Bestandteile relationaler Datenbanksysteme

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1 Datenmodellierung Datenbanksysteme 2 Relationale Datenbanksysteme Lerninhalte Bestandteile relationaler Datenbanksysteme Aufbau von Tabellen Beziehungen und Verknüpfungen Beziehungstypen und referentielle Integrität Abfrage- und Manipulationssprachen Lerninhalte L1 Bestandteile relationaler Datenbanksysteme In relationalen Datenbanksystemen werden die Informationen in Form von Tabellen gespeichert, zwischen denen Beziehungen (Relationen) bestehen und auf die in flexibler Weise mit Hilfe von Abfrage- und Manipulationssprachen zugegriffen werden kann. Relationale Datenbanksysteme tragen ihren Namen nach dem Wort Relation (Beziehung). L2 Aufbau von Tabellen Gleichartige Datenobjekte (Objektklassen) werden in Tabellen zusammengefasst. Solche Objektklassen können z. B. die Schüler einer Schule, die Artikel eines Unternehmens oder die Bücher einer Bibliothek sein. Zwischen den verschiedenen Tabellen eines relationalen Datenbanksystems bestehen Beziehungen. Tabellen besitzen einen eindeutigen Namen und bestehen aus Spalten und Zeilen. Sie sind wie folgt aufgebaut: Tabellenname Merkmal oder Attribut Schlüssel Attributwert oder Datenwert SCHUELER SNr Name Geburtsort Müller Mainz Brause Köln Schweitzer Mainz Datenobjekt, Tupel oder Datensatz Attributklasse 2-1

2 Datenbanksysteme Datenmodellierung Erläuterungen Eine Tabelle (z. B. Tabelle SCHUELER) enthält gleichartige Daten (z. B. die Daten von Schülerinnen und Schülern). Jede Zeile beschreibt ein konkretes Datenobjekt (Tupel, Datensatz), z. B. den Schüler Wilhelm Brause, den Artikel mit der Nummer 2345, das Buch Huxley: Schöne neue Welt. Alle Tupel einer Tabelle besitzen die gleiche Struktur. Ein und dasselbe Tupel darf nur einmal in einer Tabelle vorkommen. In den Spalten sind die Attribute (Merkmale, Eigenschaften) der Datenobjekte aufgeführt. Jede Spalte entspricht einer Attributklasse (z. B. Schülername in der Tabelle SCHÜLER; Artikelbezeichnung in einer Tabelle ARTIKEL, Buchtitel in einer Tabelle BUECHER). Alle Attribute einer Attributklasse sind homogen, d. h. die Feldinhalte sind vom selben Typ und im selben Format. Die konkrete Ausprägung eines Merkmals (z. B. Müller als Schülername des Schülers mit der Schülernummer 17) wird als Attributwert oder Datenwert bezeichnet. Jeder Datensatz wird durch einen Schlüssel (sogenannter Primärschlüssel) identifiziert. Ein Primärschlüssel besteht aus einem einzelnen Attribut (z. B Schülernummer) oder aus einer Kombination von Attributen (sogenannter Kombinationsschlüssel z. B. Schülername und Geburtsort). Primärschlüsselattribute werden gewöhnlich durch Unterstreichung kenntlich gemacht. Jeder Primärschlüssel besitzt zwei wichtige Schlüsseleigenschaften: - er identifiziert eindeutig einen Datensatz (Eindeutigkeit) - er ist minimal, d. h. bei Kombination von Merkmalen kann auf kein Merkmal verzichtet werden, ohne dass die Eindeutigkeit verloren geht. Sowohl Zeilen- als auch Spalteneinträge können jederzeit in beliebiger Reihenfolge betrachtet, ausgewertet und in weitere Aktionen einbezogen werden. In Tabellen werden keine Prozessdaten (= Daten, die sich aus bereits erfassten Attributen berechnen lassen) aufgenommen. Eine Tabelle besitzt einen eindeutigen Tabellennamen. Innerhalb einer Tabelle ist jede Attributbezeichnung eindeutig und bezeichnet eine bestimmte Spalte mit der gewünschten Eigenschaft. Die Anzahl der Attribute ist beliebig, die Reihenfolge der Spalten bedeutungslos. Die Tupel einer Tabelle sind einmalig. Die Anzahl der Tupel einer Tabelle ist beliebig, die Reihenfolge der Tupel ist bedeutungslos. Eine Attribut oder eine Kombination von Attributen identifiziert eindeutig die Tupel innerhalb einer Tabelle und wird als Primärschlüssel bezeichnet. Tabellen enthalten keine Prozeßdaten. 2-2

3 Datenmodellierung Datenbanksysteme L3 Beziehungen und Verknüpfungen Zwischen den Tabellen einer Datenbank bestehen Beziehung. Eine Beziehungen kann durch Verknüpfung über ein Datenfeld, das in beiden Tabellen vorkommt, hergestellt werden. Stellen Sie sich die Verwaltung einer Schülerbibliothek vor, in der die Schülerinnen und Schüler Bücher ausleihen können. Alle vorhandenen Bücher sind in einer Tabelle erfasst. Wird ein Buch ausgeliehen, so trägt die Aufsichtsperson Name, Geburtsdatum, Klasse und Telefonnummer in die entsprechenden Spalten ein. Die Tabelle BUECHER könnte folgendes Aussehen haben: InventNr Titel... Name GebDat Klasse Telefon DV107 Internet Maier BFW / BW347 BWL Schmitz Bm /1541 BW348 BWL Maier BFW / Sp433 Klettern Maier BFW / Wie zu erkennen ist, hat der Schüler Maier drei Bücher ausgeliehen. Durch die mehrfache Speicherung der Schülerdaten steigt der Arbeitsaufwand. Außerdem kann es zu Widersprüchen kommen (z. B. durch Tippfehler bei einer Telefonnummer, wie bei Buch Sp433 zu sehen ist). Lösung des Problems: Aufteilung der Daten auf zwei Tabellen und Verknüpfung der Tabellen: BUECHER SCHUELER InventNr Titel... Ausleiher SNr Name GebDat... DV107 Internet Maier BW347 BWL Schmitz BW348 BWL Sp433 Klettern Die Verküpfung erfolgt über die Schülernummer: Über die im Attribut Ausleiher (sog. Fremdschlüssel) gespeicherte Schülernummer kann über das Attribut SNr (Primärschlüssel der Tabelle SCHUELER) eindeutig festgestellt werden, welcher Schüler das Buch ausgeliehen hat. Buchdaten und Schülerdaten werden nur einmal erfasst. 2-3

4 Datenbanksysteme Datenmodellierung Die Verknüpfung zwischen zwei Tabellen erfolgt grundsätzlich dadurch, dass ein Fremdschlüssel (auch Sekundärschlüssel genannt) der einen Tabelle (im Beispiel: Attribut Ausleiher der Tabelle BUECHER) auf den zugehörigen Primärschlüssel der anderen Tabelle (im Beispiel: Attribut SNr der Tabelle SCHUELER) zeigt. Die Tabelle, die den Primärschlüssel enthält, bezeichnet man oft als Mastertabelle, die Tabelle, die den Fremdschlüssel enthält als Detailtabelle. Durch die Verknüpfung ergeben sich erhebliche Vorteile: 1. Alle Daten werden jeweils nur in einer Tabelle gespeichert. Zusammenhänge zu anderen Tabellen werden über Verknüpfungen hergestellt. So ist es nicht notwendig bei jeder Bestellung auch wieder alle Einzelheiten der Produkte anzugeben und die Liefereradresse neu einzugeben. Redundanzen (=mehrfaches Vorhandensein gleicher Daten) und somit die Gefahr von Widersprüchen im Datenbestand werden verringert. 2. Da Daten nicht mehrfach und an verschiedenen Stellen verwaltet werden sind auch Datenänderungen leichter durchzuführen. Wird in einem relationalen System die Kundenadresse in der Kundentabelle geändert, werden dadurch zwangsläufig auch alle Angebote und Produktinformationen aktualisiert. 3. Strukturänderungen im Datenbestand (z. B. das Einfügen eines neuen Attributes in die Kundentabelle oder das Hinzufügen einer neuer Tabelle für die Verwaltung von Dienstwagen) lassen sich meist mit geringem Aufwand realisieren. 4. Verknüpfungen ermöglichen das Abfragen und Manipulieren von Daten aus unterschiedlichen Tabellen und mit wechselnden Fragestellungen. Die Beziehung zwischen zwei Tabellen wird herstellt, indem dem Fremdschlüssel der Detailtabelle der zugehörige Primärschlüssel der Mastertabelle zugeordnet wird. Die Tabelle mit dem Primärschlüssel wird als Mastertabelle, die mit dem Fremdschlüssel als Detailtabelle bezeichnet. Verknüpfungen sind Voraussetzung für Datenkonsistenz, flexible Abfragen und einfache Manipulation der Daten. 2-4

5 Datenmodellierung Datenbanksysteme L4 Beziehungstypen und referentielle Integrität Vereinfachend können die Beziehungen zwischen zwei Tabellen in folgende Beziehungstypen (auch Assoziationstypen genannt) unterschieden werden: 1:n-Beziehung Bei einer 1:n-Beziehung existieren zu jedem Datensatz der einen Tabelle mehrere Datensätze oder genau ein Datensatz oder kein Datensatz der zweiten Tabelle. Dieser Beziehungstyp stellt in der Praxis den Regelfall dar. Beispiel: 1:1-Beziehung Ein Kunde kann - mehrere offene Rechnungen, - eine offene Rechnung oder - keine offene Rechnung haben. Jede Rechnung hat genau einen Empfänger. Bei einer 1:1-Beziehung existiert zu jedem Datensatz der einen Tabelle genau ein Datensatz oder kein Datensatz der zweiten Tabelle. Folglich können zu einem Datensatz der einen Tabelle nicht mehrere Datensätze der zweiten Tabelle gehören. Es stellt sich somit die Frage, ob nicht die Attribute beider Tabellen in einer einzigen Tabelle zusammengeführt werden können. Dies mag vielfach zutreffen und in diesen Fällen erscheint eine 1:1- Beziehung überflüssig. Manchmal erweist sich eine 1:1-Beziehung zwischen zwei Tabellen jedoch als sinnvoll. Beispiel: Aus Gründen des verbesserten Datenschutzes werden die Personaldaten in zwei Tabellen gespeichert: Die Tabelle PERSONAL enthält die Daten, die für alle Anwender zugänglich sind (z. B. Name, Telefonnummer), die Tabelle GEHALT dagegen vertrauliche Daten für die Gehaltsberechnung (z. B. Gehaltsgruppe, Konfession, Zulagen, usw.). RECHNUNGEN n:1 KUNDEN ReNr KdNr... KdNr Name Berg Mai Zappa Neu GEHALT 1:1 PERSONAL PNr GGrp Konf... PNr Name Tel 17 VI rk Beck IXa ev Zwick VII rk Berg

6 Datenbanksysteme Datenmodellierung m:n-beziehung Bei einer m:n-beziehung können zu einem Datensatz der Tabelle A kein, ein oder mehrere Datensätze in Tabelle B und zu einem Datensatz der Tabelle B kein, ein oder mehrere Datensätze in Tabelle A existieren. Beispiel: Ein Lieferer liefert mehrere Artikel, ein bestimmter Artikel kann von mehreren Lieferern geliefert werden. Im nebenstehenden Beispiel kann Lieferer Müller mehrere Artikel (112, 113, 114) liefern und Artikel 114 kann von drei Lieferern (213, 215, 216) bezogen werden. LIEFERER ARTIKEL LiefNr Name ArtNr Bezeichnung 213 Müller 112 Wickelband 214 Schmitz 113 Dynamo 215 Blau 114 Leuchte 216 Sauber 115 Sattel m:n-beziehungen lassen sich in relationalen Datenbanksystemen nicht unmittelbar realisieren. Sie müssen vielmehr über Zwischentabellen verwirklicht werden). Vgl. Sie hierzu 3.11 ff. Referentielle Integrität Unter dem Begriff Integrität oder Konsistenz versteht man die Widerspruchsfreiheit innerhalb von Datenbeständen. Eine Datenbank ist integer oder konsistent, wenn die gespeicherten Daten fehlerfrei erfasst sind und den gewünschten Informationsgehalt korrekt wiedergeben. Umgekehrt ist die Datenintegrität verletzt, wenn Mehrdeutigkeiten oder widersprüchliche Sachverhalte zu Tage treten. Die referentielle Integrität besagt, dass jeder Wert eines Fremdschlüssels als Wert beim zugehörigen Primärschlüssel vorkommen muß. So muss im Beispiel auf Seite 3 jede im Attribut Ausleiher (Tabelle BUECHER) aufgeführte Schülernummer im entsprechenden Primärschlüssel (Attribut SNr in Tabelle SCHUELER) vorkommen. Die referentielle Integrität wird innerhalb des Datenbanksystems definiert und wird von diesem selbst überprüft. Verstößt eine Operation gegen diese Bedingung, wird die gesamte Transaktion abgelehnt. So ist es - bei definierter referentieller Integrität-beim o. a. Beispiel nicht möglich, im Attribut Ausleiher eine Schülernummer zu erfassen, die in der Tabelle SCHUELER noch nicht existiert. Zwei Tabellen werden miteinander verknüpft, indem dem Fremdschlüssel der Detailtabelle der zugehörige Primärschlüssel der Mastertabelle zugeordnet wird. Man unterscheidet folgende Beziehungstypen: - 1:n-Beziehung - 1:1-Beziehung - m:n-beziehung 1:n- und 1:1-Beziehungen lassen sich in relationalen Datenbanksystemen unmittelbar, m:n-beziehungen nur mittelbar (über Zwischentabellen) realisieren. Referentielle Integrität besagt, daß jeder Wert eines Fremdschlüssels als Wert beim zugehörigen Primärschlüssel vorkommen muss. 2-6

7 Datenmodellierung Datenbanksysteme L5 Abfrage- und Manipulationssprachen Wie wir oben gesehen haben, stellt das Relationenmodell Informationen in Form von Tabellen dar. Dabei entspricht eine Tabelle einer Menge von Datensätzen oder Tupeln desselben Typs. Dieses Mengenkonzept erlaubt es grundsätzlich, Abfrage- und Manipulationsmöglichkeiten deskriptiv und damit mengenorientiert durchzuführen. Das Ergebnis einer Abfrage ist eine Menge und wird als Tabelle geliefert. Die wichtigste Abfrage- und Manipulationssprache für relationale Datenbanksysteme heißt Structured Query Language (kurz: SQL) und ist international normiert (ANSI, ISO). Es handelt sich hierbei um eine deskriptive (beschreibende) Sprache. Allein durch Festlegen von Attributen und Bedingungen erhält der Anwender die gewünschten Informationen. Daneben bieten einige Datenbankmanagementsysteme (z. B. Access, dbase) eine grafisch anzuwendende Abfragesprache Query by Example (kurz: QbE) an. Mit Hilfe von QbE kann der Anwender anzuzeigende Attribute, Verknüpfungen zwischen Tabellen und Abfragekriterien direkt in Formularen auf dem Bildschirm mit Hilfe der Maus (drag and drop) festlegen. Dem Vorteil der leichteren Bedienbarkeit stehen jedoch einige gravierende Nachteile (fehlende Standardisierung, eingeschränkte Möglichkeiten, geringere Flexibilität) gegenüber. Im Gegensatz zu deskriptiven Abfrage- oder Manipulationssprachen müssen bei herkömmlichen prozeduralen Sprachen (z. B. Cobol, dbase, Clipper, TurboPascal) die Abläufe zur Bereitstellung der gesuchten Information detailiert programmiert werden, da das Ergebnis jeder Abfrageoperation ein einzelner Datensatz und nicht eine Menge von Tupeln ist. Zudem muss der Programmierer sehr genau Kenntnisse vom internen Aufbau der Datenbank haben. natürliche Sprache: Selektiere die Namen und Vornamen der Schülerinnen und Schüler, die in Mainz wohnen deskriptive Sprache: SELECT FROM WHERE Name, Vorname Schueler Ort= Mainz ; prozedurale Sprache: get first Schueler search argument (Ort= Mainz ) while status=0 do begin print (Name); print (Vorname) get next Schueler search argument (Ort= Mainz ) end Unterschied zwischen deskriptiven und prozeduralen Sprachen 2-7

8 Datenbanksysteme Datenmodellierung Wiederholungsfragen 1. Nennen Sie die Bestandteile eines relationalen Datenbanksystems. 2. Welche Arten von Datenobjekten können in Tabellen zusammengefasst werden? 3. Welche Informationen stehen in den Tabellenzeilen? 4. Welche Informationen stehen in den Tabellenspalten? 5. Unterscheiden sie die Begriffe Tupel, Attribut, und Attributwert. Tupel: Attribut: Attributwert: 6. Was versteht man unter dem Begriff Primärschlüssel? 7. Welche Schlüsseleigenschaften sollte jeder Primärschlüssel besitzen? 8. Was versteht man unter Prozessdaten? 9. Überlegen Sie, warum Prozessdaten nicht in Tabellen aufgenommen werden sollen. 2-8

9 Datenmodellierung Datenbanksysteme 10. Was versteht man unter dem Begriff Fremdschlüssel? 11. Wie wird eine Beziehung zwischen zwei Tabellen hergestellt? 12. Erläutern Sie die Begriffe Mastertabelle und Detailtabelle. 13. Welche Vorteile ergeben sich durch die Möglichkeit der Verknüpfung? 14. Was versteht man unter Redundanz? 15. Warum werden Redundanzen in der Datenbanklehre im allgemeinen negativ bewertet? 16. Welche drei Beziehungstypen können unterschieden werden? 17. Erläutern Sie die drei Beziehungstypen. a) b) c) 2-9

10 Datenbanksysteme Datenmodellierung 18. Welcher Beziehungstyp läßt sich in relationalen Datenbanksystemen nicht unmittelbar realisieren? 19. Was versteht man unter referentieller Integrität? 20. Wer oder was gewährleistet die referentielle Integrität? 21. Worin besteht das wesentliche Merkmal einer deskriptiven Sprache? 22. Erläutern Sie die Begriffe SQL und QbE. 23. Worin bestehen die Vorteile von SQL gegenüber QbE? 24. Worin bestehen die Vorteile von QbE gegenüber SQL? 25. Inwieweit stellen prozedurale Sprachen bei Datenbankanwendungen hohe Anforderungen an Programmiererinnen und Programmierer? 2-10