Einführung Relationales-Modell - Fakultät für Mathematik und

Logischer Entwurf von
Datenbanken
Relationales Datenbankschema
Wintersemester 16/17
DBIS
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Typischer Datenbankentwurf
Anforderungsanalyse
und -spezifikation
Miniwelt
Konzeptioneller
Entwurf
E/R-Diagramm
Logischer
Entwurf
Relationales DBSchema
Datendefinition
Durch Wahl eines
Produkts
SQL-Anweisungen gemäß SQLDialekt des gewählten DBMS
(Übung: DB2)
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Alternative: UML-Diagramm
Alternativen:
Bachman-Diagramm (NetzwerkDB-Modell)
Hierarchisches DB-Schema
(Hierarchisches DB-Modell)
Alternativen:
Wahl eines anderen RDBMS
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Inhalt des Kapitels
• Vorbemerkung
• Ausgangslage, Entwicklungsziele,
• Historie
• Begriffe und Eigenschaften
• Relationen und Tabellen
• Relationsschema
• Schlüssel, Integrität
• Relationale Abbildung des E/R-Modells
• Beziehungstypen
• Nichtatomare Attribute
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Ausgangslage (1960er Jahre)
• Datenbanksysteme "weit entfernt" vom gelegentlichen Endbenutzer
• Datenbank nur aus Anwendungsprogramm heraus ansprechbar, dazu sind
Programmierkenntnisse erforderlich
• Datenbanksprache (DL/1, CODASYL) schwer zu erlernen
• GET UNIQUE, GET NEXT, GET NEXT WITHIN PARENT
• Datenbanksystem nur für kleinen Kreis von Spezialisten
zugänglich, dadurch "Entwicklungsstau"
• Komplizierter Umgang mit Datenbanksystem führt zu Fehlern
• Datenbank wird inkonsistent, DBMS kann dies nicht feststellen
• Fatal vor allem bei kritischen Anwendungen (z.B. Prozessteuerung in der Industrie,
Finanzbereich)
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Entwicklungsziele Relationales Modell
• Einfaches Datenmodell mit mathematisch fundierter Grundlage
• Einfache Datenbanksprache (auch für Ad-hoc-Anfragen) mit mathematisch
fundierter Grundlage
• Verhalten von Datenbanksprachanweisungen (Semantik) ist wohldefiniert auf
mathematischer Grundlage
• Benutzer beschreibt nur noch, was er haben möchte (lesen, einfügen, ändern, löschen),
das wie überlässt er dem DBS
• Überwachung von Konsistenz/Integrität möglichst weitgehend durch das DBMS
und nicht durch den Benutzer
• Semantik der Daten muss dem DBMS offengelegt werden, sodass automatische
Überprüfungen möglich sind
• Deskriptive Anfragen anstatt Navigation
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Ergebnisse der Entwicklung
• Datenmodell leichter zu verstehen, Datenbanksprache leichter zu
erlernen (breiterer Benutzerkreis, weniger Entwicklungsstau)
• Datenbankzugriffe auch ad-hoc möglich, nicht zwingend per
Anwendung
• Inkonsistente Datenbanken unwahrscheinlicher
• Ineffizienter Datenbankzugriff unwahrscheinlicher
• DBMS ist für das „wie“ des Datenzugriffs verantwortlich
• Optimale Ausführungsstrategie wählbar (Zugriffsplan, Optimizer)
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Entwicklungsweg relationaler DBMS
• Erste Prototypen ab Mitte der 1970er
System R (IBM, später DB2), Ingres (Univ. of
California)
• Erste Produkte ab Ende der 1970er
SQL/DS, DB2, Ingres, Oracle
• Stärkere Verbreitung in der Praxis ab Mitte der 1980er
und 1990er
Informix, Sybase, MS SQL Server, MySQL
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Eigenschaften
• Wenige, einfache und mathematisch fundierte Konzepte und Begriffe
• Beschreibung ausschließlich logischer Aspekte (konzeptuelles Schema),
physische Aspekte (internes Schema) nicht Gegenstand des Modells
• Modellierung in Form von Relationen, Grundlage zur Darstellung der
Daten sowie der Datenabfrage und -Manipulation
• Grundlegende Begriffe:
• Relation
• Relationsschema
• Datenbankschema
• Schlüssel
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Definition „Relation“
• Gegeben seien Wertebereiche/Domänen D1, D2, ..., Dn
• Eine Relation R ist eine Teilmenge des kartesischen
Produkts der Domänen D1, D2, ..., Dn
• R  D1 × D2 × ... × Dn (n1)
• n = Stelligkeit (Grad) der Relation
• Element r = (d1, d2, ..., dn) mit diєDi wird als Tupel von R
bezeichnet, di als die i-te Komponente des Tupels
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Darstellung der Relation
• Relationen können als Tabellen dargestellt / aufgefasst werden
• Ein Tupel entspricht der Tabellenzeile
• Die Komponente des Tupels entspricht dem Wert in
Tabellenspalte
Relation R
D1
D2
...
Dn
d1
d2
...
dn
 Tupel
...
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Ein einfaches Beispiel
• Domänen: D1 = {rot, blau, grün}, D2 = {0,1}
• Kartesisches Produkt: D1 × D2 = {(rot,0), (rot,1), (blau,0), (blau,1),
(grün,0), (grün,1)}
• Mögliche 2-stellige Relationen:
• R1 = {(rot,0), (grün,1)}
rot
0
grün
1
rot
0
• R2 = { }
• R3 = {(rot,0)}
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Definition „Relationsschema“
• Bisher wurden Relationen (Mengen von Tupeln) betrachtet
• Aus Datenbanksicht ist aber auch das zugehörige Schema von
Interesse, das einen Relationstyp beschreibt
 Abstraktion von konkreter Relation zum Relationstyp
• Relationsschema besteht aus
• Schemaname
• Menge von Domänen(namen) D1, D2, ..., Dn
• Menge von Attributnamen A1, A2, ..., An (Tabellenspalten mit aiєDi)
• Zusätzlichen Integritätsbedingungen
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Ein Beispiel in Textform
• Eine Farbtabelle (wie vorhin)
• Schemaname: FarbTabelle,
• kurz: FarbTabelle(Farbe, Wert)
• Domänen: D1 = {rot, blau, grün}, D2 = {0,1}
• Attributnamen: Farbe (D1), Wert (D2)
• Integritätsbedingung: Farbe rot darf nicht mit Wert 1 ein Tupel
bilden
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Ein Beispiel in Tabellenform
• Relationsschema Angest (Name, Beruf, Wohnort, GebJahr)
• Domänen/Integritätsbedingungen hier nicht aufgeführt
• Darstellung von Schema + Daten
• Schemaname: Angest
• Attributnamen: Name, Beruf, Wohnort, GebJahr
Attributname
Schemaname
Angest
Tupel
(Darstellung als
Tabellenzeilen)
Name
Müller
Meier
Schulze
Beruf
Schreiner
Schmied
Bergmann
Wohnort
GebJahr
Schema
Jena
Jena
Seiffen
1960
1958
1935
Daten,
konkrete
Relation
Attributwert
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Definition „Datenbankschema“
• Datenbankschema = Menge von Relationsschemata
(mit verschiedenen Schemanamen) und zugehörigen
Integritätsbedingungen (relationsschemaübergreifend)
• Keine strikte Unterscheidung zwischen
Relationsschema und Relation: Wenn von „Relation“
die Rede ist, wird meist darunter auch das Schema
subsumiert (d.h. Daten + Schema oder auch nur
Schema)
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Definition „1. Normalform“
• Eine Relation ist in 1. Normalform, wenn jedes Attribut aufgrund der
Schemadefinition nur atomare Wertebereich hat.
• Mengenwertige, strukturierte und geschachtelte Attribute sind verboten
• Entscheidung abhängig vom Anwendungskontext
• Beispiel: Attribut "Adresse" (PLZ, Ort, Strasse, Nr) in 4 Attribute splitten
• Das relationale Modell verlangt Modellierung in 1. Normalform
• Typische Datentypen für atomare Attribute: Integer, Real, Decimal,
Char, String, Boolean
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Weitere Normalformen
• 2. Normalform:
Die 1.NF ist erfüllt und jedes Nicht- Schlüsselattribut ist
funktional voll abhängig vom Primärschlüsselattribut
• 3. Normalform:
Die 2.NF ist erfüllt und es gibt kein Nicht-
Schlüsselattribut, das von einem anderen NichtSchlüsselattribut abhängig ist (transitive Abhängigkeit)
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Definition „Schlüssel“
• Relationen sind Mengen, es dürfen also in einer Relation keine
identischen Tupel auftauchen
• Relationenmodell verlangt daher für jede Relation einen Schlüssel
als identifizierende Attributkombination
• Minimalitätseigenschaft
• Wahl eines Primärschlüssels bei mehreren Schlüsselkandidaten
• Künstliche Schlüssel
Müller
Müller
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Schreiner
Schreiner
Jena
Jena
1960
1960
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Definition „Fremdschlüssel“
• Besitzt eine Attributkombination einer Relation R1 in einer
Relation R2 (Primär-)Schlüsseleigenschaft, kann sie in R1 als
Fremdschlüssel mit Bezug auf den (Primär-)Schlüssel in R2
bezeichnet werden
• Fremdschlüssel ist üblicherweise kein Schlüssel in R1!
• Fremdschlüssel als Definitionsmittel für referentielle Integrität, wobei
Werte als Verweise dienen (keine "Pointer")
• Namensidentität nicht zwingend, aber Kompatibilität der
Wertebereiche
• Relationen dürfen beliebig viele Fremdschlüssel haben
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Beispiel Fremdschlüssel
• R1 = Angest (PNR, Name, Beruf, Wohnort, GebJahr, ANR)
• R2 = Abteilung (ANR, AOrt, Mgr, Budget)
• "ANR" kann als Fremdschlüssel in der Relation "Angest"
bezüglich des Primärschlüssels "ANR" in "Abteilung" vereinbart
werden
• Bedeutung: Für "ANR" in "Angest" dürfen nur Werte auftreten, die
auch als ANR-Wert in "Abteilung" vorkommen
• Reine Lehre: Waisenkinder sind verboten, Einfügereihenfolge!
• SQL / Produkte: Möglichkeiten der Aufweichung (on update/delete ...)
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