Persistenz 1: Datenbanken

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1 Persistenz 1: Datenbanken Modellierung: ERM und Relationales Schema Schema-Implementierung: DDL und XML SQL, ODBC und JDBC Objekt-relationales Mapping (ORM)

2 Was ist Persistenz? Persistenz bedeutet ursprünglich, dass Objekte die Programmausführung "überleben" durch Auslagerung auf externe Speichermedien, z.b. durch Serialisierung und Dateiausschrieb bei Shutdown Für langlaufende Programme: Zwischenauslagerung nicht benötigter Objekte "Hibernation" (Winterschlaf) Persistenz heute: Dynamische Ein- und Auslagerung von Objekten (Materialisierung und Dematerialisierung) normalerweise in Datenbanken (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 2

3 Datenbank-Modellierung Datenbanken verwalten Entitäten und ihre Beziehungen Datenmodelle auf verschiedenen Abstraktionsstufen ERM Entity-Relationship-Modell ähnlich dem UML-Klassendiagramm aber ohne Vererbung unabhängig vom Datenmodell (m:n-beziehungen sind möglich) kanonische Abbildung auf das Relationale Modell (Verknüpfungstabellen) Notationsfalle: Kardinalitäten werden an der Quelle notiert (UML am Ziel) (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 3

4 ERM-Beispiel (UML-Notation) class ERM online shop Produk t - Produktnummer: int - Preis: double - Name: String - Info: String - AnzKolli: int - Gewicht: double * * Orde r - Bestelldatum: Date - Lieferdatum: Date - Versandform: String - Rechnungsnummer: int - Bearbeiter: String * * * * 1 1 Einkaufsw agen - Datum: Date 1 1 Kunde - Name: String - Strasse: String - Ort: String - PLZ: int 1 1..* Kreditk arte - Kartentyp: String - Kartennummer: int - Gültigkeit: Date (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 4

5 Das Relationale Datenmodell Das Relationale Modell Entitäten als Tupel in Relationen (Zeilen in Tabellen) Tupel (Zeilen) eindeutig identifizierbar durch Primärschlüssel alle Attribute (Spalten) skalar (1.NF) Beziehungen als Verweise in andere Relationen (Fremdschlüssel) Integritätsbedingungen Entitätsintegrität: Primärschlüssel sind eindeutig Referentielle Integrität: Zu jedem Fremdschlüssel existiert ein Ziel. Relationale Datenbank-Managementsysteme extrem effiziente und zuverlässige Implementierungen (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 5

6 ERM Relationales Modell Jedes Tupel benötigt einen Primärschlüssel inhärenter Schlüssel: eindeutiges Attribute oder eindeutige Attributgruppe Surrogatschlüssel: hinzugefügter eindeutiger Wert ohne eigene Semantik, zumeist ein Zahlenwert In der Softwareentwicklung benutzen wir immer Surrogatschlüssel durch inhaltliche Anpassungen der Daten kann sonst die Eindeutigkeit nachträglich verloren gehen. (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 6

7 ERM Relationales Modell Einfache Entitätstypen werden direkt auf Tabellen abgebildet: Einfach ist ein Entitätstyp dann, wenn alle Attributte skalar sind, d.h. Zahlen, Datumswerte oder kurze Texte (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 7

8 ERM Relationales Modell Strukturierte Attribute werden in skalare Komponenten zerlegt wenige Attribute werden zu mehreren Spalten der Ursprungstabelle variabel viele oder viele Attribute werden zu einer eigenen Tabelle (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 8

9 ERM Relationales Modell Listentypen werden (möglichst) auf eine Tabelle mit rückweisender Beziehung abgebildet (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 9

10 ERM Relationales Modell 1:1-Beziehungen werden als Fremdschlüssel dargestellt bideriektional: gegenseitige Fremdschlüssel (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 10

11 ERM Relationales Modell Eine unidirektionale m:1-beziehung wird als Fremdschlüssel dargestellt (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 11

12 ERM Relationales Modell 1:m-Beziehungen, m:n-beziehungen und bidirektionale m:1-beziehungen werden mithilfe einer Verknüpfungstabelle dargestellt. Die Verknüpfungstabelle benötigt keinen eigenen Primärschlüssel ein eigener Primärschlüssel ermöglicht die Abbildung assoziativer Klassen (im ORM) (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 12

13 Relationales Schema class ERM online shop Produk t - Produktnummer: int - Preis: double - Name: String - Info: String - AnzKolli: int - Gewicht: double * * Orde r - Bestelldatum: Date - Lieferdatum: Date - Versandform: String - Rechnungsnummer: int - Bearbeiter: String * * * * 1 1 Einkaufsw agen - Datum: Date 1 1 Kunde - Name: String - Strasse: String - Ort: String - PLZ: int * Kreditk arte - Kartentyp: String - Kartennummer: int - Gültigkeit: Date (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 13

14 ERM Relationales Schema Umformung kann automatisch erfolgen Zahl der Tabellen wächst. Problem? Joins für Zugriffe kosten Zeit class ERM online shop Produk t - Produktnummer: int - Preis: double - Name: String - Info: String - AnzKolli: int - Gewicht: double * * * Orde r - Bestelldatum: Date - Lieferdatum: Date - Versandform: String - Rechnungsnummer: int - Bearbeiter: String * * * Kunde Einkaufsw agen Kreditk arte - Name: String - Datum: Date - Strasse: String - Kartentyp: String * - Ort: String - Kartennummer: int - PLZ: int - Gültigkeit: Date 1 1 (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 14

15 Datenzugriffe - SQL Datenbanksprache SQL deklarative Sprache Definition (DDL), Änderung (DML) und Abfrage (QL) äußerst effizient implementiert. SELECT Name, Strasse, Ordernummer, Versanddatum FROM Kunde, Order WHERE Kunde.PLZ > 1200 AND Order.kunde = Kunde AND Versanddatum < ORDER BY Versanddatum (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 15

16 Schema-Implementierung: SQL-Export CREATE TABLE Produkt ( Produktnummer INTEGER UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT, Preis DOUBLE NULL, Name VARCHAR(20) NULL, Info VARCHAR(255) NULL, AnzKolli INTEGER UNSIGNED NULL, Gewicht DOUBLE NULL, PRIMARY KEY(Produktnummer) ) CREATE TABLE Einkaufswagen ( ideinkaufswagen INTEGER UNSIGNED NOT NULL AUTO_INCREMENT, Datum DATE NULL, PRIMARY KEY(idEinkaufswagen) );... (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 16

17 Alternative: Export als XML <!--onlineshopxml.schema Generated :57 --> <database> <name>onlineshoprdm</name> <create>1</create> <table> <name>einkaufswagen</name> <declaration> <field> <name>ideinkaufswagen</name> <type>integer</type> <default></default> <notnull>1</notnull> </field> <field> <name>datum</name> <type>date</type> <default></default> <notnull>0</notnull>... (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 17

18 Implementierte DB (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 18

19 ODBC - SQL-Nutzung aus Programmen Open Database Connectivity Spezifikation, nicht produktgebunden Microsoft-Entwicklung inzwischen standardisiert BS-Bestandteil ab Windows 2000/NT Programmierschnittstelle (API) für RDBMS Registrierung der Verbindungsdaten (URL, DB-Name, User, PW) Weitergabe von SQL-Anweisungen (Strings) an die Datenbank Erzeugung weiterverarbeitbarer Daten aus dem SQL-Ergebnis. C++-Programm C++-ODBC-API ODBC-Treiber für Oracle Breite Unterstützung: Es gibt ODBC-"Treiber" für (praktisch) jedes RDBMS (unter Windows Unix ist noch nicht so gut unterstützt) Objektorientierte Programmiersprachen bieten APIs mit Klassen zum Umgang mit ODBC-Aufrufen und Daten. Oracle- RDBMS (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 19

20 JDBC Java Database Connectivity Spezifikation, nicht produktgebunden Programmierschnittstelle (API) für RDBMS Registrierung der Verbindungsdaten (URL, DB-Name, User, PW) Weitergabe von SQL-Anweisungen (Strings) an die Datenbank Erzeugung weiterverarbeitbarer Java-Objekte aus dem SQL- Ergebnis. JDBC-"Treiber" für jede RDB-Implementierung ODBC-JDBC-"Bridge" als generischer Treiber (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 20

21 JDBC-Treiber Quelle: Jeckle, (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 21

22 Das JDBC-API (c) schmiedecke 10 Hinweis: Erweiterungen SE2-5-DB ab JDBC 3.0 in javax.sql 22

23 Die JDBC-Spezifikation (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 23

24 Arbeitsweise mit JDBC 1. Treiber-Bibliothek laden 2. Verbindung zum Datenbank-Server herstellen 3. SQL-Anweisung(en) in ein Ausführungs-Objekt packen 4. Ausführungsobjekt ausführen 5. Ergebnis-Objekt lesen und verarbeiten 6. Vorgang beliebig wiederholen 7. irgendwann Verbindung beenden (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 24

25 DB-Verbindungen // 1. JDBC-Treiber laden Class.forName ("sun.jdbc.odbc.jdbcodbcdriver"); // oder // DriverManager.registerDriver(new com.mysql.jdbc.driver()); // 2. Datenbank-URL spezifizieren String db_url = "jdbc:odbc:jdbc_test"; // 3. Connect zur Datenbank ausführen // (hier Kennwort beim Programmaufruf zu uebergeben) Connection my_con = DriverManager.getConnection(db_url, "java", args[0]); (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 25

26 DB-Interaktionen try { Statement stmt = connection.createstatement(); String sql = "create table newtab "+ "(id number primary key," + " name varchar2(10))"; int changes = stmt.executeupdate(sql); // for DDL, DML sql = "Select * from newtab;"; ResultSet result = stmt.executequery(sql); // for QL } catch (SQLException ex) { ex.printstacktrace(); } (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 26

27 JDBC-Verbindung mit der Datenbank public class DB { private static final String dburl = "jdbc:mysql:@localhost:3306"; private static final String user = "onlineshop"; private static final String password = "onlineshop"; private Connection conn = null; private Statement stmt; public DB () { try { DriverManager.registerDriver(new com.mysql.jdbc.driver()); System.out.println("Driver registered sucessfully"); } catch (SQLException e) { System.err.println("Problems registering OJDBC-Driver"); e.printstacktrace(); System.exit(99); } } public void connect() throws SQLException { conn = DriverManager.getConnection(dbURL, user, password); System.out.println("Connection established sucessfully"); stmt (c) = schmiedecke conn.createstatement(); 10 SE2-5-DB 27 }

28 JDBC-Abfrage public String[] liesprodukte() { ResultSet resultset = null; String[]result = new String[50]; int index = 0; try { resultset = stmt.executequery ("Select Name From Produkt"); while (resultset.next()){ result[index]=resultset.getstring(1); // nicht 0!! index++; } resultset.close(); // nicht vergessen!!! } catch (SQLException e) { e.printstacktrace(); } return result; } (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 28

29 Fazit: 1. Es geht. 2. Es geht leicht. 3. SQL-Befehle als Strings werden ungeprüft an die Datenbank geschickt... (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 29

30 ORM Objekt-relationales Mapping JDBC ermöglicht den Zugriff auf Daten Wir wollen Persistenz von Objekten! Die Abbildung von Klassen auf Relationen (Tabellen) entspricht der Abbildung von ERM-Entitäten auf Relationen Nur die Vererbung fehlt noch. (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 30

31 ORM - Vererbung Tabelle-je-Klasse Für jede Klasse der Hierarchie eine Tabelle enthält nur die nicht-geerbten Attribute Verweis auf Oberklassentabelle über OID (Primärschlüssel) Zusatzspalte mit dem Objekttyp Daten eines Objekts auf mehrere Tabellen verteilt aufwändige Zugriffe Einzeltabelle Tabelle enthält eigene und geerbte Attribute Polymorphismen nur programmatisch erfassbar Tabelle-je-konkrete-Klasse Zwischenform, weniger Redundanz, einfachere Zugriffe als Tabelle-je-Klasse weniger Redundanz als Einzeltabelle (c) schmiedecke 08 SE2-4-Persistenzmodelle 31

32 ORM: Einzeltabelle Vorteil: einfacher Zugriff ohne Join (c) schmiedecke 08 SE2-4-Persistenzmodelle 32

33 ORM: Tabelle-je-konkrete-Klasse Vorteil: einfacher Zugriff ohne Join Nachteil: Änderungen der Oberklasse müssen in mehreren Tabellen durchgeführt werden. Graphik aus: Heide Balzert, Lehrbuch der Objektmodellierung (c) schmiedecke 08 SE2-4-Persistenzmodelle 33

34 ORM: Tabelle-je-Klasse Vorteile: Nahe am Klassenmodell Änderungen in alle Klassen leicht durchzuführen Nachteile: viele Tabellen Zugriffe über Joins Graphik aus: Heide Balzert, Lehrbuch der Objektmodellierung (c) schmiedecke 08 SE2-4-Persistenzmodelle 34

35 Automatisiertes ORM Natürlich ist das ORM genauso automatisierbar wie die Abbildung ERM Relationales Modell. Das nutzen Persistenz-Frameworks Das Ziel heißt "Transparenz": der Programmierer soll möglichst wenig von der Persistenz merken. (c) schmiedecke 10 SE2-5-DB 35

36 Der "Traum" Völlige Transparenz Some Secret Mechanis m Nicht alle Objekte müssen persistent sein Klassen als "persistent" deklarieren: persistent class MyClass {... } Nicht alle Attribute müssen persistent sein: persistent int myattribute; Alles andere könnte "automatisch ablaufen" (c) schmiedecke 08 SE2-4-Persistenzmodelle 36

37 wieder fit in Datenbanken? Nächstes Mal verbinden wir das ORM mit der Webanwendung.