11. Datenbankschnittstellen

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1 11. Datenbankschnittstellen

2 Inhalt 11.1 Motivation 11.2 Eingebettetes SQL 11.3 Open Database Connectivity (ODBC) 11.4 Java Database Connectivity (JDBC) 11.5 Objekt-Relationale Abbildung (ORM) 2

3 11.1 Motivation Datenbankschnittstellen ermöglichen den Zugriff auf die gespeicherten Daten aus einer externen Anwendung DBMS und Anwendung laufen oft auf unterschiedlichen Rechnern, so dass Netzwerkkommunikation nötig ist Zwei Zielgruppen von Datenbankschnittstellen Endbenutzer, die Daten mit bekannten oder einfach zu bedienenden Anwendungen lesen bzw. ändern möchten Entwickler, die aus Code der entwickelten Anwendung auf die Daten zugreifen möchten 3

4 Anwendungsbeispiele Anwendungsbeispiele von Datenbankschnittstellen: Webapplikation (z.b. ein Content-Management-System), welche mit Java Server Pages implementiert wurde, greift auf eine Datenbank (z.b. MS SQL Server) zu Mitarbeiterin erstellt Serienbrief mit MS Word, der an alle Kunden geschickt werden soll; die Kundendaten liegen in einer Datenbank (z.b. MS SQL Server) Applikation auf Smartphone speichert ihre internen Daten in einer eingebetteten Datenbank (z.b. SQLite), die auf dem gleichen Endgerät läuft 4

5 Anforderungen Anforderungen an Datenbankschnittstellen sind u.a. Portabilität, d.h. kann das verwendete RDBMS oder die Programmiersprache einfach ausgetauscht werden Fehleranfälligkeit, d.h. werden Fehler (z.b. inkorrektes SQL) bereits bei der Entwicklung oder erst beim Einsatz erkannt Wartbarkeit, d.h. erfordert Änderung (z.b. des Schemas) weitreichende Modifikationen des zugreifenden Codes Transparenz, d.h. bleiben die Spezifika des RDBMS bzw. der Datenbank (z.b. Schema) verborgen 5

6 Historisches Call-Level Interfaces (CLIs) als früher Ansatz, bei dem Hersteller sprachspezifische (z.b. für C oder Fortran) Schnittstellen für bestimmtes Datenbanksystem in Form von Bibliotheken zur Verfügung stellen Eingebettetes SQL erweitert Wirtssprache (z.b. C) um SQL-Kommandos, die vor Compilierung in Befehle der Wirtssprache (z.b. CLI-Aufrufe) übersetzt werden SQL/CI als standardisierte Schnittstelle in SQL:1999, die die Grundlage für Open Database Connectivity darstellt 6

7 Historisches Open Database Connectivity (ODBC) entkoppelt Programmiersprache und Datenbanksystem durch Verwendung von Treibern Java Database Connectivity (JDBC) als moderne objektorientierte Standardschnittstelle für Anwendungen in Java Frameworks für objekt-relationale Abbildung (z.b. Java Persistence und Hibernate) bilden Objekte mit Attributen auf Tabellen mit Spalten ab; die Datenbank kann den Entwicklern dabei verborgen bleiben, so dass keine SQL-Kenntnisse notwendig sind 7

8 11.2 Eingebettetes SQL Eingebettetes SQL erweitert eine Wirtssprache (z.b. C) um SQL-Kommandos für den Datenbankzugriff Erweiterungen sind keine eigentlichen Kommandos der Wirtssprache, so dass Code vor der eigentlichen Compilierung durch einen Präcompiler transformiert werden muss Präcompiler übersetzt die erweiterten Kommandos in eigentliche Kommandos der Wirtssprache (z.b. CLI-Aufrufe für Datenbankzugriff) 8

9 Eingebettetes SQL Präcompiler kann Korrektheit der SQL-Kommandos, auch ob sie kompatibel mit dem Schema sind, überprüfen Eingebettetes SQL oft auf statische SQL-Kommandos beschränkt, d.h. die Kommandos müssen zur Übersetzungszeit bereits feststehen Eingebettetes SQL spielt heute eine geringere Rolle SQLJ für Java Embedded SQL für C/C++ 9

10 SQLJ für Java SQL-Kommandos werden mit #sql ausgezeichnet und in Java-Code eingebettet Erweiterter Code muss mittels Präcompiler sqlj in echten, für den Java-Compiler verständlichen, Code umgewandelt werden Präcompiler überprüft, ob SQL-Kommandos korrekte Syntax haben, ob sie mit dem Schema übereinstimmen und die Typkompatibilität für den Datenaustausch Generierter Code greift per JDBC auf Datenbank zu 10

11 SQLJ für Java SQL-Kommandos werden mit #sql ausgezeichnet und in Java-Code eingebettet 1 #sql {INSERT INTO Studenten (MatrNr, Name, Vorname) 2 VALUES (23781, Max, Mü ller )} Wirtsvariablen erlauben Datenaustausch zwischen Java-Code und SQL-Kommandos 1 long matrnr = 23781; 2 #sql {DELETE FROM Studenten WHERE MatrNr = :matrnr}; 11

12 SQLJ für Java Iteratoren zum Lesen eines Anfrageergebnis in Java müssen vor Verwendung deklariert werden 1 #sql iterator StudentIter (long matrnr, String vorname, String name); hierdurch wird eine Klasse StudentIter generiert Definition einer Instanz der Klasse StudentIter und Ausführung der zugehörigen Anweisung 1 StudentIter iter; 2 #sql iter={ SELECT MatrNr, Name, Vorname FROM Studenten }; 12

13 SQLJ für Java Navigation durch das Anfrageergebnis 1 while (iter.next()) { 2 System.out.println(iter.matrnr() + " " + 3 iter.vorname() + " " + iter.name()); 4 } SQLJ-Code wird in Dateien mit Endung.sqlj abgelegt, um ihn von regulären Java-Code zu unterscheiden SQLJ unterstützt, mit Einschränkungen, dynamisches SQL: SQL-Kommandos können parametrisiert werden und somit erst zur Laufzeit genau definiert sein 13

14 SQLJ für Java 1 import java.sql.*; 2 import sqlj.runtime.ref.defaultcontext; 3 import oracle.sqlj.runtime.oracle; 4 5 #sql iterator StudentIter (long matrnr, String vorname, String name); 6 7 public class StudentExample 8 { 9 public static void main (String args[]) throws SQLException 10 { 11 // Verbindung zur Datenbank herstellen 12 Oracle.connect 13 (" jdbc: oracle: " user", " password"); // Iterator definieren 16 StudentIter iter; 17 #sql iter={ SELECT MatrNr, Name, Vorname FROM Studenten }; // Datensä tze lesen 20 while (iter.next()) { 21 System.out.println 22 (iter.matrnr() + " " + iter.vorname() + " " + iter.name()); 23 } 24 } 25 } 14

15 Embedded SQL für C 1 # include <string.h> 2 # include <stdio.h> 3 # include <ctype.h> 4 5 // Variablen von SQL- Communication Area einbinden 6 EXEC SQL INCLUDE SQLCA; 7 8 int main(int argc, char **argv) { 9 10 // Deklaration von Variablen 11 EXEC SQL BEGIN DECLARE SECTION; 12 VARCHAR uid[80]; 13 VARCHAR pwd[20]; 14 VARCHAR db[20]; 15 VARCHAR vorname[30]; 16 VARCHAR name[20]; 17 EXEC SQL END DECLARE SECTION; 18 // Verbindungsdaten setzen 15

16 Embedded SQL für C 19 // Verbindungsdaten setzen 20 strcpy(uid.arr," user"); 21 uid.len = strlen(uid.arr); 22 strcpy(pwd.arr," password"); 23 pwd.len = strlen(pwd.arr); 24 strcpy(db.arr," hochschule"); 25 db.len = strlen(db.arr); // Verbindung zur Datenbank herstellen 28 EXEC SQL CONNECT :uid IDENTIFIED BY :pwd USING :db; // Anfrage an Datenbank schicken 31 EXEC SQL SELECT Name, Vorname 32 FROM Studenten 33 INTO :name, :vorname 34 WHERE MatrNr = 23786; // Name und Vorname ausgeben 37 printf(" Der Student heisst %s %s", vorname, name); } 16

17 11.3 Open Database Connectivity (ODBC) Open Database Connectivity (ODBC) in den 1990ern von Microsoft entwickelt und Grundlage für den von der SQL Access Group (SAG) entworfenen Standard SQL/CLI Portabilität als Ziel von ODBC, d.h. Anwendung soll unabhängig vom verwendeten RDBMS (oder allgemein: Datenquelle) sein und deren Austausch soll einfach erfolgen können 17

18 Treibermanager und Treiber ODBC erreicht Portabilität durch Verwendung von Treiber als Vermittler zwischen Anwendung und Datenquelle (vgl. Druckertreiber und Office-Anwendungen) Anwendung kommuniziert mit Treibermanager über Aufrufe von festgelegten ODBC-Funktionen (z.b. SQLConnect zum Aufbau einer Verbindung) Datenquellen (z.b. Datenbank oder.csv-datei) sind beim Treibermanager registriert Treiber übersetzt ODBC-Funktionsaufrufe für die jeweilige Datenquelle um 18

19 Treibermanager und Treiber Anwendung Treibermanager Treiber RDBMS Treiber CSV RDBMS CSV 19

20 Treibermanager und Treiber Abhängig von der Art der ODBC-Datenquelle muss der Treiber selbst mehr oder weniger leisten, z.b. bei einem mächtigen RDBMS (z.b. MS SQL Server) können die SQL-Kommandos an das RDBMS unverändert weitergereicht werden bei einer einfachen Datenquelle (z.b. CSV-Dateien) muss der Treiber selbst sich um die Ausführung von SQL-Kommandos kümmern, d.h. intern ein DBMS (z.b. mit Selektion, Projektion und Join) implementieren 20

21 ODBC-Funktionen ODBC definierte drei Ebenen von Funktionen (API-levels) Core-Level Funktionen z.b. SQLConnect zum Aufbau einer Verbindung zu einem Treiber SQLAllocStmt zum Anlegen eines SQL-Kommandos Level-1 Funktionen z.b. SQLGetInfo zum Erfragen von Informationen über den Treiber SQLGetTypeInfo zum Erfragen unterstützter Datentypen Level-2 Funktionen z.b. SQLColumnPrivilege zum Erfragen verfügbarer Spalten SQLPrimaryKeys zum Erfragen von Primärschlüsselattributen 21

22 SQL-Unterstützung in ODBC ODBC kennt drei Ebenen (levels) der SQL-Unterstützung Minimale SQL-Grammatik CREATE TABLE und DROP TABLE INSERT, SELECT und UPDATE keine Gruppierung und Aggregation, keine Funktionen nur Datentyp CHAR Core SQL zusätzlich z.b. ALTER TABLE, CREATE INDEX, CREATE VIEW vollständiges INSERT, SELECT und UPDATE Datentypen z.b. VARCHAR, DECIMAL, NUMERIC, SMALLINT 22

23 SQL-Unterstützung in ODBC Extended SQL auch OUTER JOIN in SELECT skalare Funktionen wie SUBSTRING oder ABS zusätzliche Datentypen z.b. DATE und TIME Stapelverarbeitung von SQL-Kommandos Anlegen gespeicherter Prozeduren Portabilität und Performanz der Anwendung hängt von verwendetem API-Level und SQL-Unterstützung ab; ein höherer API-Level und eine höhere SQL-Unterstützung führen zu besserer Performanz, aber eben auch zu geringerer Portabilität 23

24 Datenbankzugriff mittels ODBC aus C 1 # include " SQL.H" 2 3 int main(int argc, char **argv) { 4 5 // Umgebungs - Handle belegen SQLAllocConnect( henv, & hdbc ); 6 SQLAllocEnv( &henv ); 7 8 // Verbindungs - Handle belegen 9 rc = SQLConnect( hdbc, server, SQL_NTS, uid, SQL_NTS, pwd, SQL_NTS ); // Verbindung aufbauen, Abbruch bei Fehler 12 if( rc!= SQL_SUCCESS && rc!= SQL_SUCCESS_WITH_INFO ) 13 return( print_err( hdbc, SQL_NULL_HSTM )); // Speicherplatz für SQL- Befehle belegen 16 SQLAllocStmt( hdbc, &hstmt ); // SQL- Kommando zum Anlegen einer Tabelle in String 19 szsql = " CREATE TABLE Studenten 20 ( MatrNr INTEGER, Vorname VARCHAR(30), Name VARCHAR(30))"; 21 // SQL- Kommando ausführen, Abbruch bei Fehler 24

25 Datenbankzugriff mittels ODBC aus C // SQL- Kommando ausführen, Abbruch bei Fehler 23 if( SQLExecDirect( hstmt, szsql, SQL_NTS )!= SQL_SUCCESS ) 24 return( print_err( hdbc, hstmt ); // Anlegen der Tabelle mit COMMIT abschließen 27 SQLTransact( hdbc, SQL_COMMIT ); // Ressourcen wieder freigeben und Verbindung schließen 30 SQLFreeStmt( hstmt, SQL_DROP ); 31 SQLFreeConnect( hdbc ); 32 SQLFreeEnv( henv ); return 0; 35 } 25

26 Datenbankzugriff mittels ODBC aus Excel ODBC hat sich als Standardschnittstelle etabliert und wird von Standardsoftware (z.b. MS Office) unterstützt; dies erlaubt u.a. folgende Anwendungsszenarien MS Excel und MS Access können als Frontend zum Lesen und Ändern von in einem RDBMS gespeicherter Daten verwendet werden Serienbriefe können in MS Word mittels Zugriff auf in RDBMS gespeicherter Daten generiert werden MS Excel kann als ODBC-Datenquelle dienen, d.h. Datenblätter können mittels SQL angefragt werden 26

27 11.4 Java Database Connectivity (JDBC) Java Database Connectivity (JDBC) von SUN (Oracle) stellt eine Schnittstelle zum Datenbankzugriff aus Java-Anwendungen bereit Ähnlich zu ODBC kommen Treiber zum Einsatz, um Anwendung und Datenbanksystem zu entkoppeln JDBC-to-ODBC und ODBC-to-JDBC Brücken erlauben Verwendung von ODBC-Datenquellen in Java bzw. JDBC-Datenquellen in Anwendungen mit ODBC-Unterstützung Klassen im Paket java.sql als Teil des Standard SDK 27

28 Treibermanager und Treiber Treibermanager (DriverManager) erzeugt Verbindung (Connection) mit einem Treiber und Verbindungsdaten (z.b. Benutzername und Passwort) JDBC unterscheidet vier Typen von Treibern Typ 1 übersetzt JDBC in ODBC (JDBC-to-ODBC Brücke) Typ 2 verwendet CLI des jeweiligen RDBMS Typ 3 verwendet systemunabhängige Middleware Typ 4 kommuniziert direkt mit dem jeweiligen RDBMS Treiber wird in Form eines JAR-Files zur Verfügung gestellt und muss sich im Classpath befinden 28

29 Ablauf einer Interaktion mit RDBMS via JDBC Interaktion mit RDBMS via JDBC hat folgende Phasen 1. Aufbau der Verbindung (erzeugt ein Instanz der Klasse Connection) 2. Anlegen eines SQL-Kommandos (als Instanz der Klasse Statement) 3. Senden des SQL-Kommandos (durch Aufruf einer Methode des Statement) 4. Verarbeiten des Ergebnis Anzahl geänderter Zeilen z.b. bei DELETE und UPDATE Ergebnismenge als Instanz von ResultSet bei SELECT 5. Freigeben der Ressourcen und Schließen der Verbindung 29

30 Verbindung (Connection) aufbauen Treiber für das RDBMS muss geladen werden 1 Class.forName(" com. microsoft. sqlserver. jdbc. SQLServerDriver") 1 Class.forName(" org. sqlite. JDBC") Verbindungsdaten werden in Form einer URL angegeben 1 String connectionurl = " jdbc: sqlserver://swl-srv03;" 2 + " databasename= Versandhandel; 3 + " user=xxx;password=xxx"; 1 String connectionurl = " jdbc: sqlite:/home/ user/" 2 + "dbs-versandhandel. sqlite" 30

31 Verbindung (Connection) aufbauen Verbindung zum RDBMS aufbauen 1 Connection conn = null; 2 try { 3 Connection conn = DriverManager.getConnection(connectionUrl); 4 } catch (SQLException sqle) 5 // spä ter mehr 6 } finally { 7 if (conn!= null) try {conn.close();} catch (SQLException sqle) {}; 8 } Verwendung von try-catch-finally Blöcken stellt sicher, dass die Verbindung auch bei Auftreten eines Fehlers geschlossen wird Grundsätzlich sind JDBC-Objekte zu schließen, da sie Ressourcen auf dem Client (z.b. Speicher) und dem Server (z.b. Sockets) belegen 31

32 SQL (Statement) Instanz von Statement anlegen 1 Statement stmt = null; // vor try 2 stmt = conn.createstatement(); // im try Sofern es sich um ein UPDATE, DELETE oder INSERT handelt, wird das Kommando wie folgt ausgeführt 1 int n = stmt.executeupdate(" DELETE FROM Studenten"); // im try 2 System.out.println("Es wurden " + n + " Zeilen geä ndert"); mit Anzahl geänderter Zeilen als Rückgabewert Schließen des Statement 1 stmt.close(); // spä testens im catch 32

33 Ergebnis (ResultSet) Handelt es sich um ein SELECT, wird das Kommando wie folgt ausgeführt 1 ResultSet rs = null; // vor try 2 stmt = conn.createstatement(); // im try 3 rs = stmt.executequery( 4 " SELECT MatrNr, Vorname, Name " 5 " FROM Studenten"); // im try mit Instanz von ResultSet als Rückgabewert ResultSet ähnelt dem Cursors-Konzept in Transact- SQL und erlaubt ein Navigieren im Anfrageergebnis; ein Ändern der Daten ist jedoch nicht möglich 33

34 Ergebnis (ResultSet) Ergebnismenge in ResultSet lässt sich wie folgt lesen 1 while(rs.next()) { // im try 2 long matrnr = rs.getlong(" MatrNr"); 3 String vorname = rs.getstring(" Vorname"); 4 String name = rs.getstring(" Name"); 5 System.out.println(matrnr + " " + vorname + " " + name); 6 } Ein Zugriff auf die Attribute einer Zeile im Ergebnis ist über ihren Namen möglich, alternativ über ihren Index 1 while(rs.next()) { // im try 2 long matrnr = rs.getlong(1); 3 String vorname = rs.getstring(2); 4 String name = rs.getstring(3); 5 System.out.println(matrnr + " " + vorname + " " + name); 6 } 34

35 Ergebnis (ResultSet) Zudem können Informationen zum Schema des Ergebnis z.b. Namen und Typen der Attribute erfragt werden 1 ResultSetMetaData rsmd = rs.getmetadata(); 2 3 // Zahl der Spalten erfragen 4 int columncount = rsmd.getcolumncount(); 5 6 // Name und Typ jeder Spalte ausgeben 7 for( int i = 1; i <= columncount; i++) { 8 System.out.println(" Spalte " + i + " heisst " 9 + rsmd.getcolumnlabel(i); 10 + " und hat Typ " rsmd.getcolumntypename(i); 12 } 13 } 35

36 Versandhandel in SQLite mit JDBC Xerial ( stellt einen JDBC-Treiber für SQLite-Datenbanken zur Verfügung 1 package de.htwsaar.swl; 2 3 import java.sql.connection; 4 import java.sql.drivermanager; 5 import java.sql.resultset; 6 import java.sql.sqlexception; 7 import java.sql.statement; 8 9 /** 10 * Zugriff auf Versandhandelsdaten in SQLite per JDBC 11 * 12 Klaus Berberich ( klaus. berberich@htwsaar.de) 13 */ 14 public class VersandhandelExample { public static void main(string[] args) { 17 Connection conn = null; 18 Statement stmt = null; 19 ResultSet rs = null; 20 try { 21 // JDBC- Treiber für SQLite laden 22 Class.forName(" org. sqlite. JDBC"); 23 36

37 Versandhandel in SQLite mit JDBC // Verbindung erstellen 25 conn = DriverManager.getConnection(" jdbc: sqlite:" + 26 "/ Users/ kberberi/ Desktop/dbs-unix. sqlite"); // Statement erstellen 29 stmt = conn.createstatement(); // Anfrage ausfü hren 32 rs = stmt. executequery(" SELECT Kunden_Nr, Vorname, Name, PLZ, Woh 33 + " FROM Kunden ORDER BY PLZ"); // Zeilen im Ergebnis mit allen Spalten ausgeben 36 while (rs.next()) { 37 System.out.println(rs.getLong(1) + " " 38 + rs.getstring(2) + " " 39 + rs.getstring(3) + " " 40 + rs.getint(4) + " " 41 + rs.getstring(5)); 42 } 43 } catch (SQLException sqle) { 37

38 Versandhandel in SQLite mit JDBC 1 2 } catch (SQLException sqle) { 3 System.out.println(sqle.getMessage()); 4 } catch (ClassNotFoundException cnfe) { 5 System.out.println(" Treiber unbekannt: " + cnfe.getmessage()); 6 } finally { 7 if (rs!= null) { 8 try { 9 rs.close(); 10 } catch (SQLException sqle) { 11 } 12 }; 13 if (stmt!= null) { 14 try { 15 stmt.close(); 16 } catch (SQLException sqle) { 17 } 18 }; 19 if (conn!= null) { 20 try { 21 conn.close(); 22 } catch (SQLException sqle) { 23 } 24 }; 25 } 26 } } 38

39 Versandhandel in SQLite mit JDBC Code zum Download auf Website zur Vorlesung JDBC-Treiber für MS SQL Server zum Download: Achtung: Andere URL zum Verbinden mit Datenbank 39

40 Zusammenfassung Datenbankschnittstellen erlauben Zugriff auf Datenbank aus einer externen Anwendung Portabilität als wichtige Anforderung, d.h. RDBMS oder Programmiersprache soll leicht austauschbar sein Call-Level Interfaces als Schnittstellen für bestimmtes RDBMS und bestimmte Programmiersprache Open Database Connectivity (ODBC) erreicht Entkopplung durch Verwendung von Treibern Java Database Connectivity (JDBC) für Java-Code 40

41 Literatur [1] A. Kemper und A. Eickler: Datenbanksysteme Eine Einführung, De Gruyter Oldenbourg, 2015 (Kapitel 4) [2] G. Saake, K.-U. Sattler und A. Heuer: Datenbanken - Konzepte und Sprachen, mitp Professional, 2013 (Kapitel 13) 41