DATENBANK - SYSTEME GRUNDKURS VON DEN KONZEPTEN BIS ZUR ANWENDUNGSENTWICKLUNG. EXTRA: Mit kostenlosem E-Book. lothar PIEPMEYER

Transkript

1 lothar PIEPMEYER GRUNDKURS DATENBANK - SYSTEME VON DEN KONZEPTEN BIS ZUR ANWENDUNGSENTWICKLUNG EXTRA: Mit kostenlosem E-Book So viel Praxis wie möglich, so wenig Theorie wie nötig!

2 Piepmeyer Grundkurs Datenbanksysteme vbleiben Sie einfach auf dem Laufenden: Sofort anmelden und Monat für Monat die neuesten Infos und Updates erhalten.

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4 Lothar Piepmeyer Grundkurs Datenbanksysteme Von den Konzepten bis zur Anwendungsentwicklung

5 Der Autor: Prof. Dr. Lothar Piepmeyer, Donaueschingen Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen oder Teilen davon entsteht, auch nicht für die Verletzung von Patentrechten und anderen Rechten Dritter, die daraus resultieren könnten. Autor und Verlag übernehmen deshalb keine Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt deshalb 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. Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek: Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren) auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden Carl Hanser Verlag München Wien ( Lektorat: Margarete Metzger Copy editing: Manfred Sommer, München Layout: der Autor mit LaTeX Herstellung: Irene Weilhart Umschlagkonzept: Marc Müller-Bremer, München Umschlagrealisation: Stephan Rönigk Datenbelichtung, Druck und Bindung: Kösel, Krugzell Ausstattung patentrechtlich geschützt. Kösel FD 351, Patent-Nr Printed in Germany Print-ISBN: e-book-isbn:

6 Inhaltsverzeichnis Vorwort XIII Teil I Einleitung Was sind eigentlich Datenbanken? Konsistenz ist Grundvoraussetzung Keine Datenbank ohne Datenbankmanagementsystem Dauerhafte Speicherung Alle auf einen Auf Nummer sicher Damit alles stimmt Tornadosicher Der Mensch Warum nicht selber machen? Das ANSI SPARC-Modell als Lösung Wie alles anfing Mit IMS zum Mond Und heute? Wie geht es weiter? Relationale Datenbanken eine kurze Übersicht Relationen gibt es schon lange Die zwölf Gebote Funktioniert das überhaupt? Wo bekommt man ein RDBMS? Ein RDBMS zum Anfassen

7 VI Inhaltsverzeichnis 2.6 Erste Schritte mit SQL Der Systemkatalog Was kann SQL? Das relationale Modell Mengen Das kartesische Produkt Relationen Die Projektion Superschlüssel Schlüsselkandidaten Relationentyp Fremdschlüssel Alles nur graue Theorie? Die Relationenalgebra Die Projektion Abgeschlossenheit Produkt, Vereinigung und Differenz Prädikate Die einfache Selektion Der Durchschnitt Die allgemeine Selektion Der Join Wo sind die Grenzen? Was soll das? Atomare Werte Wiederholungsgruppen Teil II Die Datenbank wird erschaffen Tabellen und Constraints Die Wirklichkeit ist nicht vollkommen Keine Relationentypen in SQL Domänen ein selten besuchtes Gebiet Der Typ ist wichtig

8 Inhaltsverzeichnis VII 5.5 Die reine Lehre Dubletten verhindern Primärschlüssel Fremdschlüssel Natürliche Schlüssel Künstliche Schlüssel leicht gemacht Statische Regeln Es muss nicht immer statisch sein Tabellen mit gleichen Namen null die unbekannte Dimension Änderungen von referenzierten Daten Datentypen Von der Idee zum Konzept Entitäten und ihre Attribute Entitätstypen Beziehungen Wie viel Entität darf s denn sein? Rekursive Beziehungen Hält doppelt gemoppelt besser? Ist doch ganz einfach? Von einem Modell zum nächsten Mehrwertige Datentypen Zusammengesetzte Attribute Aus Entitätstypen werden Tabellen Beziehungen mit mehr als zwei Teilnehmern Binäre Beziehungen C-CM-Beziehungen CM-Beziehungen C-Beziehungen C-C-Beziehungen CM-CM-Beziehungen Beziehungen Weitere Beziehungstypen Beziehungen mit Attributen

9 VIII Inhaltsverzeichnis 8 Normalisierung Anomalien Die 1. Normalform Funktionale Abhängigkeiten Neuer Wein in alten Schläuchen Die 2. Normalform Der Weg in die Normalität Die 3. Normalform Teil III Ran an die Daten Grundlagen von SQL Merkmale von SQL Die Bestandteile von SQL Der Standard Einfache select-anweisungen Viele Möglichkeiten, um Spalten zu beschreiben Datensätze mit where auswählen Einige nützliche Operatoren Sortieren Alles in einen Topf Funktionen in SQL-Anweisungen Funktionen zur Textverarbeitung Funktionen für Zahlen Funktionen für Datumsangaben Aggregatfunktionen Daten zusammenfassen Die group by-komponente Die having-komponente Datensätze verbinden Joins mit SQL Eine andere Syntax

10 Inhaltsverzeichnis IX 13.3 Outer Joins Muss es immer natürlich sein? Joins mit mehr als zwei Tabellen Geschachtelte Abfragen Tabellen ohne Join verbinden Vorsicht bei Mengen Weitere Operatoren für Mengen all any exists Geschachtelte Abfragen oder Joins? Korrelierte geschachtelte Abfragen Views sehen Sie Ihre Daten mal anders Was sind Views? Wozu Views? Änderungen in Views Codds 6. Regel Machen Sie Ihre Datenbanken sicher! Benutzerverwaltung Welche Rechte gibt es? Rechte auf Views Weitergabe von Rechten Verkettungen von Rechten Teil IV Anwendungsentwicklung Transaktionen Was schiefgehen kann, geht schief Ein Experiment Anweisungen gruppieren Das Transaktionsprotokoll Auch nach außen eine Einheit ACID Transaktionen kurz und bündig

11 X Inhaltsverzeichnis 18 JDBC Der Cursor die Verbindung zweier Welten Wie bringe ich meiner Programmiersprache SQL bei? Einige Vorarbeiten Gute Verbindungen sind alles Aus der Datenbank in das Programm Ohne Transaktionen würde etwas fehlen Flottes SQL dank guter Vorbereitung Kurz vor Schluss Hibernate Was ist O/R-Mapping? Aufbau einer Entwicklungsumgebung Die Konfiguration Ein einfaches Mapping Daten einfügen und ändern Daten lesen Komplexe Attribute Kein Allheilmittel Unter der Haube Alles kann so einfach sein Die Festplatte Caching Wenn s mal kracht Das Transaktionsprotokoll Der Optimierer Der Index B + -Bäume Idee Beispiel Regeln Suchen Einfügen Löschen Wie schnell ist das?

12 Inhaltsverzeichnis XI 20.9 Indizierung mit SQL Teil V Es muss nicht immer relational sein Objektdatenbanken Das Manifest db4o db4o kann so einfach sein Query By Example Native Abfragen Warum nicht gleich objektorientiert? XML-Datenbanken Eine ganz einfache Syntax Selbstdefinierte Regeln XML und relationale Datenbanken Datenzentriertes XML Dokumentenzentriertes XML XPath eine Abfragesprache für XML XQuery fast wie zu Hause Der hybride Ansatz NoSQL Das Kreuz mit dem Schema Gewaltige Datenmengen Nicht immer das Gleiche Schemafreie Datenbanken mit MongoDB Gruppieren und Aggregieren mit MapReduce Sharding mit MongoDB Drum prüfe, wer sich bindet Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis

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14 Vorwort Datenbanken begleiten mich seit etwa 25 Jahren: als Student in Form von Lehrveranstaltungen, in der Praxis zunächst als Trainer und Consultant bei Informix Software und später als Manager im Bereich Datenbanken bei IBM. Gerade in der Praxis habe ich gesehen, über welches technische Wissen Mitarbeiter verfügen, die erfolgreich mit Datenbanken und Datenbanksystemen arbeiten. Bei der Konzeption meiner Datenbankvorlesungen und Praktika an der Hochschule Furtwangen habe ich diese Sicht nie aus den Augen gelassen. Studenten haben mir geraten, ein Lehrbuch zum Thema Datenbanken zu schreiben, das diese Lehrveranstaltungen als Grundlage hat. Das Buch enthält natürlich vieles, was man bereits in anderen Lehrbüchern zum Thema Datenbanken findet, doch scheint mir die vorliegende Darstellung neuartig zu sein. Die Theorie ist auf ein Minimum reduziert. So fallen nur die drei Kapitel 3, 4 und 8 etwas aus dem praxisorientierten Rahmen. Ganz ohne die Grundlagen geht es einfach nicht. Auch der Praktiker muss sich mit der Normalisierung (Kapitel 8) auskennen. Die Darstellung ist in diesen Kapiteln sehr ausführlich und sollte daher für Leser mit ganz grundlegenden Mathmatikkenntnissen nachvollziehbar sein. Einige interessante klassische Themen wie das Zwei-Phasen- Sperrprotokoll oder die systematische Diskussion der Isolationsstufen wurden nicht aufgenommen. Zum vollständigen Verständnis einiger Kapitel muss der Leser sich etwas mit Java auskennen. Dies ist heute keine sehr spezielle Voraussetzung. Zum Buch gibt es die Webseite die Aufgabenmaterial zu ausgewählten Kapiteln und die Möglichkeit für Rückmeldungen enthält. Ich freue mich über Anregungen und Kritik. Meinen Kollegen Frau Kettern und Herrn Prof. Dr. Fleischer danke ich für die Durchsicht der mathematisch orientierten Kapitel. Meine Familie hat auch bei diesem Projekt wieder unendliche Geduld mit mir bewiesen was sicher oft nicht einfach war. Danke schön! Für die erfreuliche Zusammenarbeit und die professionelle Unterstützung bei der Entwicklung des Buchs danke ich Frau Margarete Metzger und Frau Irene Weilhart vom Hanser Verlag. Furtwangen im Juli 2011 Lothar Piepmeyer

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16 Teil I Einleitung

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18 1 C H A P I T R E U N Was sind eigentlich Datenbanken? Menschen sammeln. Die einen sammeln Briefmarken, die anderen Musik und andere wiederum Geld. Wir alle haben aber die Gemeinsamkeit, mit unseren Sinnesorganen Daten zu sammeln, die wir dann zu Informationen verdichten; aus den Informationen wird Wissen. Wissen, das uns hilft, unsere Welt zu verstehen und zu kontrollieren. Die Grenzen zwischen Daten, Informationen und Wissen sind unscharf und sollen hier nicht weiter abgesteckt werden. Daten, die wir so aufnehmen, lagern wir in unserem Gehirn. Unwichtige Daten vergessen wir, wichtige Daten notieren wir vielleicht, eben um sie nicht zu vergessen. Die Vielzahl von Daten wächst zu einem Datenchaos, das seinerseits kaum beherrschbar ist. Darum haben Menschen auch immer wieder praktische Hilfsmittel erfunden, um Daten zu konservieren, zu strukturieren oder auszuwerten. Bereits vor der Erfindung der Schrift fing das an, ging über Kartei- und Zettelkästen, Registraturen, Tabelliermaschinen hin zu Computern. Im Kontext moderner IT wurde dabei im Laufe der Zeit der Begriff Datenbank (dt. für database) geprägt. Definition: Datenbanken Eine Datenbank ist eine Sammlung von Daten, die von einem Datenbankmanagementsystem (DBMS) verwaltet wird. 1.1 Konsistenz ist Grundvoraussetzung Die Daten der Datenbank sind die Grundlage vieler Entscheidungen: Bei Rezeptdatenbanken bestimmen sie die Qualität unserer Mahlzeiten, bei unternehmensweiten Datenbanken hängen teilweise riesige Investitionen von Informationen ab,

19 4 1 Was sind eigentlich Datenbanken? die wir aus der Datenbank beziehen. Wenn die Daten nicht korrekt sind, werden die Informationen, die wir aus ihnen ableiten, nutzlos oder sogar schädlich. Die Konsequenz aus inkorrekten Daten kann ein schlechtes Essen ebenso wie eine erhebliche Fehlinvestition sein. Wir werden im Laufe des Kapitels erfahren, dass die Eigenschaften eines DBMS keinesfalls einheitlich, sondern sehr produktspezifisch sind. Über allem steht aber die Anforderung, dass der Datenbestand stets konsistent also logisch korrekt sein muss. Wie das mit Hilfe eines DBMS erreicht werden kann, sehen wir bald. Definition: Konsistenz Jede Änderung des Datenbestands überführt die Datenbank von einem logisch korrekten Zustand in einen anderen logisch korrekten Zustand. 1.2 Keine Datenbank ohne Datenbankmanagementsystem Das DBMS ist dabei eine Software, die die Rolle übernimmt, die wir Menschen bei der manuellen Kontrolle der Daten gespielt haben. Es gibt heute eine so große Zahl von DBMS mit so verschiedenen Charakteristika, dass eine weitere Präzisierung nicht ganz leicht fällt. Fast immer, wenn wir den Begriff DBMS genauer fassen wollen, entgeht uns wieder ein Spezialfall, der auch mit Fug und Recht als Eigenschaft eines DBMS bezeichnet werden kann. Wir werden auch beobachten, dass der Begriff der Datenbank vage bleibt und unser Interesse vielmehr der Verwaltungssoftware gilt. In diesem Kapitel wollen wir die grundlegenden Eigenschaften eines typischen DBMS beschreiben und uns am Ende des Kapitels mit den gewonnenen Einsichten einen Überblick über den weiteren Verlauf des Buches verschaffen. Die Hauptaufgabe eines DBMS besteht darin, seinen Anwendern die Möglichkeit zu geben, Daten in die Datenbank einzufügen, Daten aus der Datenbank zu löschen, Daten in der Datenbank zu ändern und Daten in der Datenbank zu suchen. Das alleine ist immer noch eine sehr allgemeine Beschreibung eines DBMS. Diese elementaren Operationen können auch mit Datenstrukturen realisiert werden, wie sie uns der Java-Collection-Framework zur Verfügung stellt. Der folgende Java-Code zeigt eine einfache Implementierung.

20 1.3 Dauerhafte Speicherung 5 import java.util.*; public class SimpleDB { public static void main(string[] args) { List<String> database = new ArrayList<String>(); database.add("elvis Presley"); database.add("beatles"); database.add("rolling Stones"); database.remove(database.indexof("beatles")); int index=database.indexof("rolling Stones"); database.set(index, "The Rolling Stones"); System.out.println(database.contains("Elvis Presley")); System.out.println(database); } } Wir erzeugen ein Objekt database vom generischen Typ List<String> und fügen nach und nach drei Objekte in diese Datenbank ein. Um ein Objekt zu löschen, ermitteln wir zunächst seinen Index, also die Position in der Liste. Da die Zählung bei 0 beginnt, ist das im Fall der Beatles die 1. Mit der Methode remove löschen wir hier das Objekt mit dem Index 1. Indem wir den Index des Textes "Rolling Stones" ermitteln und diesen Index zusammen mit dem Text "The Rolling Stones" der Methode set übergeben, führen wir eine Änderung durch. Die Methode contains prüft, ob ein Objekt in unserer Liste vorhanden ist. Wir nutzen sie zur Suche in unserer Datenbank. Das Java-Programm hat also die folgende Ausgabe: true [Elvis Presley, The Rolling Stones] 1.3 Dauerhafte Speicherung Wir sehen, dass wir mit wenigen Codezeilen ein einfaches DBMS entwickeln können. Alle Daten werden hier im Hauptspeicher gehalten, so dass die Datenbank nur während der Laufzeit unseres Programms existiert. Das bedeutet, dass diese Form eines DBMS nicht zur dauerhaften Datenhaltung genutzt werden kann. Flüchtige Daten sind Daten, die nur in dem Kontext existieren, in dem sie erzeugt wurden. Gelegentlich werden sie auch als volatil bezeichnet. Persistente Daten dagegen werden auf Speichermedien wie Festplatten gehalten und überleben den Kontext ihrer Erzeugung. Sie sind verfügbar, auch wenn die Software, mit der sie angelegt wurden, bereits das Zeitliche gesegnet hat und der Rechner, auf dem sie erzeugt wurden, ausgeschaltet ist. Eine Eigenschaft eines DBMS lautet demnach: