1 Datenbanksysteme. Alle Programme basieren auf einem einheitlichen Datenmodell

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1 1 Datenbanksysteme Datenbanksystem (DBS) Programmsystem zur Verwaltung einer strukturierten Menge von Daten (Datenbank) Vorteile aus software-technologischer Sicht: Trennung von Programmabläufen und Datenverwaltung Alle Programme basieren auf einem einheitlichen Datenmodell Datenbank-Managementsystem (DBMS) Datenverwaltungskomponente eines DBS Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 1 Datenbanksysteme Programm 1 Programm 2 Programm 1 Programm 2 DBMS Daten Daten Daten Vorteile aus Anwendersicht: Daten werden flexibel genutzt Sicherung der Datenintegrität durch eine zentrale Instanz Vermeidung von redundanter Speicherung Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 2

2 3.1 Drei-Ebenen Modell nach ANSI Standardschema von ANSI (American National Standardization Institute) Externe Sicht Sicht des Benutzers auf die Datenbank Externe Sicht Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 3 ANSI-Sichten Sichten Logische Sicht Sicht des Datenbank-Programmierers Physischen Sicht Effiziente Abspeicherung der Datenbankobjekte auf den Speichermedien Beispiel einer logischen Sicht Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 4

3 3.3 Transaktionen und Mehrbenutzerfähigkeit Transaktionen Unteilbare (atomare) Abfolgen von Operationen auf einer Datenbank Werden immer in ihrer Gesamtheit abgeschlossen COMMIT : ROLLBACK Wesentliches Merkmal der Transaktionsverarbeitung Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 5 Transaktionen Kontostand: 5000 Transaktion: Überweisung von 1000 Commit Rollback Kontostand: 6000 Kontostand: 5000 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 6

4 Transaktionen Eigenschaften nach dem ACID-Prinzip (ACID = Atomarität, (C)Konsistenz, Isolation und Dauerhaftigkeit) Atomarität: Konsistenz: Isolation: Dauerhaftigkeit (Persistenz): Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 7 Mehrbenutzerfähigkeit 4 freie Plätze Reisebüro MD Reisebüro HH Buchung von 1 Platz Buchung von 4 Plätzen Synchronisationsmechanismus für konkurrierende Benutzerzugriffe auf gemeinsame Datenbankobjekte Mechanismus für die Auflösung von Deadlock-Situationen Ein Deadlock entsteht, wenn zwei konkurrierende Benutzerprozesse den Zugriff auf ein Datenobjekt gegenseitig verhindern Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 8

5 3.3 Entitäten und Beziehungen Daten zu jeder Art von materiellen oder immateriellen Objekten der Realwelt werden in Datenbanksystemen abgespeichert Materielles Objekte Buch WI255/99, Rautenstrauch, C.: Betriebliche Umweltinformationssysteme (BUIS). Springer Verlag Berlin et al., 1999 Immaterielles Objekt Ausleihe WI255/99, , , TSCHU Entitäten: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 9 Entitäten Was haben die Entitäten WI017/02, Rautenstrauch, C./Schulze, T.: Informatik für Wirtschaftswissenschaftler und Wirtschaftsinformatiker, Springer Verlag Berlin et al WI255/99, Rautenstrauch, C.: Betriebliche Umweltinformationssysteme (BUIS). Springer Verlag Berlin et al., 1999 gemeinsam? Entitätstyp Zwei Entitäten sind genau dann vom gleichen Entitätstyp Eigenschaften,Attribute des Entitätstyps Buch : Attribute des Entitätstyps Ausleihe : Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 10

6 Entitäten Entität Ausleihe Ausleih# Signatur von bis Ausleiher Text Text Datum Datum Text Attribute haben einen bestimmten Wertebereich (Primär-) Schlüssel eines Entitätstyps Menge aller Attribute, die eine Entität eindeutig identifizieren Schlüssel für Entitätstyp Buch Schlüssel für Entitätstyp Ausleihe Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 11 Beziehungen Signatur Autoren Titel Verlag Ort Jahr Ausleih# Signatur von bis Ausleiher Beziehung (engl. Relationship) Verbindung zwischen zwei oder mehreren Entitätstypen Zwischen den Entitätstypen Buch und Ausleihe besteht eine Beziehung Entitätstyp Attribut Beziehungstyp Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 12

7 3.4 Integrität und Konsistenz Integrität (Korrektheit) Sicherung der Integrität bei der Verwaltung großer Datenmengen Semantische Integrität Entität Buch Signatur Autoren Titel Verlag Ort Jahr 4561 Meier Alles oder Otto MD Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 13 Integrität Entitätsintegrität Entität Buch Signatur Autoren Titel Verlag Ort Jahr 4561 Meier Alles oder Otto MD Lehmann Nichts Otto MD 2000 Operationale Integrität Von verschiedenen Benutzern parallel auf gleichen Datenbeständen ausgelöste Operationen dürfen diese nicht zerstören. Sachbearbeiter A ändert das Gehalt eines Angestellten Sachbearbeiter B ändert dessen Privatadresse Beide schreiben beide diese Änderungen gleichzeitig in die Datenbank zurück Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 14

8 Integrität Wird nur eine Änderung übernommen? Bearbeiter A Personal# 4711 Gehalt Adresse 4000 Weg 1 Datenbank Personal# 4711 Gehalt Adresse 4000 Weg 1 Bearbeiter B Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 15 Integrität Referenzielle Integrität (=Konsistenz): Änderung des Primärschlüssels einer Entität des Typs Buch Was passiert mit den korrespondierenden Entitäten des Entitätstyps Ausleihe? Entität Buch Signatur Autoren Titel Verlag Ort Jahr 4561 Meier Alles oder Otto MD 2003 Entitäten Ausleihe Ausleih# Signatur von bis Ausleiher Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 16

9 3.5 Datenbankmodelle Datenbankmodelle Repräsentation von Entitäten und Beziehungen in einem Datenbanksystem Paradigmatische Bedeutung für die jeweilige Realisierung Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze Prä-relationale relationale DB-Modelle Datenbankmodelle, die vor dem relationalen Modell konzipiert wurden Typische Vertreter: Hierarchisches oder Netzwerk-Modell IMS von IBM, UDS von Siemens oder IDMS von Cullinet Die Hauptnachteile : Inflexibilität bei Änderungen Notwendigkeit der expliziten Definition von Beziehungstypen Anwendung heute: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 18

10 3.5.2 Relationales Datenbankmodell Eine Relation R ist mathematisch eine Teilmenge aus dem kartesischen Produkt von Mengen M 1,..., M n, formal R M 1... M n. M 1 : M 2 : M 3 : R als Implementierung des Entitätstyps Buch in Form einer Tabelle m 11 : Signatur Autoren Titel... Jahr m 11 m 12 m m 1n m 21 m 22 m m 2n m 31 m 32 m m 3n m p1 m p2 m p3... m pn Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 19 Relationales Datenbankmodell Relation bzw. Tabelle Tupel bzw. jede Tabellenzeile Spalten der Tabelle Signatur Autoren Titel... Jahr WI255/99 Rautenstrauch,C. Betriebliche Umweltinformationssysteme WI017/02 Rautenstrauch,C., Schulze, T. WI127/99 Rautenstrauch, C., Schenk, M. (Hrsg.) Informatik für Wirtschaftswissenschaftler und Wirtschaftsinformatiker Umweltinformatik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 20

11 Beziehungen zwischen Tabellen Beziehungen zwischen zwei Tabellen A und B 1:1-Beziehung Jedes Tupel der Tabelle A steht mit genau einem Tupel der Tabelle B in Beziehung Keine Bedeutung, da Entitäten, zwischen den eine solche Beziehung besteht, zu einer Entität zusammengefasst werden können Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 21 Beziehungen zwischen Tabellen 1:n-Beziehung: Jedes Tupel der Tabelle A steht mit einem oder mehreren Tupeln der Tabelle B in Beziehung Zwischen Büchern und Ausleihen Umsetzung durch Primär- und Fremdschlüssel Tabelle Buch Signatur WI 255/99 WI 256/99 Autoren XXX YYY... 1:n Tabelle Ausleihe Signatur Benutzer-ID WI 255/ WI 255/ WI 256/ WI 256/ Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 22

12 Beziehungen zwischen Tabellen Beziehung zwischen Nutzern und Ausleihe: Tabelle Ausleihe Signatur Benutzer-ID WI 255/ WI 255/ WI 256/ WI 256/ Tabelle Benutzer Benutzer-ID Name 007 TOM 008 CLAUS 009 KERSTIN... Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 23 1:m Beziehung zwischen Tabellen n:m-beziehung: Jedes Tupel der Tabelle A steht mit einem oder mehreren Tu-peln der Tabelle B in Beziehung und jedes Tupel der Tabelle B steht mit einem oder mehreren Tupeln der Tabelle A in Beziehung Beziehung zwischen Büchern und Benutzern Umsetzung in relationalen Datenbanken: Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 24

13 Beziehungen zwischen Tabellen Tabelle Buch Signatur WI 255/99 WI 256/99... Autoren XXX YYY Tabelle Benutzer Benutzer-ID Name 007 TOM 008 CLAUS 009 KERSTIN... 1:n 1:m Tabelle Ausleihe Signatur Benutzer-ID WI 255/ WI 255/ WI 256/ WI 256/ Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 25 Normalisierung Zusammenfassung der beiden Tabellen Buch und Ausleihe in eine Universaltabelle Signatur Autoren Titel. Jahr Von Bis Ausleiher WI255/99 Rautenstrauch, C. WI255/99 Rautenstrauch, C. WI017/02 Rautenstrauch, C., Schulze, T. WI127/99 Rautenstrauch, C., Schenk, M. (Hrsg.) Betriebliche Umweltinformationssysteme Betriebliche Umweltinformationssysteme Informatik für Wirtschaftswisse. nschaftler und... Umweltinformatik KLANG MSCHU TSCHU Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 26

14 Normalisierung Vorteil der Universaltabelle Nachteile der Universaltabelle Mit jeder Ausleihe müssen auch die Daten des Buchs komplett erfasst werden Die Änderung einer Entität zieht die Änderung mehrerer Zeilen nach sich Ursache dieses Phänomens sind: Redundanzen als Hauptfeind der Modellierung relationaler Datenbankschemata Abhilfe: Methodik der Normalformen Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 27 Erste Normalform Erste Normalform Nur atomare (unteilbare) Attribute in einer Tabelle Attribut Autoren Zwischen Büchern und Autoren besteht eine n:m-beziehung Tabelle Buch wird in die Tabellen Buch, Autor und die Beziehungstabelle Autorenschaft aufgespaltet Tabelle Buch Tabelle Autorenschaft Tabelle Autor Signatur Titel Jahr Signatur Akuerzel Art AKuerzel Nname Initialen WI255/99 Betriebliche 1999 WI255/99 CRAUT CRAUT Rautenstrauch C. Umweltin- WI017/00 CRAUT formations- systeme WI017/00 TSCHU TSCHU Schulze T. WI127/99 CRAUT Hrsg MSCHE Schenk M. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 28

15 Erste Normalform Normalisierung führt zu einer Zerlegung der Datenbank in mehrere Tabellen Granularität (Anzahl der Tabellen) der Datenbank steigt an Schon die vollständige erste Normalform erreicht? Autoren können ja mehrere Initialen haben und die Eintragung mehrerer Initialen in ein Attribut widerspricht der Atomarität. Da verschiedene Autoren gleiche Initialen haben können, besteht auch zwischen Autoren und Initialen eine n:m-beziehung : Schon dieses einfache Beispiel zeigt, dass eine konsequente und theoriegerechte Normalisierung zu absurden Strukturen führt. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze Datenbankoperationen Operationen zum effizienten Suchen und Finden von Daten in Datenbanken Abfragen oder Queries Ausgang: Ergebnis: Die Grundoperationen auf Tabellen: Anlegen und Löschen einer Tabelle Einfügen einer Zeile in eine Tabelle Löschen einer Zeile aus einer Tabelle Ändern einer Zeile Löschen der ursprünglichen Zeile Einfügen der geänderten Zeile Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 30

16 Selektion Selektion: Auswahl einer Teilmenge von Zeilen mittels Selektionskriterien Signatur Autoren Titel Erscheinungsjahr WI017/02 Rautenstrauch, C., Schulze, T. Informatik für Wirtschaftswissenschaftler 2002 WI127/99 Rautenstrauch, C. und Schenk, M. Umweltinformatik WI255/99 Rautenstrauch,C. Betriebliche Umweltinformationssysteme 1999 WI367/98 Christiansen A., Höding, M., Rautenstrauch, C. Oracel8 effizient einsetzen 1998 WI019/03 Seila, A., F., Ceric, V. und Tadikamalla, P. Applied Simulation Modeling 2003 Signatur Autoren Titel Erscheinungsjahr WI255/99 Rautenstrauch,C. Betriebliche Umweltinformationssysteme 1999 WI127/99 Rautenstrauch, C. und Schenk, M. Umweltinformatik Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 31 Projektion Projektion: Auswahl einer Menge von Spalten einer Tabelle Signatur Autoren Titel Erscheinungsjahr WI017/02 Rautenstrauch, C., Schulze, T. Informatik für Wirtschaftswissenschaftler 2002 WI127/99 Rautenstrauch, C. und Schenk, M. Umweltinformatik WI255/99 Rautenstrauch,C. Betriebliche Umweltinformationssysteme 1999 WI367/98 Christiansen A., Höding, M., Rautenstrauch, C. Oracel8 effizient einsetzen 1998 WI019/03 Seila, A., F., Ceric, V. und Tadikamalla, P. Applied Simulation Modeling 2003 Titel Autoren Informatik für Wirtschaftswissenschaftler Rautenstrauch, C., Schulze, T. Applied Simulation Modeling Seila, A., F., Ceric, V. und Tadikamalla, P. Umweltinformatik 99 Rautenstrauch, C. und Schenk, M. Betriebliche Umweltinformationssysteme Rautenstrauch,C. Oracel8 effizient einsetzen Christiansen A., Höding, M., Rautenstrauch, C. Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 32

17 Join Join (Verbund ): Verknüpfung von Tabellen über Spalten mit gleichen Namen Verknüpfung der Tabellen Buch und Ausleihe über die gemeinsame Spalte Signatur Auswertung, bei der zu jedem Buch Weitere Operationen: Produkt, Vereinigung, Schnittmenge, Komplement und Division auf Relationen Lassen sich aus den drei oben genannten Grundoperationen konstruieren Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze SQL SQL (Structured Query Language): Weite Verbreitung durch Auch wenn SQL in der Kürze der Darstellung hier sehr einfach aussieht Formulierung von Anfragen bei realen Aufgabenstellungen erreicht schnell eine große Komplexität Anlegen von Tabellen : CREATE-TABLE CREATE TABLE Benutzer (Kuerzel VARCHAR(5), Vorname VARCHAR (20), Nachname VARCHAR (40), GebAm DATE,... ) Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 34

18 SQL - SELECT SELECT-Anweisung Selektionen, Projektionen und Joins Einfügen, Löschen und Ändern von Zeilen einer Tabelle SELCT <select-klausel> FROM <from-klausel> WHERE <where-klausel> select-klausel : from-klausel : where-klausel : Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 35 SQL-SELECT SELECT SELECT Signatur, Titel FROM Buch WHERE Jahr = 1999 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 36

19 SQL - SELECT SELECT Signatur, Titel, Von, Bis FROM Buch, Ausleihe WHERE Buch.Signatur = Ausleihe.Signatur AND Titel = Betriebliche Umweltinformationssysteme Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze Verteilte Datenbanksysteme Verteiltes (Anwendungs-)System Anwenderprogramm, bei dem Funktionen oder Daten auf verschiedene Netzknoten verteilt sind Netzknoten : Beispiel: Verteilte DBS sind Instrumente zur Realisierung verteilter Anwendungssysteme Datenbank ist auf mindestens zwei Netzknoten verteilt Zwischen den Datenbeständen bestehen Abhängigkeiten Der gesamte Datenbestand ist von allen Knoten aus erreichbar Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 38

20 Verteilungsarten der Datenbank Dispersion: Tabellen sind redundanzfrei auf den Netzknoten verteilt jede Tabelle kommt nur einmal auf genau einem Knoten im verteilten System vor Vorteil : Nachteile: Tabelle B Tabelle A Knoten 2 Tabelle C Knoten 1 Knoten 3 Datenbank besteht aus den Tabellen A, B und C Join mit A, B und C benötigt die Knoten 1, 2 und 3 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 39 Verteilungsarten der Datenbank Replikation: Mindestens eine Kopie einer Tabelle auf einem anderen Netzknoten Alle Replikate werden gleichwertig gewartet Vorteil: Verringertes Kommunikationsvolumen bei Lesezugriffen Nachteil: Erhöhter Schreibaufwand, da jede Kopie innerhalb einer Transaktion den Update erfahren muss Tabelle B Tabelle C* Tabelle A Knoten 2 Tabelle C Knoten 1 Knoten 3 Datenbank besteht aus den Tabellen A, B und C Join mit A, B und C vom Knoten 2 aus benötigt die Knoten 2 und 3 Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 40

21 Verteilungsarten der Datenbank Fragmentierung: Fragmente sind disjunkte Teile einer Tabelle, die auf verschiedene Netzknoten verteilt sind Horizontalen Fragmentierung : die Datensätze (Zeilen) werden verteilt Vertikale Fragmentierung: die Attribute (Spalten) werden verteilt Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Einführung in die Datenverarbeitung Thomas Schulze 41