Datenbanksysteme (1)

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1 Kapitel 18: Datenbanksysteme (1) Einführung in die Informatik Wintersemester 2007/08 Prof. Bernhard Jung Übersicht Datenbanken und Datenbanksysteme Entity/Relationship-Modell (ERM) Das Relationale Datenmodell (RDM) Abbildung ERM RDM Relationale Algebra Hauptlernziele Verständnis der Grundzüge relationaler Datenbanksysteme ER-Modelle als Mittel zur Kommunikation zwischen Datenbank-Anwendern und Datenbank-Entwicklern verstehen Fähigkeit, ER-Modelle lesen und selber entwickeln zu können Literatur (z.b.) Gumm & Sommer. Einführung in die Informatik. Oldenbourg

2 Datenbanksysteme Datenbanktechnologie: die die auf auf ein ein Datenbanksystem gestützte Verfahrensweise bei bei der der Speicherung, Verwaltung und und Nutzung Nutzung von von Informationen eines eines Anwendungsbereiches Schwerpunkte: Architektur von Datenbanksystemen, konzeptueller Datenbankentwurf, relationales Datenmodell, relationale Sprache, relationale Entwurfstheorie, Datenintegrität / Datensicherheit, Mehrbenutzersynchronisation, interne Datenorganisation, externe Schnittstellen, objektorientierte Datenbanken Datenbanksysteme - Begriffe Datenbank (DB) Sammlung von Datenbeständen einschließlich deren Beschreibung Datenbankmanagementsystem (DBMS): Softwaresystem zur Verwaltung und Bereitstellung von Datenbeständen Datenbanksystem (DBS): Zusammenfassung von Datenbank und Datenbankmanagementsystem Datenmodell (DM): Konzepte für die Abbildung von Diskursbereichen in Datenbanken (Strukturen, Operationen, Integritätsbedingungen) z.b. Entity-Relationship-Modell, relationales Datenmodell Datenbanksprache (DL): Sprache zur Definition (DDL) sowie Manipulation und Abfrage (DML) von Datenbeständen z.b. SQL (nächste ) 2

3 Relationale Datenbanken Relationales Datenbankmanagementsystem (RDBMS) Tabellen mit Daten Tabelleninhalt Zeile repräsentiert Fakt Attributwert repräsentiert eine Charakteristik Tabellen DBMS Relationale Datenbanken Z.B. Oracle, IBM DB2, Microsoft SQL Server, Microsoft Access,... Opensource Datenbanken: mysql, postgres, MaxDB (SAP DB),... Alternative Technologien: Objektorientierte DBs, deduktive DBs, XML DBs,... accountid last first street city state zipcode balance 1 Block Jane 345 Randolph Circle Apopka FL $ Hamilton Cherry 3230 Dade St. Dade City FL $ Harrison Katherine 3 Landis Hall Bratt FL $ Breaux Carroll 76 Main St. Apopka FL $35.00 Grundlagen relationaler Datenbanken Das Relationale Datenmodell repräsentiert Information in Tabellen ("Relationen" genannt) Jede Tabelle repräsentiert Information über i.a. mehrere Entities Tabellenspalte enthält Attributwerte der Enitities alle Attribute sind atomar, d.h. haben einen nicht weiter dekomponierbaren Wert z.b. Strings, Zahlen; aber z.b. keine Listen Tabellenzeile enthält Information über eine Entity Relationale Datenbank = Menge von Tabellen Beispiel: Relation "Student" Xenokrates Jonas Fichte Aristoxenos 18 8 Kopfzeile enthält Attributnamen Zeile mit Daten über eine Entity (hier: Student) Spalte mit Attributwerten 3

4 DBMS - Qualitätsmerkmale Datenumfang: Zugriffszeit: Redundanzarmut: Nutzerfreundlichkeit: Konsistenz: Sicherheit: Effizienz: Standardisierung: Integration: Fundierung: Verwaltung von Datenbeständen praxisrelevanter Größenordnung Datenbereitstellung entspricht zeitlich den Anforderungen der Nutzer Mehrfachhaltung von Daten wird vermieden oder reduziert Nutzer können auf die Daten in einer ihnen gemäßen Form zugreifen Gewährleistung eines gültigen Abbildes der Realität Verfügbarkeit bei Fehlfunktionen von System oder Nutzer relativ geringer Aufwand zur Erfüllung der Nutzeranforderungen einheitlich definierte Anwendungsschnittstellen Anwendungsprozesse können durch gemeinsame Datenhaltung zusammenarbeiten mathematisch-theoretische Absicherung von Strukturen und Operationen Datenunabhängigkeit: Nutzer werden entlastet von Organisation der Datenverwaltung Entwicklung relationaler Datenbanken: Datenmodelle auf mehreren Ebenen Konzeptuelle Datenmodelle in Form, die (auch) für Anwender verständlich ist helfen dem gegenseitigen Verständnis von Entwicklern und Anwendern semi-formale oder formale Beschreibungen z.b. ERM = Entity-Relationship Modell Entities, Relationships, Attribute Logische Datenmodelle in Form, die für relationales Datenbanksystem verständlich ist Entstehen durch Überführung konzeptueller Datenmodelle (nach festen Regeln) z.b. RDM = Relationales Datenmodell Relationsschemata, Attribute Physikalische Datenmodelle in Form, die für unterliegende Computer-Hardware und Betriebssystem verständlich ist wie Datenbankinhalte auf der Festplatte gespeichert werden i.a. automatisch aus RDM generiert 4

5 Entity-Relationship-Modell (ERM) Formalismus zur Abbildung von Diskursbereichen als Gesamtheit von Gegebenheiten (Entities), zwischen denen Beziehungen (Relationships) bestehen. Diskursbereich: Ausschnitt der Realität, der für eine bestimmte Anwendung relevant ist Beispiel: Universität mit Studenten, Assistenten, Professoren, Lehrveranstaltungen, Prüfungen Ziele: - Entwicklung eines schematischen, zeitunabhängigen Modells des Diskursbereiches - Unterstützung der frühen Entwurfsphasen - Graphische Veranschaulichung von Zusammenhängen - Kommunikationsmittel zwischen Anwendern, Entwicklern und Implementierern - Abbildbarkeit in Relationales Datenmodell Entities Entity: diskrete, identifizierbare Abstraktion eines Gegenstandes der Anschauung oder des Denkens Entity-Typ: Verallgemeinerung (Klassifikation) gleichartiger, ähnlicher Entities Diagrammdarstellung: Entity-Typ als Rechteck mit n des Entity-Typs Entity-Typ Entity-Typ Beispiele: Student, Assistent, Professor, Lehrveranstaltung Student Student Assistent Assistent 5

6 Attribute Attribut: Merkmal zur Beschreibung von Entities und Relationships; besitzt einen n und eine Merkmalswertemenge (Domäne) Diagrammdarstellung: Attribut als Kreis / Ellipse mit Attributnamen, durch ungerichtete Kante mit Entity- oder Relationship-Typ verbunden Beispiele:, Vorname, Adresse, Fachgebiet, Note, Titel, ester, Matrikelnummer, Attributname Student Relationships Relationship: Beziehung zwischen Entities von mehreren, nicht notwendig verschiedenen Entity-Typen Relationship-Typ: Verallgemeinerung (Klassifikation) gleichartiger, ähnlicher Relationships Diagrammdarstellung: Relationship-Typ als Rhombus mit n des Relationship-Typs, durch ungerichtete Kanten mit korrespondierenden Entity-Typen verbunden Beispiele: lesen, höhren, prüfen, voraussetzen, arbeitenfür Relationship-Typ Student hören Achtung: Relationship Relation Relationship = Beziehung zw. Entities; auf Ebene des konzeptuellen Datenmodells Relation = Tabelle einer Datenbank; auf Ebene des relationalen Datenmodells 6

7 Schlüssel Schlüssel: Teilmenge von Attributen, - deren Werte beliebige Ausprägungen eines Entity- oder Relationship-Typs eindeutig identifizieren - und die im Hinblick auf diese Eigenschaft minimal sind Primärschlüssel: pragmatisch ausgewählter Schlüssel eines Entity- oder Relationship-Typs Der Primärschlüssel eines Relationship-Typs enthält implizit die Primärschlüssel der benachbarten Entity-Typen. Diagrammdarstellung: Attribut mit Unterstreichung Attributname Beispiele: Persnr,,, (Persnr, ), (Vorgänger, Nachfolger), Müller Student Müller Müller Schlüssel ist eindeutig! Zuordnungscharakteristik Charakterisierung eines Relationship-Typs R zwischen zwei Entity-Typen E1, E2: 1:1-Beziehung: In R kann ein Entity aus E2 mit höchstens einem Entity aus E1 in Beziehung stehen und umgekehrt. 1:n-Beziehung: In R kann ein Entity aus E2 mit höchstens einem Entity aus E1 in Beziehung stehen. m:n-beziehung: Keine Einschränkung. Erweiterung auf mehrstellige Relationship-Typen möglich. Diagrammdarstellung: Beschriftung der Kanten des Relationship-Typs mit 1, m, n,... x Relationship-Typ y Beispiele: lesen (1:n), hören (m:n), prüfen (m:n:1) Student N hören M 7

8 Zuordnungscharakteristik Professor (Persnr) lesen () "Ein Professor kann mehrere en lesen" "Eine wird von (höchstens) einem Professor gelesen" :N Zuordnungscharakteristik Student () hören () "Ein Student kann mehrere en hören" "Eine kann von mehreren Studenten gehört werden" N:M 8

9 ERM-Diagramm Diskursbereich: Universität Student N hören M voraussetzen N M SWS N M N Titel Note prüfen lesen Persnr Assistent N arbeitenfür Professor Persnr Gebiet Raum Rang Relationales Datenmodell (RDM) Relationales Datenmodell: Repräsentation von Informationen über Entities und Relationships in Tabellen (Relationen) Relationsschema: Spezifikation der Struktur einer Relation / Tabelle der Tabelle (oft auch Typ) von jedem Attribut Deklaration des Schlüssels Überführung ERM Relationsschemata Relationsschema (, SWS, Titel) SWS Relation (Tabelle mit Daten) SWS Titel Titel Grundzüge Ethik ERM Erkenntnistheorie Logik 9

10 Überführungsvorschriften ERM RDM Entity-Typ: Bildung eines Relationsschemas mit dem n, den Attributen und den Schlüsseln des Entity-Typs Relationship-Typ m:n: Bildung eines Relationsschemas mit dem n des Relationship-Typs, den eigenen Attributen und den Primärschlüsseln der beteiligten Entity-Typen Relationship-Typ 1:n: Aufnahme des Primärschlüssels des 1-Entity-Typs als Fremdschlüssel und der Attribute des Relationship-Typs in das Relationsschema des n-entity-typs Relationship-Typ 1:1: Aufnahme des Primärschlüssels eines 1-Entity-Typs als Fremdschlüssel und der Attribute des Relationship-Typs in das Relationsschema des anderen 1-Entity-Typs (analog zu Relationship-Typ 1:n) Relationship-Typ mehrstellig: analog zu Relationship-Typ m:n Also: Ein Entity-Typ wird immer auf ein entsprechendes Relationsschema im RDM abgebildet Ein Relationship-Typ wird nur unter bestimmten Voraussetzungen auf ein Relationsschema abgebildet (ansonsten auf Attribut(e) ) Überführungsvorschriften ERM RDM Beispiel (1) Entity-Typ: Bildung Bildung eines eines Relationsschemas mit mit dem dem n, den den Attributen und und den den Schlüsseln des des Entity-Typs SWS Titel (, SWS, Titel) ERM Relationsschema

11 Überführungsvorschriften ERM RDM Beispiel (2) Relationship-Typ 1:n: 1:n: Aufnahme des des Primärschlüssels des des 1-Entity-Typs als als Fremdschlüssel und und der der Attribute des des Relationship-Typs in in das das Relationsschema des des n-entity-typs N lesen 1 Professor SWS Titel Persnr (, SWS, Titel, Persnr) Professor( Persnr, ) Relationsschema Überführungsvorschriften ERM RDM Bemerkungen N lesen 1 Professor SWS Titel Persnr (, SWS, Titel, Persnr) Professor( Persnr, ) Relationsschema Das Attribut 'Persnr' in Relationsschema '' wird als Fremdschlüssel bezeichnet (da es sich auf Schlüssel einer anderen Entity bezieht) 'Persnr' ist Attribut des Relationenschemas '' aber kein Attribut der Entity '' (gilt allgemein für Fremdschlüssel) Zur besseren Verständlichkeit kann / sollte das Attribut 'Persnr' im Relationenschema '' umbenannt werden besser: (, SWS, Titel, Leser) 11

12 Überführungsvorschriften ERM RDM Beispiel (3) Relationship-Typ m:n: m:n: Bildung Bildung eines eines Relationsschemas mit mit dem dem n n des des Relationship-Typs, den den eigenen Attributen und und den den Primärschlüsseln der der beteiligten Entity-Typen voraussetzen N M SWS Titel (, SWS, Titel ) voraussetzen(, ) bzw. besser: voraussetzen( Vorgänger, Nachfolger ) Relationsschema Beispielrelationen 1 Assistent: Persnr Fachgebiet Boss 3002 Platon Ideenlehre Aristoteles Syllogistik Wittgenstein Sprachtheorie Rhetikus Planetenbewegung Newton Keplersche Gesetze Spinoza Gott und Natur 2134 Student: Professor: Persnr Rang Raum Xenokrates Sokrates C Jonas 26 Russel C Fichte 27 Kopernikus C Aristoxenos Popper C Schopenhauer Augustinus C Carnap Curie C Theophrastos Kant C Feuerbach 2

13 Beispielrelationen 2 : voraussetzen: hören: Titel SWS Leser Vorgänger Nachfolger 5001 Grundzüge Ethik Erkenntnistheorie Gewäsch Logik Wissenschaftstheorie Bioethik Der Wiener Kreis Glaube und Wissen Die 3 Kritiken prüfen: Persnr Note Relationenalgebra Teil des Relationalen Modells Definition von Operationen mit 1 bzw. 2 Eingabe-Tabellen sowie 1 Ausgabe-Tabelle Operationen über 1 Tabelle Projektion (π ) Auswahl bestimmter Spalten der Tabelle Selektion (σ) Auswahl bestimmter Zeilen der Tabelle Operationen über 2 Tabellen Verbund / Join ( ) auch: Produkt ( ) auch: Mengenverarbeitung Vereinigung ( ), Differenz ( ), Durchschnitt ( ) nur anwendbar auf gleichförmige Tabellen (gleiche Anzahl, Reihenfolge, Typ von Attributen) Datenbankabfragesprache SQL ist Implementierung der Relationenalgebra 13

14 Relationenalgebra Projektion Auswahl bestimmter Spalten einer Tabelle project Student onto (, ) π, (Student) Xenokrates 18 Xenokrates Jonas Jonas 260 Fichte Fichte Aristoxenos 8 Aristoxenos 8 Relationenalgebra Selektion Auswahl bestimmter Zeilen einer Tabelle select from Student where > σ > (Student) Xenokrates Jonas Xenokrates Fichte Jonas Aristoxenos 8 14

15 Relationenalgebra Selektion komplexere Kriterien select from Student where > or Matnr > σ > or Matnr > (Student) Xenokrates Jonas Fichte Aristoxenos Xenokrates Jonas Aristoxenos 18 8 Relationenalgebra Verbund (Join) Verknüfung von 2 Tabellen über Bedingung typische Bedingung: Gleichheit von Attributen (Equi-Join) join Asssistent and Professor where Assistent.Boss == Professor.Persnr Asisstent Assistant.Boss == Professor.Persnr Professor Attribute von Assistent Attribute von Professor Persnr Fachgebiet Boss Persnr Rang Raum 3002 Platon Ideenlehre Sokrates C Aristoteles Syllogistik Sokrates C Wittgenstein Sprachtheorie Russel C Rhetikus Planetenbewegung Kopernikus C Newton Keplersche Gesetze Kopernikus C Spinoza Gott und Natur Augustinus C