Informatik & Praxis Herausgegeben von

Transkript

1 Informatik & Praxis Herausgegeben von Prof. Dr. Helmut Eirund Prof. Dr. Herbert Kopp Prof. Dr. Axel Viereck

2 Edwin Schicker Datenbanken und SQL Eine praxisorientierte Einführung mit Anwendungen in Oracle, SQL Server und MySQL 4., überarbeitete Auflage

3 Edwin Schicker Fakultät Informatik und Mathematik OTH Regensburg Regensburg, Deutschland ISSN ISBN DOI / ISBN (ebook) Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Springer Vieweg Springer Fachmedien Wiesbaden 1996, 1999, 2000, 2014 Das Werk 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 Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. Springer Vieweg ist eine Marke von Springer DE. Springer DE ist Teil der Fachverlagsgruppe Springer Science+Business Media

4 Vorwort Datenbanken entstanden ab etwa 1960 aus der Notwendigkeit, die logischen Zugriffe auf die immer größer werdenden Datenmengen der Großrechner zu vereinfachen und zu normieren. Inzwischen haben Datenbanken längst ihren Siegeszug in nahezu allen Anwendungsbereichen angetreten. Für diese rasante Entwicklung zeichnen vor allem drei Gründe verantwortlich: Erstens stieg die Rechnerleistung in den letzten Jahrzehnten extrem an. Zweitens ermöglichen die nach 1970 entwickelten relationalen Datenbanken ein intuitives Erstellen von Datenbanken mit einfachen Zugriffen. Und drittens unterstützen grafische Oberflächen den Anwender und Datenbankdesigner dank einer intuitiven Benutzerführung. Damit wird das Erstellen einer kleinen Datenbank fast zum Kinderspiel. Doch nur ein korrektes Design gepaart mit wohlüberlegten strukturierten Zugriffen garantieren Flexibilität, Zuverlässigkeit und eine problemlose spätere Erweiterung der Datenbank. Erst ein optimiertes Design basierend auf theoretischen Grundlagen und praktischen Erfahrungen sorgen für Konsistenz und Integrität einer Datenbank. Nur so erhalten wir fehlerfreie und widerspruchsfreie Datenbestände, die stets zugreifbar sind. Dieses Buch entstand aus Vorlesungen zu Datenbanken, die ich für Informatiker und Mathematiker an der Technischen Hochschule Regensburg seit vielen Jahren lese. Ich möchte mit diesem Buch aber auch alle interessierten Laien und Nicht-Informatiker bewusst ansprechen. Der theoretische Stoff wird mittels zahlreicher Beispiele sofort praktisch angewendet. Regelmäßige Zusammenfassungen erleichtern die Wiederholung und Reflexion des behandelten Stoffes. Zur Lernzielkontrolle dienen dem Autodidakten die zahlreichen Übungsaufgaben. Der Praxisbezug wird unterstützt durch eine im Buch fortlaufend verwendete Beispieldatenbank, die im Anhang ausführlich vorgestellt wird. Dieses Buch wendet sich vor allem an Programmierer, die mit Hilfe von SQL auf Datenbanken zugreifen wollen, und an alle, die kleine bis mittlere Datenbanken selbst entwerfen, erweitern und ändern möchten. Da viele Kapitel voneinander unabhängig sind, empfehle ich dieses Buch ausdrücklich auch als Nachschlagewerk. Ein umfangreiches Kapitel zur Datenbankprogrammierung erschließt zusätzlich die Welt des Internets und der grafischen Oberflächen. Ganz grob lässt sich dieses Buch in drei Teile gliedern. Die Kap. 1 bis 3 geben zunächst einen Überblick über Datenbanken und beschäftigen sich dann intensiv mit Aufbau und V

5 VI Vorwort Design von relationalen Datenbanken. Dieser mehr theoretische Stoff wird im zweiten Teil durch die in den Kap. 4 und 5 behandelte Datenbanksprache SQL intensiv angewendet und dabei zusätzlich erheblich vertieft. Die Internet-Programme in Kap. 6 schließen diesen zweiten Teil ab. Im dritten Teil ab Kap. 7 werden weiterführende Themen vorgestellt. Es finden sich Kapitel zur Performance, zur Korrektheit der gespeicherten Daten, zu Möglichkeiten des parallelen Datenzugriffs, zum Schutz vor Datenverlusten oder unberechtigten Zugriffen und zu verteilten und objektrelationalen Datenbanken. Kapitel 1 bespricht die Vorzüge von Datenbanken gegenüber selbst verwalteten Datenbeständen, erklärt die wichtigsten Datenbankbegriffe und gibt einen kleinen Überblick über die Leistungsfähigkeit und Möglichkeiten von Datenbanken. Dieses Kapitel dient zur Übersicht und Motivation und ist vor allem für den Anfänger empfehlenswert. Kapitel 2 und 3 beschäftigen sich mit relationalen Datenbanken. Sie sind zusammen mit der Sprache SQL ab Kap. 4 die zentralen Kapitel dieses Buches. Hier liegt der Fokus auf den Methoden zum Erstellen einer relationalen Datenbank im Detail. Der Aufbau von Relationen zusammen mit den beiden Integritätsregeln wird vorgestellt. Die Normalformen von Relationen und das Entity-Relationship-Modell als Basiswerkzeuge zum Design von Datenbanken werden ausführlich behandelt. Die Kap. 4 und 5 führen praxisorientiert und umfassend in die Datenbankzugriffssprache SQL ein, wobei an Hand von Beispielen der Stoff der Kap. 2 und 3 wesentlich vertieft wird. Kapitel 4 befasst sich intensiv mit den Zugriffsmöglichkeiten auf Datenbanken mittels SQL. In Kap. 5 gehen wir einen Schritt weiter und erzeugen Datenbanken mit geeigneten SQL-Befehlen und beschäftigen uns zusätzlich mit der Vergabe von Zugriffsrechten in SQL. Hier werden auch wichtige Themen wie Sicherheit und Integrität behandelt. In Kap. 6 wird der SQL-Teil mit umfangreichen Programmen abgeschlossen. Hier greifen wir mittels HTML und PHP vom Internet aus direkt auf Datenbanken zu. Der dritte Teil dient der Weiterführung und Vertiefung. Er beginnt in Kap. 7 mit einer Einführung in die Performance. In Kap. 8 folgen die im produktiven Einsatz sehr wichtigen Themen Recovery und Concurrency. Es werden ausführlich die erforderlichen Maßnahmen beschrieben, um einem plötzlichen Rechnerabsturz ruhig entgegenzusehen und um Parallelzugriffe zu ermöglichen. In Kap. 9 werden die Grundideen verteilter und objektrelationaler Datenbanken vorgestellt. Dies beinhaltet die Grundregeln der verteilten Datenbanken und erste Gehversuche mit der objektrelationalen Erweiterung der Sprache SQL. Geübt wird im gesamten Buch durchgehend mit Oracle, aber auch mit MySQL und SQL Server. Dank der normierten Sprache SQL sind die meisten Beispiele dieses Buches auch auf andere Datenbanken direkt anwendbar. Auf die wenigen Abweichungen zwischen Oracle, SQL Server und MySQL wird immer explizit hingewiesen. Die Beispieldatenbank Bike wird durchgängig verwendet, besonders intensiv in den SQL-Kapiteln. Diese Datenbank Bike wird im Anhang ausführlich vorgestellt und ist Basis für alle praktischen Übungen dieses Buches. Installationsprogramme zum automatischen Erstellen dieser Datenbank für Oracle, SQL Server und MySQL stehen im Internet kostenlos zur Verfügung. Ent-

6 Vorwort VII sprechende Hinweise werden ebenfalls im Anhang gegeben. Jedes Kapitel endet mit einer Zusammenfassung, Übungsaufgaben und Literaturhinweisen. Seit der dritten Auflage sind viele Jahre vergangen. In der vorliegenden vierten Auflage wurden alle Kapitel vollständig überarbeitet. Völlig neu sind das Kapitel zur Programmierung mit PHP und das Kapitel über Performance. Auch die Beispieldatenbank Bike wurde weiter verbessert. Die zahlreichen zusätzlichen Änderungen sind auch auf die vielen Anregungen von Lesern zurückzuführen. Dafür bedanke ich mich sehr herzlich. Mein besonderer Dank gilt meiner Familie, deren Rücksicht und Verständnis dieses Buch erst ermöglichten. Regensburg, im April 2014

7 Inhaltsverzeichnis 1 ÜbersichtüberDatenbanken Definition einer Datenbank AnforderungenaneineDatenbank Der Datenbank-Administrator Datenbankmodelle Relationale Datenbanken Objektorientierte Datenbanken Hierarchische und netzwerkartige Datenbanken Moderne Entwicklungen Transaktionen Das Konsistenzmodell ACID Übungsaufgaben Literatur DasRelationenmodell Beispiel zu relationalen Datenbanken Relationale Datenstrukturen Primärschlüssel Relationale Integritätsregeln Entitäts-Integritätsregel Referenz-Integritätsregel Relationale Algebra Relationale Operatoren Vereinigung, Schnitt und Differenz Projektion und Restriktion Kreuzprodukt, Verbund und Division Eigenschaften der relationalen Operatoren Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur IX

8 X Inhaltsverzeichnis 3 Datenbankdesign Normalformen Erste Normalform Funktionale Abhängigkeit Zweite Normalform Dritte Normalform nach Boyce und Codd Dritte Normalform nach Codd Vierte Normalform Fünfte Normalform Zusammenfassung Entity-Relationship-Modell Entitäten Beziehungen Beziehungsrelationen Fremdschlüsseleigenschaften Schwache Entitäten und Subtypen Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur Die Zugriffssprache SQL Der Abfragebefehl Select Der Aufbau des Select-Befehls Die From-Klausel Die Select-Klausel Die Where-Klausel Die Group-By- und Having-Klausel Union, Except und Intersect Der Verbund (Join) Der äußere Verbund (Outer Join) Die Order-By-Klausel Nullwerte und die Coalesce-Funktion Arbeitsweise des Select-Befehls Mutationsbefehle in SQL Transaktionsbetrieb mit SQL Relationale Algebra und SQL Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur Die Beschreibungssprache SQL Relationen erzeugen

9 Inhaltsverzeichnis XI Datentypen Spalten- und Tabellenbedingungen Relationen ändern und löschen Temporäre Relationen Sichten (Views) Zusicherungen (Assertions) Gebiete Trigger Sequenzen Zugriffsrechte Zugriffsschutz Integrität Aufbau einer Datenbank Information Schema Datenbanken und Oracle Datenbanken und SQL Server Datenbanken und MySQL Einrichten und Verwalten von Datenbanken Oracle Datenbanken SQL Server Datenbanken MySQL Datenbanken Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur Datenbankprogrammierung mit PHP Arbeiten mit PHP Überblick zu Webserver, HTML und PHP Internet und Webserver Hypertext Markup Language (HTML) PHP Felder in PHP: eine kurze Übersicht Erste Datenbankzugriffe Datenbankzugriff mit PHP Die Datenbankschnittstelle PDO Erster PHP-Zugriff auf Datenbanken Einführung in die Fehlerbehandlung Auslesen mehrerer Datenzeilen Komplexere Datenbankzugriffe Sessionvariable Mehrfache Lesezugriffe auf Datenbanken Eine GUI zur Eingabe von SQL-Befehlen

10 XII Inhaltsverzeichnis Die Klasse PDOException Transaktionsbetrieb mit PHP Arbeiten mit großen Binärdaten Verwendung des Datentyps BLOB Speichern von Binärdaten in einer Datenbank Auslesen von Binärdaten aus einer Datenbank Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur Performance in Datenbanken Optimizer und Ausführungsplan Optimierung in Oracle Optimierung in SQL Server Optimierung in MySQL Index Partitionierung Materialisierte Sicht Optimierung des Select-Befehls Stored Procedure Weitere Optimierungen Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur Concurrency und Recovery Transaktionen in Datenbanken Recovery Recovery und Logdateien Aufbau der Logdateien Recovery und Checkpoints Concurrency Sperrmechanismen Deadlocks Concurrency und SQL Concurrency in der Praxis Concurrency in Oracle Concurrency in MS SQL Server Concurrency in MySQL Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur

11 Inhaltsverzeichnis XIII 9 Moderne Datenbankkonzepte Verteilte Datenbanken Vorteile der verteilten Datenhaltung Die zwölf Regeln zur verteilten Datenhaltung Das CAP-Theorem Das Konsistenzmodell BASE Überblick über moderne Datenbanksysteme Zwei-Phasen-Commit Objektorientierte Datenbanken Definition objektorientierter Datenbanken Objektrelationale Datenbanken Objektrelationale Erweiterungen in Oracle Eingebettete Relationen in Oracle Zusammenfassung Übungsaufgaben Literatur Anhang Sachverzeichnis