Grundlagen zur Verwendung und Entwicklung von Datenbanksystemen

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1 Grundlagen zur Verwendung und Entwicklung von Datenbanksystemen Vorlesung im Wintersemester 2007/08 (Aspekte der Anbindung von Datenbanken) WS07/08 DBS Part 5 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 1

2 Inhalte des Abschnitts Grundlegende Aspekte ODBC-Schnittstelle JDBC-Schnittstelle Beispiel einer JDBC-Implementierung Gespeicherte Prozeduren (Stored Procedures) Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 2

3 Aspekte zur Anbindung von Datenbanken Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 3

4 Client-Server Architektur Benutzerschnittstelle Benutzerschnittstelle Client Anwendungslogik Client Middleware DB-Schnittstelle Anwendungslogik DB-Schnittstelle Applikations- Server DBMS-Protokoll DBMS-Protokoll Daten DB-Server Daten DB-Server 2-Schichten-Architektur 3-Schichten-Architektur Quelle: Heuer, A.; Saake, G.; Sattler, K.-U.; Datenbanken kompakt, mitp-verlag, 2003 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 4

5 Cursor-Konzept Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 5

6 Cursor-Konzept Unterschiedliche Datenstrukturkonzepte - Java Object als Basiskonstruktur (vgl. Aufnahme eines Tupels) - SQL Konzept der Relation (Menge von Tupeln) Ausgleich des Impedance Mismatch durch - Verwendung verketteter Listen Traversieren durch die Listen - Cursor-Konzept abstrakte Sichtweise auf eine Relation Cursor als Iterator über einer Liste von Tupeln, wobei dieser Zeiger je nach Implementierung vor- und zurückgesetzt werden kann Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 6

7 Konzepte zur Datenbankanbindung Einbettung von SQL in Programmiersprachen (Embedded SQL) - Statische Einbettung (SQL-Anweisungen sind vordefiniert und werden durch einen Precompiler analysiert und übersetzt) - Dynamische Einbettung (SQL-Anweisungen können zur Laufzeit zusammengesetzt werden) Call-Level-Schnittstellen - Herstellerspezifische Implementierungen (z.b. Oracle OCI, DB2 CLI) - SQL/CLI der X/Open-Group als ISO-Standard (Quelltextkompatibel) - Microsoft ODBC bzw. Java JDBC Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 7

8 ODBC-Schnittstelle Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 8

9 ODBC-Schnittstelle Zugriff auf verschiedene Datenquellen mittels ODBC ODBC -Open Database Connectivity - durch Microsoft initiierter offener Standard SQL/CLI - Entkopplung der Anwendung von Datenbank-Details - API für die Programmiersprache C - Verwendung lokaler und entfernter Datenbanken - Wechsel der Datenbank erfordert keine Neukompilierung - Verfügbar für Windows- und UNIX-Systeme Seit Windows 2000 ist ODBC als Bestandteil des Betriebssystems Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 9

10 ODBC-Schnittstelle Applikation ODBC API Treibermanager ODBC API Treiber Treiber Daten Daten Quelle: Heuer, A.; Saake, G.; Sattler, K.-U.; Datenbanken kompakt, mitp-verlag, 2003 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 10

11 ODBC-Architektur Verwendung einer 4-Schichten-Architektur - ODBC-Applikation (ODBC-Bibliothek im Programmcode) - ODBC-Driver Manager verwaltet Datenquellen und entkoppelt die Anwendungen von den systemspezifischen DB-treibern - ODBC-Treiber regelt Abwicklung der Datenzugriffe - Datenquelle liefert die entsprechende Daten Verwendung so genannter Datenquellen eigener Name - Vorkonfiguriert vom Administrator Windows Systemsteuerung - Angabe der benötigten Verbindungsinformation - Servername, Netzwerkadresse, Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 11

12 Verwendung der ODBC-Schnittstelle Struktur zur Verwendung der ODBC-Schnittstelle - Aufbau einer Verbindung zur Datenbank - Ausführen einer entsprechenden SQL-Anweisung - Verarbeitung der Ergebnismenge - Beenden der Verbindung zur Datenbank Microsoft Foundation Classes (MFC) C++ Klassenbibliothek - Bereitgestellte Klassen zur Nutzung der ODBC-Funktionen Klasse CDatabase Verbindung zur Datenbank Klasse CRecordset Anfragebearbeitung CRecordset-Objekt Navigieren durch die Antwortmenge Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 12

13 Beispiel einer Implementierung void print_emps() { // Datenbank oeffnen CDatabase db; db.open("dsn=sybasesqlserver",false,true,\"odbc;uid=quix"); // RecordSet initialisieren EmployeeRecordSet rs(&db); rs.open(crecordset::snapshot, "Select Name,Salary from Employee where Salary > "); // Ergebnis ausgeben rs.movefirst(); while(!rs.iseof()) { rs.dofieldexchange(); cout << rs.name << " verdient " rs.salary << " DM.\n"; rs.movenext(); } } Quelle: Quix, C.: Der ODBC-Standard, Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 13

14 JDBC-Schnittstelle Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 14

15 Datenbankanbindung mit JDBC JDBC -Java Database Connectivity API zur Programmierung von Datenbankverbindungen (Konzeptionell angelehnt an ODBC) JDBC nutzt für den Datenbankzugriff das durch die X/Open standardisierte Call-Level-Interfaces (CLI) - Low level API, kein direktes objektorientiertes Mapping - Implementierungen von Oracle, Sybase, Informix, DB/2, IMS,... Aufgaben des JDBC-Interface - Verbindungsaufbau zur Datenbank - SQL Kommandos (vgl. SELECT name FROM MITARBEITER) - Ergebnisse verarbeiten und in der Oberfläche anzeigen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 15

16 Datenbankanbindung mit JDBC Das JDBC-Interface bietet verschiedene Treibertypen (Typ 1 bis 4) - Entscheidung über die Schichten der Applikation - Vorteile einer mehrschichtigen C/S-Architektur berücksichtigen Verwendbare Systeme (ohne Firewall): - Web-Server: MS Internet Information Server - JDBC-Applikations-Server (z.b. Weblogic Tengah - MS SQL-Server Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 16

17 Datenbankanbindung mit JDBC Ethernet Client Server Web-Browser (z.b. Netscape) Java-Applet HTTP-Anfrage html-dateien class-dateien DB-Anfrage Datensätze Web-Server (z.b. MS IIS) JDBC-Server (z.b. IDS-Server) Client DB-Server Daten Server Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 17

18 Datenbankanbindung mit JDBC Type 1 Treiber: JDBC-ODBC Bridge - keine Hardwareunabhängigkeit bei Applet-Anwendungen - DB-Zugriffe erfolgen via dem ODBC-Treiber - Zu fast jedem DB-System sind ODBC-Treiber verfügbar Type 2 Treiber: Native partly Java Driver - Treiber des entsprechenden DBMS Herstellers werden benötigt - Wandlung der JDBC-Aufrufe in herstellerspezifische Client-API für das jeweilige Datenbank-System Merke: Treibertypen 1 und 2 sind für Applet-Anwendungen ungeeignet. Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 18

19 Datenbankanbindung mit JDBC Type 3 Treiber: Java Net all Java-Driver - Treiber nur zum Teil in Java geschrieben (eigentlich Proxy beim Client) - Middleware zwischen Java-Client und DB-Server notwendig - keine spezielle Software beim Client (Applets möglich) notwendig - mehrstufige C/S-Architekturen sind realisierbar (n-tier) Type 4 Treiber: - Treiber komplett in 100% Java geschrieben - Treiber wird bei Start des Browsers übertragen (rel. groß) - Mehrstufige C/S-Architekturen werden unterstützt Schlußfolgerung: Treibertyp 4 ist für mehrstufige C/S-Architekturen die optimale Lösung (z.b. Einsatz im Kontext eines Web-Serves) Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 19

20 Datenbankanbindung mit JDBC SQL-2 EntryLevel Standard von 1992 Problem der Portierung einer Anwendung auf ein anderes Datenbanksystem (Problem der verschiedenen SQL-Dialekte) Forderung von SUN an die JDBC-Hersteller zur Sicherung eines minimalen Anspruches auf Standardisierung SUN stellt eine entsprechende Test-Suite zum Nachweis der Konformität von JDBC-Treibern bereit Kritisch ist die Verwendung von Funktionen die über den o.g. Standard hinausgehen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 20

21 Datenbankanbindung mit JDBC Meistgenutzte Klassen des JDBC-API (import java.sql.*) - java.sql.drivermanager Verwalten der Datenbankverbindung - java.sql.driverconnection Verbindungsaufbau zur Datenbank - java.sql.statement beinhaltet den auszuführenden SQL-Befehl wird als ASCI-Zeichenkette übergeben - java.sql.resultset Zugriff auf die Ergebnismenge des ausgeführten SQL-Befehls Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 21

22 Datenbankanbindung mit JDBC Öffnen einer Verbindung DB-Zugriff erfordert die Etablierung einer Verbindung zur DB Schritte beim Verbindungsaufbau - Datenbanktreiber laden - Initialisierung des Datenbanktreibers - Erzeugen eines Verbindungsobjektes Verbindungsobjekt - Bleibt während der gesamten Verbindung bestehen - Lieferant für spezielle Objekte zur Abfrage & Veränderung der DB Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 22

23 Datenbankanbindung mit JDBC Ausprägungen von getconnection (Verbindungsaufbau zur Datenbank) static Connection getconnection( string url ) static Connection getconnection( string url, String user, String password ) static Connection getconnection( string url, Properties info ) Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 23

24 Datenbankanbindung mit JDBC Aufbau des Connection-Strings: Besteht aus mehreren Teilen Durch Doppelpunkt voneinander getrennt 1. Teil: immer jdbc 2. Teil: Sub-Protokoll Angabe des konkreten Treibers Weitere Teile: Treiberspezifisch Beispiele: Firebird-DB con = DriverManager.getConnection("jdbc:firebirdsql:localhost/3050:DirDB","sysdba","masterkey"); MySQL-DB con = DriverManager.getConnection("jdbc:mysql://localhost/hs_mitarbeiter", "root", ""); Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 24

25 Datenbankanbindung mit JDBC Erzeugen von Anweisungsobjekten Abfragen und Änderungen erfolgen mittels Anweisungsobjekten Implementieren das Interface Statement bzw. entspr. Subinterfaces Einfachste Form createstatement mit folgenden Methoden - executequery (String sql) - executeupdate (String sql) Erzeugung unparametrisierter Abfragen und Änderungen der DB Rückgabe: - Einfacher numerischer Ergebniswert (Erfolg bzw. Misserfolg) - Menge von Datenbanksätzen, als Ergebnis der Abfrage Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 25

26 Datenbankanbindung mit JDBC Statement-Objekte: Häufig kostenintensive Ressourcen - Belegung von Speicherplatz - Belegung von Rechenzeit Erzeugung einer großen Anzahl sollte vermieden werden Besserer Stil: - Anlegen einer Reihe vordefinierter Statement-Objekte - Mehrfache Verwendung von Statement-Objekten - Allerdings besteht die Gefahr undefinierter Zustände Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 26

27 Datenbankanbindung mit JDBC Datenbankabfragen Verwendung der executequery-methode: public ResultSetexecuteQuery (String sql) throws SQLException Die oben dargestellte Methode erwartet eine für die Datenbank gültige SELECT-Anweisung (z.b. SELECT * FROM kunden WHERE name = Meier ) und gibt einen ResultSet zurück. Das ResultSet repräsentiert die Ergebnismenge. Schrittweisen durchlaufen des ResultSet mittels der Methode next. boolean next() Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 27

28 Datenbankanbindung mit JDBC Datenbankabfragen Verwendung der executequery-methode: Zugriff auf die Spalten des durch next referenzierten Tupels - getxxx (int n), Übergabe eines numerischen Wertes - getxxx (String x), Übergabe eines Spaltennamens Ausgewählte Get-Methoden von ResultSet - getboolean - getbyte - getdate - getstring - getint Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 28

29 Datenbankanbindung mit JDBC Datenbankänderungen Verwendung der executeupdate-methode: public intexecuteupdate (String sql) throws SQLException Die oben dargestellte Methode erwartet eine für die Datenbank gültige INSERT, UPDATE oder DELETE-Anweisung (z.b. INSERT INTO kunden VALUES (122, Meier, Andreas, 13509, Berlin, Wittestrasse 30H ) bzw. eine DDL-Anweisung zum Ändern der Datenbankstruktur. Diese Methode gibt keine Ergebnismenge zurück! Bei Erfolg wird 1 zurückgegeben, andernfalls eines SQLException Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 29

30 Datenbankanbindung mit JDBC Klasse SQLException (Ausnahmebehandlung): Verbindungsaufbau zur Datenbank ist fehlgeschlagen Probleme mit SQL-Anweisungen - Syntaxfehler - Semantische Fehler z.b. falsche Typisierung Behandlung einer SQLException catch (SQLException sqle) while (sqle!= null) { System.err.println(sqle.toString()); System.err.println( SQL-Status: + sqle.getsqlstate()); System.err.println( ErrorCode: + sqle.getsqlstate()); } } Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 30

31 Beispiel für die Verwendung des JDBC-Interfaces Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 31

32 JDBC-Beispiel Benötigte Software bzw. Systeme: Laufende Firebird-Datenbank (z.b. mittels IBO-Console bearbeiten) firebird-jca-jdbc-driver firebirdsql-full.jar enthält alle benötigten Klassen - firebirdsql.jar - mini-concurrent.jar - jaas.jar (Innerhalb des JDK 1.4) - mini-j2ee.jar (JDBC classes) - log4j-core.jar (Logging-Funktionalitäten) JDK 1.4.x - Setzen der Java-Umgebungsvariablen - Unter WinXP: Start Einstellungen Systemsteuerung System -Erweitert - CLASSPATH.;C:\j2sdk1.4.2_08\lib\firebirdsql-full.jar - JAVA_HOME C:\j2sdk1.4.2_08 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 32

33 JDBC-Beispiel Firebank-Datenbank mittels DDL aufsetzen Java-Programm implementieren - Treiber laden Class.forName("org.firebirdsql.jdbc.FBDriver"); - Variable für Connection-Objekt: private Connection con; - Datenbankverbindung (Treiber:Server:Datenbank) herstellen mit: DriverManager.getConnection("jdbc:firebirdsql:localhost/3050:C:/Pro gramme/firebird/examples/employee.gdb","sysdba","masterkey"); - Treiber: jdbc:firebirdsql - Server: localhost/ Datenbank: C:/Programme/Firebird/examples/employee.gdb - Nutzername/Passwort: sysdba/masterkey Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 33

34 JDBC-Beispiel Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 34

35 JDBC-Beispiel import java.sql.*; public class JDBCTest { // A. Schmietendorf Fachhochschule für Wirtschaft Berlin WS07/08 // JDBC-Testbeispiel im Rahmen der Vorlesung Programmierung DBS-Systeme private Connection con; private java.sql.statement stm; public static void main(string argv[]) { } new JDBCTest().access(); Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 35

36 JDBC-Beispiel public void access() { try { Class.forName("org.firebirdsql.jdbc.FBDriver"); } catch(classnotfoundexception ex) { System.out.println("Class.forName : " + ex.getmessage()); } try { con = DriverManager.getConnection("jdbc:firebirdsql:localhost/3050:C:/Programme/Firebird/ examples/employee.gdb","sysdba","masterkey"); stm = con.createstatement(); stm.executeupdate("insert INTO country VALUES ('Bulgaria','Leva')"); System.out.println("Daten erfolgreich in die Datenbank eingetragen"); Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 36

37 JDBC-Beispiel } } System.out.println("Daten aus der Datenbanktabelle auslesen"); ResultSet rs = stm.executequery ("SELECT * FROM country"); while (rs.next ()) { String country = rs.getstring (1); String currency = rs.getstring (2); System.out.println(country + " " + currency); } System.out.println("Ende der Datenausgabe - A. Schmietendorf"); // Ressourcenffreigabe rs.close(); con.close(); } catch (SQLException ex) { System.out.println(ex.getMessage()); } Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 37

38 JDBC-Beispiel Verwendung eines ResultSet-Objektes zur Ergebnisverwaltung der Anfrage Navigation über die Ergebnismenge erfolgt nach dem Cursor-Prinzip Weitersetzen des Cursors mit der Methode next Zeilenauswahl entspricht der aktuellen Position des Cursors Spaltenauswahl der aktuellen Tupel mit getxxx-methode und Spaltenindex ResultSet rs = stm.executequery ("SELECT * FROM country"); while (rs.next ()) { String country = rs.getstring (1); String currency = rs.getstring (2); System.out.println(country + " " + currency); } Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 38

39 JDBC-Beispiel Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 39

40 Gespeicherte Prozeduren Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 40

41 Embedded SQL für Java Standard zur Kopplung von Java mit SQL Bestandteile der SQLJ-Spezifikation - Embedded SQL für Java (Part 0) - Java Stored Procedures (Part 1) - Klassen für benutzerdefinierte SQL-Datentypen (Part 2) Verwendung eines Precompilers SQLJ-Translator - Übersetzt die in echten Java-Code (Basis: *.sqlj) - Syntax und Semantik-Prüfung der eingebetteten SQL-Anweisungen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 41

42 Gespeicherte Prozeduren Erweiterung von SQL um Programmiersprachkonstrukte - Sequenz - Bedingte Ausführung - Schleifen (Iteration) - Prozeduren & Funktionen Verwaltung von Stored Procedures auf der Datenbankseite - Genutzt auf der Seite des Datenbanksystems - Impliziert den lokalen Zugriff auf die Daten Beispiele für entsprechende Implementierungen - Oracle PL/SQL - Microsoft Transact-SQL SQL-Standard Ansatz zur SQL-Spracherweiterung SQL/PSM Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 42

43 Gespeicherte Prozeduren Vorteile - Möglichkeit zur Minimierung des Netzwerkverkehrs - Optimierungen können sich auf mehrere Anweisungen beziehen - Kontrolle von Funktionalität im DBMS - Hilfsmittel zur Strukturierung großer Anwendungen - Reduktion funktionsbedingter Redundanzen - Rechtevergabe auf Prozedurebene - Verwendung zur Integritätssicherung z.b. Aktionsteil eines Triggers Nachteile - Komplizierte Fehlersuche - Häufig mit herstellerabhängigen Elementen versehen Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 43

44 SQL/PSM PSM Persistent Stored Modules (erste Version 1996, SQL3, SQL99 Beispiele für behandelte Aspekte: - Module beinhalten gespeicherte Prozeduren bzw. Funktionen create module drop module - Syntaktische Festlegungen einer call-anweisung Parameter Ausnahmebehandlung - Syntaktische Konstrukte für z.b. Schleifen - Verwendung existierender Programmiersprachen Alle großen DBMS-Hersteller unterstützen gespeicherte Prozeduren, zumeist allerdings nicht PSM-konform Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 44

45 Gespeicherte Prozeduren in Java Implementierung und Aufruf: Implementierung der Routine - Möglichkeit zur Minimierung des Netzwerkverkehrs - Optimierungen können sich auf mehrere Anweisungen beziehen Installation im DBMS-Server - Übertragen des übersetzen Codes zum Server - Verfügbarkeit gewährleisten Registrierung - Bekanntmachen der Routine - z.b. durch create procedure bzw. durch create function Aufruf - Aus einer Client-Anwendung heraus - Im Rahmen einer SQL-Anweisung Quelle: Heuer, A.; Saake, G.; Sattler, K.-U.; Datenbanken kompakt, mitp-verlag, 2003 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 45

46 Datenbankzugriff mit JDBC Quelle: Heuer, A.; Saake, G.; Sattler, K.-U.; Datenbanken kompakt, mitp-verlag, 2003 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 46

47 Datenbankzugriff mit SQLJ Prozeduren sind als Klassenmethoden (static) zu implementieren Verbindung zur Datenbank ist implizit vorhanden #SQL Schlüsselwort für SQL-Anweisungen unter Java Quelle: Heuer, A.; Saake, G.; Sattler, K.-U.; Datenbanken kompakt, mitp-verlag, 2003 Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 47

48 Installation & Registrierung Installation - Kompilierung mit einem klassischen Java-Compiler - Bei SQL unter Nutzung eines SQLJ-Translators - Erzeugen eines jar-archives - Kopieren des jar-archivs zum Datenbankserver Registrierung - SQL-Name, SQL-Typen der Parameter - Zuordnung zu den korrespondierenden Java-Methoden - Verwendung der Anweisung create procedure Prof. Dr. Andreas Schmietendorf 48