Grundlagen der Datenbanksysteme I - Goethe-Universität

Grundlagen derDatenbanksysteme IWS 2007/2008Prof. Dott. Ing. Roberto ZicariJohann Wolfgang Goethe-UniversitätFrankfurt am MainFachbereich Informatik undMathematik

EinführungJohann Wolfgang Goethe-UniversitätFrankfurt am MainInstitut für Informatikim Fachbereich Informatik und Mathematik (12)Grundlagen der Datenbanksysteme IVeranstalter:Prof. Dott. Ing. Roberto ZicariZeit und Ort:Mi, 10 bis 12 Uhr im Hörsaal A (Hauptgebäude),Fr, 10 bis 12 Uhr im Hörsaal A (Hauptgebäude),Übung:Mi, 14 bis 16 Uhr im Seminarraum 612 (Robert-Mayer-Straße 10),Achtung: Auf etwaige Änderungen wird jeweils inder Vorlesung und auf den Web Seitenhingewiesen.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-1

EinführungMitarbeiterDr. Karsten Tolle Raum 505(Robert-Mayer-Straße 10, 5. Stock)Natascha Hoebel Raum 504(Robert-Mayer-Straße 10, 5. Stock)Clemens Schefels Raum 503(Robert-Mayer-Straße 10, 5. Stock)DBIS Homepagehttp://www.dbis.informatik.uni-frankfurt.deGrundlagen der Datenbanksysteme I I-2

EinführungScheinerwerb durch schriftliche PrüfungTermin:Am Anfang der vorlesungsfreien ZeitBearbeitungszeit ca. 180 MinutenGrundlagen der Datenbanksysteme I I-3

EinführungWeitere Veranstaltung im WS 07/08Grundlagen der Programmierung (PRG-PR)(Praktikum)Veranstalter:Apl. Prof. Dr. Rüdiger Brause,Prof. Dr. Oswald Drobnik,Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker,Prof. Dott. Ing. Roberto Zicari,Zeit und Ort:Mi, 14 bis 16 Uhr im Magnus Hörsaal (Robert-Mayer-Straße 11-15),Im Internet:http://www.tm.informatik.uni-frankfurt.de/Plone/Lehre/14_WiSe07/prakt_gpGrundlagen der Datenbanksysteme I I-4

EinführungLiteraturEntity-Relationship-Modell:Batini, Ceri, Navathe, ‘Conceptual DatabaseDesign’, The Benjamin/Cummings Pub., 1992ISBN 0-8053-0244-1Theorie:J. Ullman, ‘Principles of Database Systems’, 2ded., Computer Science Press, 1982ISBN 0-7167-8069-0Transaktionen:Bernstein, Hadzilacos, Goodman, 'ConcurrencyControl and Recovery in Database Systems',Addison-Wesley, 1987ISBN 0-201-10715-5Grundlagen der Datenbanksysteme I I-5

EinführungWeitere empfehlenswerte Literatur:A. Kemper, A. Eickler: 'Datenbanksysteme - EineEinführung', 6. Auflage Oldenburg Verlag, 2006A. Silberschatz, Henry F. Korth und S. Sudarshan,‘Database System Concepts’, 3d ed., McGraw-Hill,ISBN 0-07-114810-8Ramez Elmasri und Shamkant B. Navathe,'Grundlagen von Datenbanksystemen', PearsonStudium, 2002Gottfried Vossen, 'Datenbankmodelle,Datenbanksprachen, Datenbankmanagement-Systeme', Oldenbourg, 2000Grundlagen der Datenbanksysteme I I-6

EinführungInhalt• Einführung• Konzeptuelles Design• Entity-Relationship-Model (ER)• Relationales Datenmodell• Relationale Algebra• SQL• Logische Optimierung• Normalformen• TransaktionenGrundlagen der Datenbanksysteme I I-7

EinführungEinführungKernaufgaben von Datenbanksystemen ist dieSpeicherung und Verwaltung von großenDatenbeständen.Wichtig für diese Kernaufgabe sind:• Angebotene BenutzerschnittstellenWie greife ich auf die gespeicherten Daten zu?Wie kann ich gespeicherte Daten ändern?• Organisation der DatenWie effizient ist die Speicherorganisation derDaten?Grundlagen der Datenbanksysteme I I-8

EinführungBeispiel 1: Flug-ReservierungssystemDaten die gespeichert werden müssen:• Reservierungen einzelner Kunden aufeinzelnen Flügen, inklusive Sitzplatzvorliebenund Essenswünsche• Informationen über die Flüge (Start- undZielflughäfen, Abflugzeiten, Ankunftszeiten,Flugzeugtyp, Fluggesellschaft, ...)• Informationen über Ticketpreise,Voraussetzungen und VerfügbarkeitGrundlagen der Datenbanksysteme I I-9

EinführungAnforderungen (Flug-Reservierungssystem)• Anfragen nach Flügen zu gewissen Zeitenzwischen gegebenen Flughäfen• Die Buchung einzelner Flüge, festlegen vonSitzplätzen und Vormerkung vonEssenswünschen• Gleichzeitiger Zugang und Bearbeitung deraktuellen Daten durch verschiedeneReisebürosGrundlagen der Datenbanksysteme I I-10

EinführungBeispiel 2: BankEine Bank benötigt Daten über:• Die Kunden(Namen, Anschrift, Alter, ...)• Das Personal(Name, Anschrift, Tätigkeit, Gehalt, ...)• Die Konten(Kontonummer, Buchungen, Stand, ...)• Die Zuordnung von Kunden und Konten... und vieles mehr!Grundlagen der Datenbanksysteme I I-11

EinführungVerschiedene Anwendungen müssen aufdie Bank-Daten zugreifen und sie ändernkönnen:1. Ein Geldautomat muss von KontenAbbuchungen vornehmen.2. Ein Überweisungsterminal mussAbbuchungen und auch Zugänge verarbeitenkönnen.3. Ein Bankangestellter muss neue Kundenund Konten anlegen können.4. Ein Kontoauszugsdrucker muss denKontostand und die Buchungen auslesenkönnen.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-12

EinführungAnforderungen an einen Geldautomaten:Wird an einem Automaten Geld ausbezahlt,muss dies unverzüglich vermerkt werden. Auchnach einem sofortigen Stromausfall darf einesolche Information nicht verloren gehen. Auf deranderen Seite darf diese Information nur dannvermerkt werden, wenn das Geld auch wirklichausbezahlt wurde.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-13

EinführungWarum ein Datenbanksystem?Als es noch kein Datenbanksystem gab wurdendie Daten für jede Anwendung in separaten Filespermanent gespeichert (Einzellösung).Anwendung 1Anwendung 2Anwendung 3ElementareZugriffsoperationenElementareZugriffsoperationenElementareZugriffsoperationenDaten(Files)Daten(Files)Daten(Files)Grundlagen der Datenbanksysteme I I-14

EinführungNachteile und Probleme dieser Einzellösung (2)• Beschränkte ZugriffsmöglichkeitenKeine Ad-hoc-Abfrage, keine Abfragesprache.Beispiel:Angenommen ein Bankangestellter benötigt dieNamen aller Kunden, die in Frankfurt wohnen.Der Bankangestellte kann nun entweder manuellversuchen die Namen aus dem entsprechendenFile herauszusuchen oder einen Programmiererbeauftragen ein entsprechendes Programm zuschreiben.Sollte sich die Fragestellung nur leicht ändern,z.B. nur die Namen mit einem Kontostand über10.000 €, besteht das gleich Problem jedochwieder.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-16

EinführungNachteile und Probleme dieser Einzellösung (3)• Probleme des Mehrbenutzerbetriebs(Concurrency)Keine Überwachung gleichzeitiger Zugriffe.Beispiel:Um die Geschwindigkeit zu steigern, erlaubenviele Systeme, insbesondere Banksysteme mitvielen Benutzern, den Mehrbenutzerbetrieb.Mehrere Benutzer arbeiten also gleichzeitig aufund mit den Daten.Falls gleichzeitig zwei Benutzer von demgleichen Konto (A mit 500 €) abheben möchten(z.B. 100 € und 50 €), so kann es sein, dass derKontostand hinterher nicht stimmt. In diesem Fallkönnte Konto A hinterher 400 € oder 450 €aufweisen, anstelle der korrekten 350 €.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-17

Einführung15:00 UhrKonto A 500 €B := read(A);B := B – 50;15:0115:02 B := read(A);write(A, B);15:0315:04Konto A 400 €B := B – 100;write(A, B);ZeitGrundlagen der Datenbanksysteme I I-18

EinführungNachteile und Probleme dieser Einzellösung (4)• IntegritätsverletzungenErzwingen von Integritätsbedingungen istschwierig.Beispiel:Bei Konten möchte man den Kreditrahmen gernebegrenzen. Eine Bedingung wie ‚Kontostand darfnicht negativ werden’ ist mit Files nur sehrschwierig bzw. aufwendig zu realisieren.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-19

EinführungNachteile und Probleme dieser Einzellösung (5)• SicherheitsproblemeNicht alle Benutzer sollten die gleichenZugriffsmöglichkeiten auf die gespeichertenDaten haben.Beispiel:Ein Bankangestellter zuständig für die Gehaltsabrechnungensollte keine Einsicht in dieKundenkonten und Kundendaten haben. Bei derEinbindung neuer Anwendungen müssen dieseSicherheitsüberprüfungen jeweils wiederüberprüft und entsprechend implementiertwerden.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-20

EinführungDatenbanksystemeDatenbanksysteme (DBS) wurden entwickelt(seit ca. 1975), um diese Probleme zuüberwinden. Ein Datenbanksystem sollte daherfolgende Funktionalitäten bieten:• Dauerhafte Speicherung von großenDatenbeständen• Zugriffsmöglichkeit durch verschiedeneBenutzer und Anwendungen, ohneinkonsistente Zustände zu erhalten• Bereitstellung einer Anfragesprache zumeinfachen Umgang mit der Datenbank• Überwachung von Integritätsbedingungen• Sicherheit gegenüber Hard- und Softwareausfällen (backup and recovery)• Sicherheit gegenüber nicht autorisiertenDatenzugriffen (views)• ... und natürlich effizient, möglichst schnellunter Benutzung weniger RessourcenGrundlagen der Datenbanksysteme I I-21

EinführungAnwendung 1Anwendung 2Anwendung 3ElementareZugriffsoperationenElementareZugriffsoperationenElementareZugriffsoperationenDatenbank-Managementsystem(DBMS)DBSDatenbank(DB)Kernidee: eine zentrale Datenverwaltung /DatenhaltungGrundlagen der Datenbanksysteme I I-22

EinführungFolgerungDiese Kernidee des DBS bedarf einer neuenVorgehensweise:• Erst Design der benötigten Datenstrukturen• Danach können die Anwendungen auf dengeteilten Daten (shared data) entwickelt undangewendet werdenGegenüber vorher (Einzellösungen):• Entwicklung von Anwendung 1 mit benötigtenDaten• Entwicklung von Anwendung 2 mit benötigtenDaten...Grundlagen der Datenbanksysteme I I-23

EinführungDatenabstraktion (Data Abstraction)Sehr grob unterscheidet man dreiAbstraktionsebenen in einem Datenbanksystem:• Die physische Ebene (physical level)Auf dieser Ebene ist beschrieben, wie dieDaten auf dem Sekundärspeicher abgelegtsind.• Die logische/konzeptionelle Ebene(conceptual level)Auf dieser Ebene wird mittels eines Datenbankschemasfestgelegt, welche Datenabgespeichert sind.• Die Sichten (view level)In den Sichten werden Teilmengen der Datendargestellt. Die Sichten sind auf dieBedürfnisse der Benutzer zugeschnitten.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-24

EinführungSicht 1Sicht 2.....Sicht nlogische Ebenephysikalische EbeneDie drei Abstraktionsebenen einesDatenbanksystems.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-25

EinführungDie verschiedenen Ebenen können analog zuden Konzepten in Programmiersprachen verdeutlichtwerden. Ein Kunde könnte in Modula 2z.B. wie folgt deklariert werden:TYPE Kunde = RECORDName: String;Strasse: String;Ort: String;END;Der Record Kunde hat hier drei Felder. JedemFeld werden ein Name und ein Typezugewiesen.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-26

EinführungAuf der physikalischen Ebene kann dieSpeicherung eines Kunden als Block (von Wordsoder Bytes) im Speicher beschrieben werden.Die konzeptionelle Ebene beschreibt die TypeDeklaration wie oben beschrieben und dieBeziehungen zwischen einzelnen Typen.Die einzelnen Sichten schließlich zeigen nurTeile der vorhandenen Daten. Ein Kassierer amBankschalter zum Beispiel sieht nur die für ihnrelevanten Daten und nicht auchGehaltsinformationen von Kollegen.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-27

EinführungDatenunabhängigkeit (DataIndependence)Die Möglichkeit eine dieser Ebenen zu ändern,ohne dabei Auswirkungen auf die anderenEbenen zu haben wird als Datenunabhängigkeitbezeichnet. Es wird dabei wie folgtunterschieden:• Physische Datenunabhängigkeit = Stabilitätder Benutzerschnittstelle gegen Änderungender Datenorganisation (z.B. Datendarstellung,Feldlänge, Satzformate, Zugriffspfade), d.h.nach Änderungen auf der physikalischenEbene müssen die Anwendungen nichtumgeschrieben werden.• Logische Datenunabhängigkeit = Stabilitätgegen Änderungen in der logischen Ebene(z.B. die Einführung neuer oder abgeleiteterMerkmale wie Ausbildung bzw. Alter fürKunden)Grundlagen der Datenbanksysteme I I-28

EinführungBemerkungen:Das Erreichen der logischen Datenunabhängigkeitist deutlich schwerer, da Anwendungenstark auf den logischen Strukturen derbenötigten Daten aufbauen.Die Idee der Datenunabhängigkeit istvergleichbar mit der Idee der abstraktenDatentypen in modernen Programmiersprachen.Mit beiden Ideen soll ein Information Hidingerreicht werden, damit Anwender sich mehr aufdas eigentliche Problem konzentrieren können,anstatt sich mit den genauen Implementierungsdetailszu beschäftigen.Grundlagen der Datenbanksysteme I I-29