Einführung Datenbanken

Transkript

1 Einführung Grundlagen Datenmodellierung Datenbank-Entwurf

2 Von der Tabellenkalkulation zur DB Datenbankfunktionen in Excel Sortieren Filtern Maske Teilergebnis Pivot-Tabelle Tabellenverknüpfung mittels Zellreferenzen In einer Tabelle, die in mehrere Tabellen aufgeteilt ist Zwischen Tabellen einer Mappe Zwischen Tabellen unterschiedlicher Mappen Wozu? Sehr viele Daten Abbildung unterschiedlicher Sachverhalte Viele Tabellen mit vielen Verknüpfungen => Verlangt methodisches Vorgehen = Datenbank-Technologie 2

3 Sind Werkzeuge um Informationssysteme aufzubauen Geordnetes Ablegen von Informationen zu unterschiedlichen Sachverhalten Wiederauffinden Abfrage unter verschiedenen Gesichtspunkten Auswertungen Berichte erstellen 3

4 z.b. Lagerplatz-Verwalter Kräne -welche? Rüttelplatten Reparatur Bagger Wartung -wann? -was? Schalung Wer hat was bestellt? Lieferanten Was ist noch da? Wer hat was bis wann? 4

5 1. Schritt: Daten-Modelle erstellen Methode Komplexe Zusammenhänge strukturiert aufzuschreiben Erfahrung zu Papier und damit begreifbar zu machen Neue Erkenntnisse durch intensive Beschäftigung mit Modellierung Klare Trennung von Applikation und Modell Blick in die Zukunft 5

6 Die Welt in ein Modell abbilden Analyse DV-Modell Welchen Teil der Welt? Für wen? Zu welchem Zweck? Modell Welche Dinge kommen in dieser "Teilwelt" vor? Welche relevanten Eigenschaften besitzen sie? Wie stehen sie zueinander in Beziehung? Entscheidung für Technologie Relational Objektorientiert... Entwicklung eines technischen DB-Schemas Implementierung 6

7 Verfahren der Modellierung Evolution / Try and Error Top down Scharfes Hinsehen Klappt nur im kleinen Rahmen Buttom up Was gibt s alles -> Alles auf einen Haufen Jedes hängt von jedem ab - > Versuch zu strukturieren - > Normalisierung Erkennen der grundlegenden Dinge Strukturen Bilde Objekte Definiere ihre Relationen z.b. Entity Relationship Modell -> Diagramm Klappt in beschränktem Rahmen 7

8 Modellierungs-Techniken Entity Relationship Modell NIAM Rumbaugh Booch EXPRESS IDEFØ Für Prozeßmodelle 8

9 Erstellen eines Modells Sprache: Es gibt Gebäude EXPRESS: ENTITY Gebäude; END_ENTITY; Es gibt eingeschoßige Gebäude Es gibt mehrgeschoßige Gebäude ENTITY eingeschoßige_gebäude; SUBTYPE OF Gebäude; END_ENTITY; ENTITY mehrgeschoßige_gebäude; SUBTYPE OF Gebäude; END_ENTITY; 9

10 Erstellen eines Modells EXPRESS: EXPRESS- ENTITY Gebäude; END_ENTITY; Gebäude ENTITY eingeschoßiges_gebäude; SUBTYPE OF Gebäude; END_ENTITY; ENTITY mehrgeschoßiges_gebäude; SUBTYPE OF Gebäude; END_ENTITY; eingeschoßiges_ Gebäude mehrgeschoßiges_ Gebäude 10

11 Erstellen eines Modells STRING Name STRING Name Gebäude gehört_zu Gebäudeebene hat L[2:?] REAL eingeschoßiges_ Gebäude (DER) Treppensteigungsverhältnis mehrgeschoßiges_ Gebäude Gebäudetreppe hat L[3:?] (INV) von gehört_zu Name STRING REAL Auftritt Treppenstufen Steigungsverhähltnis REAL 11

12 Produkt- und Applikations-modelle Fachliches Modell Technisches Modell Physikalisches Modell Produktmodell z.b. - EXPRESS - ER-Modell Applikationsmodell z.b. - Java, C++ - SQL 12

13 Relationale DB Management Systeme (RDBMS) Es gibt viele Datanbank- Methoden und Systeme Das heute verbreitetste und durch Produkte auf hohem Qualitätsstand angebotene System ist das RDBMS Datenbank Management System, das das relationale Modell verwirklicht Juni 1970 Edgar F.Codd stellt Grundlagenpapier vor Ergebnisse der mathemat. Theorie der Relationen werden auf die speziellen Probleme der DB übertragen Organisation der Daten=Relationenmodell Date (MA von Codd) Verschiedene Schriften und Lehrbuch Forschung und Prototypen an Universitäten in USA Firmen (z.b. Informix) Weitere Firmen (ORACLE, Sybase,...) Großrechner -> PC und LAN Heute z.b.: ORACLE, MS-SQL- Server, MS ACCESS 13

14 Grundidee der RDBMS Relationale Sicht auf Daten, d.h. ausschließlich logische Datenbeschreibung Daten und ihre Zusammenhänge sind unabhängig von Anwendung (Programm) Wie sie abgespeichert werden Datenmodell Objekte mit Eigenschaften -> Relationen Integritätsregeln Operatoren 14

15 Vom Objekt... Inventarnummer Maschinentyp Preis Wartungsintervall Inventarnummer Maschinentyp Maschinentyp Maschinentyp Maschinentyp Maschinentyp Preis Preis Preis Preis Preis Wartungsintervall 15

16 ... zur Relation (Tabelle) Attributsnamen Zeile = Tupel = Datensatz = Instanz Inventarnummer Maschinentyp Preis Wartungsint Rüttelplatte Rüttler Mischmashine Schalungsrüttler Relation besitzt Struktur einer zusammengehörigen Datengruppe Sinnvoller Aufbau durch Normalisierung (->) Keine Zeile darf mehrfach aufgeführt sein (Redundanz)! Tabelle = Objekt = Thema = Entity Spalte = Attribut = Feld 16

17 Datenbank-Entwurfsverfahren Bestimmen Sie die Aufgabe der DB Verfeinern Sie Ihren Entwurf => Entscheidung für relevanten Prüfen auf Fehler Fakten / Themen Prototyp: Bestimmen Sie die Tabellen Tabellen erstellen zu jedem Thema gibt es eine Tabelle (z.b. Bestellung, Personal ) Bestimmen Sie die Felder => Entscheidung, welche Information in jeder Tabelle Bestimmen Sie die Beziehungen Welche Felder einer Tabelle stehen EinigeTestdatensätze mit Testdaten Wirklich alle wichtigen Informationen enthalten? Ggf. Ändern des Entwurfs Jetzt sind Änderungen noch einfach, später u.u. sehr aufwendig und teuer mit welchen anderer Tabellen in Beziehung? Ggf. Felder bzw. Tabellen hinzufügen 17

18 DB-Entwurf: was tun bei eventuellen Schwierigkeiten Eine Tabelle hat viele Felder, passen jedoch thematisch nicht zusammen Tabelle auf mehrere Tabellen aufteilen In jeder Tabelle nur Informationen halten, die sich auf das Thema beziehen Viele Datensätze, die leere Felder enthalten Diese Felder gehören in eine andere Tabelle Gleiche Felder in mehreren Tabellen Tabellen zusammenfassen 18

19 Programmieren einer relationalen DB-Lösung RDBMS ER-Modell SQL 19

20 Beispiel: Erstellen einer RDB-Anwendung Gebäude Gebäude Gebäude Abschnitt Abschnitt Abschnitt Etage Etage Etage Bereich Bereich Bereich Raum Raum Raum Raumzone Raumzone Raumzone A B C... Gebäude I II III I II... Abschnitt EG OG1 OG2 OG3 EG OG1 OG2 OG3... Etage 20

21 Programmieren einer OODB-Lösung OODBMS EXPRESS- Modell C++ 21

22 Unterschied: relational / objektorientiert 22 Relational Objektorientiert

23 Beziehungen zwischen Tabellen Tragen Informationen, die nicht in den Feldern stehen Verbinden logisch mehrere Relationen Werden mit Hilfe von Attributen hergestellt Es gibt einfache (1:1) oder komplexe (1:n, n:1, n:m) Beziehungen Kardinalität gibt die Wertigkeit einer Beziehung an (1:1, 1:n, n:m) 23

24 1:1-Beziehung Inventarnummer 1:1 Seriennummer Einem Attribut einer Relation ist genau eines einer anderen zugeordnet 1:1 ist immer umkehrbar z.b. eine Maschine mit einer best. Inventarnummer besitzt eine bestimmte Seriennummer 24

25 1:n-Beziehung Ausleiher 1:n Rüttelplatte Einem Datentyp werden mehrere andere zugeordnet z.b. ein Ausleiher kann mehrere Rüttelplatten entleihen Jede entliehene Rüttelplatte kann genau einem Ausleiher zugeordnet werden Umkehrung von 1:n ist n:1 Mehrere Rüttelplatten können von einem Ausleiher entliehen werden 25

26 n:m-beziehung Mitarbeiter n:m Telefonnummer Einem Datenelement sind viele andere zugeordnet Ist theoretisch möglich, führt jedoch schnell zur Unübersichtlichkeit Günstig ist: mit einer weiteren Tabelle eine n:m-beziehung in zwei 1:n-Beziehungen aufzulösen z.b.: Jeder MA kann mehrere Telefonnummern haben Unter einer Telefonnummer können mehrere MA erreicht werden 26

27 Schlüssel (Key) Zur Definition von Beziehungen zwischen Relationen (Tabellen) werden Schlüssel verwendet Schlüssel = In einer Relation nur einmal vorkommende Bezeichnung (Attribut) zur eindeutigen Kennzeichnung und Identifizierung eines Datensatzes Schlüssel können sein: Eindeutiger Textstring (Inventarnummer) Nummer (Sereinnummer) aus mehreren Feldern zusammengesetzt (concadinated key) laufende Nummer (u.u. künstlich eingeführt, wenn keine geeigneter anderer Schlüssel verfügbar) 27

28 Concadinated Key z.b. Adresse Ort Straße Nummer München Karlstr. 6 Düsseldorf Waldrand 4 Frankfurt Hauptstr. 104 München Kaufingerstr. 237 München Karlstr. 36 Stuttgart Bahhhofstr. 6 Einzelne Felder nicht eindeutig Zusammengesetzt eindeutig Zusammengesetzt eindeutig 28

29 Beziehung über Schlüssel herstellen Lagerbestand Artikelnr. Bestand Preis Primärschlüssel Primärschlüssel Beziehung: hier 1:n Bestellung Datum Auftrag Artikelnr. Anzahl Primärschlüssel: Eindeutig in einer Relation möglichst kurz (wg. Perfromance) Falls kein geeignetes Feld vorhanden, neues Feld mit fortlaufender Nummer einführen keine Namen (Personen, Orte etc) verwenden, sind nicht eindeutig! Fremdschlüssel 29

30 Integritätsbedingungen Integrität = Konsistenz Vollständigkeit und Stimmigkeit zueinander gehöriger Daten Objektintegrität Jedes Ding (hier: Zeileninhalt) darf in einer Relation nur einmal vorkommen Mittel: mit Primärschlüssel eindeutig kennzeichnen Primärschlüssel darf nie NULL sein Semantische Integrität Logische Wiederspruchsfreiheit und exakte Abbildung der Realität Sinnhafte Bedeutung des Datenbestandes darf nicht zerstört sein Referenzielle Integrität Jeder Fremdschlüssel muß in einer anderen Tabelle als Primärschlüssel definiert sein oder den Wert NULL haben = Form der Existenzabhängigkeit entspricht Geschäftsregeln z.b. keine Abteilung ohne Abteilungsleiter 30

31 Normalisierung Methode zur Überführung häufig komplexer Beziehungen in einfache Beziehungen Beziehungen entstehen durch Abhängigkeiten zwischen Daten Können grafischen in Hierarchien und Netzen dargestellt werden (z.b. ER-Diagramm) Ziel: Normalisierte Relation, d.h. stabile Datenstrukturen = ein Buttom-up-Verfahren Zusammenfassen von Datenelementen zu Objekten 31

32 Normalisierung am Beispiel einer Rechnungsstellung Tüftel-Baumaschinen GmbH Diesel-Ring Metallstadt Rechnung An die Fleißig-Bau GmbH Abteilung Buchhaltung Klenzestr Steinstadt Bitte bei Zahlung angeben: Kundennr.: Rechnungsnr.: 3241 Datum: Anzahl Artikelnr. Artikel Einzelpreis Gesamtpreis A 2000, , B 1000, , C 5000, ,00 Summe 9000,00 15% MwSt 1350,00 Zahlbar 10350,00 32

33 1. Schritt: Herstellen der unnormalisierten Form Adresse Kundenr Rechnungsnr Datum Summe MwSt Artikel Artikelnr Einzelpreis Gesamtpreis Datenelemente auflisten Die Datenelemente der realen Welt entnehmen, die der Aufgabenstellung entsprechen Möglichst gruppiert nach Vorgängen z.b.: Rechnung Bezug zur Bestellung 33

34 Regeln für 1. Normalform Kein Datensatz darf in einer Tabelle doppelt vorkommen Alle Datensätze müssen in sich geschlossen sein Alle Felder eines Datensatzes müssen zum gleichen Ressort gehören Die Reihenfolge der Datensätze innerhalb einer Tabelle muss unwichtig sein => 1. NF ist die Idealform, die auf alle Fälle erreicht werden muss 34

35 2. Schritt: Überführen in die erste Gruppe der Nicht- Wiederholer Abteilung Kundenr Normalform Straße Ort Kunde Datum Summe MwSt Rechnungsnr 1:n Wiederholer- Gruppe Anzahl Artikelnr Artikel Einzelpreis Gesamtpreis Rechnungsnr Entities bilden Bilden von Datengruppen Gruppe von Elementen, die sich nicht wiederholen Gruppe von Elementen, die sich wiederholen 1:n-Beziehungen durch Schlüssel festlegen Jede Datengruppe muß einen eindeutigen Schlüssel (Primärschlüssel) besitzen In der Wiederholungsgruppe muß der Schlüssel für die Gruppe ergänzt werden, die eine Beziehung zur Nicht-Wiederholergruppe besitzt Zusammengesetzter Schlüssel 35

36 3. Schritt: Überführung in die zweite Normalform Anzahl Artikelnr Artikel Einzelpreis Gesamtpreis Rechnungsnr Artikelnr Rechnungsnr Anzahl Gesamtpreis 1:n Artikelnr Artikel Einzelpreis Teilschlüssel finden (erkennen) Betrachte Beziehungen zwischen Schlüssel und Datenelement innerhalb einer Gruppe Eindeutigkeit herstellen Durch Gruppierung der Datenelemente unter dem jeweiligen Teil des Schlüssels, der sie eindeutig bezeichnet 36

37 Regeln für die 2. Normalfrom Alle Bedingungen der 1. NF müssen erfüllt sein Die Tabellen müssen über eine Beziehungen zueinander verfügen Der Primärschlüssel darf nur aus einem Feld bestehen => 2. NF sollte unbedingt angestrebt werden 37

38 4. Schritt: Überführung in die dritte Normalform Abhängigkeiten erkennen Untersuchung der Elemente in der 2. Normalform auf Abhägigkeiten Können von einem Datenelement ausgehend weitere Elemente bestimmt werden, werden diese in einer neuen Gruppe zusammengefaßt Bei einer derartigen Auslagerung bleibt das bestimmende Datenelement sowohl als Fremdschlüssel in der ursprünglichen Gruppe erhalten und wird außerdem in der neuen Gruppe als Primärschlüssel eingeführt => Gruppen, die als Grundlage für den Aufbau einer Datenbank dienen Ziel (-> Codd): Daten müssen unabhängig von der Applikation organisiert sein 38

39 Regeln für die 3. Noermalform Die Bedingungen der ersten Normalform müssen erfüllt sein Die Felder dürfen untereinander keine Abhängigkeiten aufweisen 39

40 4. Schritt: Überführung in die dritte Normalform Rechnungsnr Kundenr Kunde Abteilung Straße Ort Datum Summe MwSt Kundenr Kunde Abteilung Straße Ort 1:n Rechnungsnr Kundenr Datum Summe MwSt Fremd-Schlüssel 40

41 Rechnung Festlegen der Tabellen Rechnungsnr Kundenr Datum Summe MwSt Kunde Kundenr Kunde Abteilung Straße Ort Bestellung (= Rechnungsposition) Artikelnr Rechnungsnr Anzahl Gesamtpreis Artikel Artikelnr Artikel Einzelpreis Eine Neuaufnahme eins Kunden führt in der normalisierten Form nicht mehr dazu, daß ihm eine Rechnung ausgestellt werden muß Er kann in der DB bleiben, um ihn z.b. einen neuen Katalog zuzuschicken, auch wenn er vom Kauf zurücktritt Der Artikelstamm kann unabhängig von Verkäufen geführt werden 41

42 Beziehungen 42

43 Labor für Bauwesen - Bauinformatik 43