Relationale Algebra als Query Sprache Gruppierung und Aggregation Weiterführende Literatur SQL Abfragen SQL ganz kurz Einfache Abfragen vii
8 viii Inhaltsverzeichnis 5.3 Subqueries Joins Aggregation und Gruppierung Rang Abfragen und Window Funktionen WITH Klauseln und Rekursion Weiterführende Literatur SQL zur Datendefinition und Datenmanipulation Datenmanipulation Erstellen von Tabellen Default Werte Constraints Kaskadierung Ändern von Tabellen Views Weiterführende Literatur Abfrageoptimierung Indizes Logische Optimierung Physische Optimierung Weiterführende Literatur Mehrbenutzerbetrieb Transaktionen Phantome und Inkonsistenzen Multiversion Concurrency Control Architektur Implementierung der Isolationsgrade Weiterführende Literatur Normalformen Anomalien Funktionale Abhängigkeiten Zerlegung von Relationenschemata NF bis BCNF Weiterführende Literatur Berechnung von Normalformen Armstrong-Kalkül Hüllenberechnungen Minimale Überdeckungen
9 Inhaltsverzeichnis ix 10.4 Zerlegungen in BCNF und 3NF Weiterführende Literatur Sachverzeichnis
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