Kapitel 1: Einführung - DBS

Kapitel 1
Einführung
Folien zum Datenbankpraktikum
Wintersemester 2009/10 LMU München
© 2008 Thomas Bernecker, Tobias Emrich
unter Verwendung der Folien des Datenbankpraktikums aus dem Wintersemester 2007/08 von Dr. Matthias Schubert
1 Einführung
Üb
Übersicht
i h
1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum
1 2 Datenbank-Design
1.2
1.3 ER-Modell und relationales Modell
1.4 Datendefinition in SQL
15 D
1.5
Data
t Dictionary
Di ti
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2
1 Einführung
O
Oracle:
l Objekt-Relationales
Obj kt R l ti
l Datenbanksystem
D t b k
t
(V i 10
(Version
10g))
Client-Server-Architektur
o DBMS läuft auf einem dedizierten Serverrechner (flores.dbs.ifi.lmu.de)
o Anwendungsprogramme laufen auf Client-Rechner (Linux, Solaris, Windows)
o Kommunikation über Netzwerk für den Benutzer transparent
o Viele Anwender greifen gleichzeitig auf die Datenbank zu
(Transaktionsschutz)
o Verteilte Datenbank möglich
Zugriff auf die Datenbank über ...
o Anfragesprache SQL
o Prozedurale Erweiterung PL/SQL (Oracle-spezifisch)
Q in den Hostsprachen
p
C und Java ((auch als Server Stored Procedures))
o SQL
o 4 GL-Tools (Fourth-Generation Languages) wie beispielsweise Report- oder
Masken-Generator
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3
1 Einführung
Üb
Übersicht
i h
1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum
1 2 Datenbank-Design
1.2
1.3 ER-Modell und relationales Modell
1.4 Datendefinition in SQL
15 D
1.5
Data
t Dictionary
Di ti
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4
1 Einführung
Datenbanksystem
D
t b k
t
(DBS) System
(DBS):
S t
zur Beschreibung,
B
h ib
S
Speicherung
i h
und
d
Wiedergewinnung umfangreicher Datenmengen, die von verschiedenen
Anwendungsprogrammen benutzt werden.
Ein DBS besteht aus:
o Datenbank: “Sammlung aller gespeicherten Daten” (Skript)
•
•
•
Es existiert ein Ziel des Entwurfs und eine Vorstellung über die Nutzung
Daten, die einen Ausschnitt der umliegenden Welt beschreiben
Es existieren logische Zusammenhänge zwischen den Daten in einer DB
o Datenbank-Management-System
•
Programmsystem,
g
y
, das die DB verwaltet,, fortschreibt und Zugriffe
g
darauf regelt
g
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5
1 Einführung
Ab t kti
Abstraktionsebenen
b
eines
i
D t b k
Datenbanksystems:
t
Externe Sicht
•
•
Views
Ausschnitte aus dem
konzeptionellen Schema
Benutzergruppe 1
Externe
Sicht 1
…
Benutzergruppe n
Externe
Sicht n
Konzeptionelle Sicht
•
•
einheitliche Darstellung aller
Daten
DBS bietet dazu Datenmodell
mitit entsprechender
t
h d DDL
Konzeptionelle (logische)
Datenbank
Interne Sicht
•
•
Implementierung der konzep. DB
Dateien, Zugriffspfade, etc.
Physische Datenbank
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6
1 Einführung
A ät für
Ansätze
fü das
d Datenbank-Design
D t b kD i
o Daten-orientiert: Die Entwicklung der Datenbank orientiert sich an den Daten,
die im Fokus der Anwendungen stehen
stehen.
o Funktions-orientiert: Die Entwicklung der Datenbank orientiert sich an den
Funktionen (Anwendungen), die von dem Datenbanksystem unterstützt
werden sollen.
o Objekt-orientiert: Die Entwicklung der Datenbank orientiert sich an der Menge
der interagierenden Objekte, die in dem zu modellierenden Ausschnitt der
realen Welt auftreten. Objekte vereinen datenspezifische Eigenschaften und
funktionsspezifisches Verhalten.
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7
1 Einführung
E t t h
Entstehungszyklus
kl
Anforderungsanalyse
Konzeptioneller Entwurf
Logischer Entwurf
Feedback
Physikalischer Entwurf
Wartung, Modifikation, Erweiterung
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8
1 Einführung
A f d
Anforderungsanalyse
l
o Analyse und Spezifikation von
•
•
•
Daten
Datenbeziehungen
Transaktionen (Funktionen auf den Daten, die von den Applikationen benötigt werden)
o Randbedingungen
•
•
•
•
Leistungsanforderungen (Antwortzeiten etc.)
Sicherheit
HW/SW Plattformen
HW/SW-Plattformen
Anwendungsrichtlinien
o Ansätze
•
•
Knowledge Acquisition Design: Der DB-Experte interviewt die zukünftigen Anwender und versucht
deren Anforderungen festzustellen.
festzustellen
Participatory Design: Der DB-Experte und der zukünftige Anwender entwickeln das Design als
Team.
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9
1 Einführung
K
Konzeptioneller
ti
ll Entwurf
E t
f
o Basierend auf der Anforderungsanalyse werden die essentiellen Konzepte
extrahiert und in einem konzeptionellen Datenmodell (DB
(DB-Schema)
Schema)
beschrieben.
o Entity
Entity-Relationship
Relationship Modell
•
•
Formale Beschreibung der Datenobjekte und ihrer Beziehungen
Integration verschiedener Sichten
o Beschreibung der Transaktionen (Eingabe, Änderung,
Ä
...)
o Festlegung von Integritätsbedingungen für die Daten und für die
Transaktionen
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10
1 Einführung
L i h Entwurf
Logischer
E t
f
o Ausgehend vom DB-Schema (z.B. ER-Modell) wird ein DBS-spezifisches
Datenmodell (z.B.
(z B Relationales Datenmodell) entwickelt
entwickelt.
o Wichtige Schritte bei der Transformation des DB-Schemas in das Datemodell:
•
•
•
•
•
Normalisierung
N
li i
und
d Denormalisierung
D
li i
Primärschlüssel festlegen
Formulierung von Integritätsbedingungen und Transaktionen in DBS-spezifischem Datenmodell
(relationale Anfragen,
Anfragen rel.
rel Algebra etc
etc.))
View-Definitionen (externe Sichten)
Zugriffsrechte
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11
1 Einführung
Ph ik li h Entwurf
Physikalischer
E t
f (Umsetzung
(U
t
des
d Datenmodells)
D t
d ll )
o konkrete Domäne für Attribute, z.B. CHAR(30), VARCHAR(20), NUMBER(4),
NUMBER(7 2) DATE,
NUMBER(7,2),
DATE …
o Erzeugen der Relationen und evtl. Laden mit vorhandenen Daten
o Einrichten
Ei i ht von Vi
Views, B
Benutzern,
t
Z
Zugriffsrechten
iff
ht
o Eingabe der Integritätsbedingungen (Anfragen, Prüfprogramme, ...)
o Definition geeigneter Indexe
Wartung, Modifikation und Erweiterung
o Arbeiten mit der Datenbank,, Beseitigung
g g von Fehlern
o Erweiterung, Erstellen von Anwendungsprogrammen
o Re
Re-Engineering
Engineering, Integration
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1 Einführung
Üb
Übersicht
i h
1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum
1 2 Datenbank-Design
1.2
1.3 ER-Modell und relationales Modell
1.4 Datendefinition in SQL
15 D
1.5
Data
t Dictionary
Di ti
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13
1 Einführung
Das ER-Modell beschreibt einen Ausschnitt der realen Welt durch:
Set
Instanz
Entity
Relationship
Attribut
Menge
gleichartiger
Obj kt
Objekte
Beziehungsmöglichkeit
Merkmal,
Eigenschaft
bestimmtes
Objektt
Obje
Konkrete Beziehung
zwischen zwei
Objekten
Eigenschaft
eines
e
es Obje
Objekts
ts
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14
1 Einführung
K di lität von Relationships:
Kardinalität
R l ti
hi
1:1-Beziehung (“one-to-one”):
1:1
1:n-Beziehung (“one-to-many”):
1:n
n:m-Beziehung (“many-to-many”):
( many-to-many ):
n:m
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15
1 Einführung
E
Erweiterung:
it
ISA B i h
ISA-Beziehungen
Beispiel:
Name
Angestellter
Gehalt
i
is_a
Dienstwagen
Semantik dieser ISA-Beziehung:
Der Manager erbt alle Attribute
Und Beziehungen vom Angestellten,
auch den Schlüssel
Schlüssel.
Manager
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16
1 Einführung
B i i l
Beispiel:
Abteilung
Lieferant
angestellt
liefert
arbeitet an
Angestellter
Projekt
verwendet
Teil
leitet
is_a
elektronisches
Teil
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mechanisches
Teil
17
1 Einführung
M d lli
Modellierungsentscheidungen
t h id
1. Attribut oder Entity?
2. Attribut zu welchem Entity?
3. Schlüsselattribute?
4. Entity oder Relationship?
5. Relationships nur zwischen zwei Entities?
6. Attribut oder Relationship?
7. Einsatz von ISA-Beziehungen?
ISA Beziehungen?
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1 Einführung
1 Attribut
1.
Att ib t oder
d Entity?
E tit ?
Di
Dienstwagen
t
K
Kennzeichen
i h
ODER
Manager
Manager
fährt
Dienstwagen
Kriterien:
•
Ist das Attribut ein atomarer Wert oder aus mehreren Werten
zusammengesetzt?
•
Kann der Wert des Attributs fehlen?
•
Kann das Attribut mehrere Werte gleichzeitig annehmen?
•
g ((bzgl.
g der Korrektheit des Wertes)?
)
Ist die Domäne des Attributs wichtig
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19
1 Einführung
2 Att
2.
Attribut
ib t zu welchem
l h
E tit ?
Entity?
Telefon
Person
Telefon
ODER
Raum
Kriterien:
•
Natürlichkeit,
•
Änderungsfreundlichkeit
3 Schlüssel-Attribute
3.
Schlüssel Attribute
•
Dürfen auch mehrere sein (zusammengesetzter Schlüssel)
•
Künstliche IDs (Surrogate) nur dann einsetzen, wenn es keinen konstanten
Schlüssel innerhalb des Entity-Typs gibt oder der Schlüssel aus sehr vielen
g
wäre
Attributen zusammengesetzt
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20
1 Einführung
4 E
4.
Entity
tit oder
d Relationship?
R l ti
hi ?
Kunde
bestellt
Anzahl
Artikel
Lieferdatum
ODER
Kunde
bestellt
Artikel
Kriterien:
•
B i h
Beziehung
b
benötigt
öti t S
Schlüsselattribute
hlü
l tt ib t → modelliere
d lli
E tit
Entity
•
Beziehung hat viele Attribute → modelliere Entity
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21
1 Einführung
5 Relationships
5.
R l ti
hi nur zwischen
i h zweii Entities?
E titi ?
unär:
binär:
ternär:
Bauteil
besteht aus
M
Manager
arbeitet
b it t in
i
Arbeiter
Fi
Firma
Maschine
(selten, meist
schlechte
Modellierung)
Auftrag
g
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22
1 Einführung
6 Attribut
6.
Att ib t oder
d Relationship?
R l ti
hi ?
linker Nachbar
Schlechte Modellierung im ER-Modell:
Fremdschlüssel vermeiden
Person
rechter Nachbar
Person
Person
ist
Nachbar
von
besser als Relationship modelliert
Aus anderen Attributen berechenbar
(hier: Nachbarschaft über
Raumnummer):
keine Relationship verwenden
Raumnummer
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23
1 Einführung
7 Einsatz
7.
Ei
t von ISA-Beziehungen?
ISA B i h
?
Name
Person
Alter
is_a
Hauptfach
Student
Professor
hält
Vorlesung
Kriterien:
•
Hat die Oberklasse gemeinsame Beziehungen / Attribute
•
H b di
Haben
die Untersklassen
U t kl
unterschiedliche
t
hi dli h B
Beziehungen
i h
/ Att
Attribute
ib t
•
Ist modellierte Information nützlich für die Applikation
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1 Einführung
Üb
Übersicht
i h
1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum
1 2 Datenbank-Design
1.2
1.3 ER-Modell und relationales Modell
1.4 Datendefinition in SQL
15 D
1.5
Data
t Dictionary
Di ti
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2 SQL und PL/SQL
D B
Der
Befehl
f hl CREATE TABLE (teilweise)
(t il i ) iin O
Oracle
l SQL
CREATE TABLE
table
schema.
,
(
column
l
d t t
datatype
)
[DEFAULT expr]
[column_constraint]
table constraint
table_constraint
AS subquery
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26
2 SQL und PL/SQL
table constraint ::=
table_constraint
::
CONSTRAINT constraint
,
UNIQUE
(
column
)
PRIMARY KEY
,
FOREIGN KEY (
column
) REFERENCES table
,
(
column
)
CHECK (condition)
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27
1 Einführung
D t t
Datentypen
iin ORACLE (auszugsweise)
(
i )
Datatype
Description
CHAR(size)
Fixed length character date of length size.
Maximum size is 255.
VARCHAR2(size)
Variable length character string having maximum
length size bytes. Maximum size is 4000.
NUMBER(p,
(
s)
)
N b h
Number
having
i precision
i i p and
d scale
l s.
LONG
Character data of variable length up to 2 gigabytes.
DATE
Valid
V
lid d
dates
t range ffrom JJanuary 1
1, 4712 BC tto
December 31, 4712 AD.
(s e)
RAW(size)
Raw binary data of length size bytes. Maximum size
is 2000.
LONG RAW
Raw binary data of variable length up to 2
gigabytes.
BLOB
A binary large object. Maximum size is 4 gigabytes.
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1 Einführung
R l ti
Relationales
l Modell
M d ll (Wiederholung)
(Wi d h l
)
o Einziger Grundbaustein: Relation (Tabelle)
•
•
•
•
wird beschrieben durch Relationenschema: R(A1 : D1, ... , Ak : Dk)
Attribut Ai : Spalte, Name eindeutig
Domäne Di : Wertebereich, Datentyp des Attributs
Tupel: Zeile, Element einer Relation
o Relationales Datenbankschema: Menge aller Relationenschemata
o R
Relationale
l ti
l D
Datenbank:
t b k
Menge aller Relationen = Relationales DB-Schema + Werte
o Relationen sind Mengen
•
•
keine Duplikate
Reihenfolge der Tupel belanglos
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1 Einführung
T
Transformation
f
ti ER - Relationales
R l ti
l Modell
M d ll
o Bezeichnungen umwandeln
•
•
ER: freie Bezeichnungen und Beschreibung
SQL: feste Notation (Namensgebung) z.B. bezügl. Sonderzeichen, Schlüsselwörter
o Datentypen für Attribute festlegen
•
•
ER: frei
SQL atomare
SQL:
t
D t t
Datentypen
(O l
(Oracle-spezifisch)
ifi h)
CHAR, VARCHAR2, NUMBER, LONG, DATE, RAW, LONGRAW, ...
Auswahl des Datentyps abhängig von den Operationen, die ausgeführt werden sollen.
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30
1 Einführung
T
Transformation
f
ti von Entities
E titi
CREATE TABLE land (
name varchar2(25) NOT NULL,
Fläche
flaeche number(10,2),
number(10 2)
kfz_kennz char(4) NOT NULL,
CONSTRAINT pk_name
KFZKennzeichen
Name
PRIMARY KEY (name),
UNIQUE (kfz_kennz)
Land
);
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31
1 Einführung
T
Transformation
f
ti von Relationships
R l ti
hi (n:m)
(
)
Entity A und B haben wir schon überführt:
CREATE TABLE A ( ... PRIMARY KEY a_id ...)
CREATE TABLE B ( ... PRIMARY KEY b_id ...)
Hinzu kommt:
CREATE TABLE rel (
A
a id ... NOT NULL,
a_id
b_id ... NOT NULL,
rel_attr ... ,
arbeitet in
rel_attr
PRIMARY KEY (a_id, b_id),
FOREIGN KEY (a_id) REFERENCES A,
FOREIGN KEY (b
(b_id)
id) REFERENCES B
B
);
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32
1 Einführung
T
Transformation
f
ti von Relationships
R l ti
hi (1:n,
(1 1:1)
1 1)
Keine separate Relation für die Beziehung,
sondern:
1:n → Aufnahme des Primärschlüssels von A in
die Entity-Relation B
A
A
1:n
1:1
B
B
1:1 → Aufnahme des Primärschlüssels von B in
die Entity-Relation A oder umgekehrt
CREATE TABLE A (
a_id ... NOT NULL,
a_rest ... ,
b_id ... NOT NULL,
PRIMARY KEY (a_id),
FOREIGN KEY (b
(b_id)
id) REFERENCES B
);
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33
1 Einführung
T
Transformation
f
ti von ISA-Beziehung
ISA B i h
CREATE TABLE person (
p id char(8) NOT NULL
p_id
NULL,
p_id
Name
Alter
name ... ,
alter ... ,
Person
PRIMARY KEY (p_id) );
CREATE TABLE student (
p_id char(8) NOT NULL,
is_a
fach ... ,
PRIMARY KEY (p
(p_id),
id),
FOREIGN KEY (p_id) REFERENCES person )
Student
Professor
CREATE TABLE professor (
p_id char(8) NOT NULL,
... ,
Fach
PRIMARY KEY (p_id),
( id)
FOREIGN KEY (p_id) REFERENCES person );
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34
1 Einführung
Alt
Alternative:
ti
Alt
Alternative:
ti
CREATE TABLE person_x (
CREATE VIEW person (p_id, name,
alter) AS (
p id char(8) NOT NULL
p_id
NULL,
name ... ,
(SELECT p_id, name, alter FROM
person_x)
alter ... ,
UNION
PRIMARY KEY (p_id)
(SELECT p_id, name, alter FROM
student)
)
UNION
(SELECT p_id, name, alter FROM
professor)
CREATE TABLE student (
p id char(8) NOT NULL,
p_id
);
name ... ,
alter ... ,
fach ... ,
PRIMARY KEY (p_id)
)
CREATE TABLE p
professor ( ... )
);
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35
1 Einführung
Normalisierung
N
li i
des
d erzeugten
t Relationalen
R l ti
l Schemas
S h
durch
d
h Herstellung
H
t ll
der
d
3. Normalform (z.B. mit dem Synthesealgorithmus aus dem DBS-Skript).
Ein Relationenschema ist in der 3.
3 Normalform (3NF)
(3NF), wenn für alle
Abhängigkeiten X → A mit X ‫ ك‬R, A ‫ א‬R, A ‫ ב‬X gilt:
•
•
X enthält einen Schlüssel von R, oder
A ist prim.
Seien
S
i A und
d B Att
Attributmengen
ib t
d
des Relationenschemas
R l ti
h
R (A
(A,B
B ‫ ك‬R).
R) B iistt von
A funktional abhängig oder A bestimmt B funktional, geschrieben A → B, gdw.
zu jedem Wert in A genau ein Wert in B gehört:
A → B ֞ t1, t2 ‫ א‬r(R): t1[A]=t2[A]֜ t1[B]=t2[B]
g
Relationen r(R).
( ) Dabei bezeichnet r(R)
( ) eine Relation r
für alle real möglichen
über dem Schema R.
Ein Attribut heißt prim, wenn es Teil eines Schlüsselkandidaten ist, sonst nicht
prim.
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1 Einführung
Üb
Übersicht
i h
1.1 Datenbank-Architektur im Praktikum
1 2 Datenbank-Design
1.2
1.3 ER-Modell und relationales Modell
1.4 Datendefinition in SQL
15 D
1.5
Data
t Dictionary
Di ti
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37
1 Einführung
Neben
N
b d
den D
Daten
t in
i den
d R
Relationen
l ti
b
benötigt
öti t ein
i D
Datenbanksystem
t b k t
Informationen über die Relationen (und über andere Objekte), sog. “MetaDaten”. Die Meta-Daten werden im “Data Dictionary” oder “System Katalog”
gespeichert.
o Relationenverwaltung
•
•
•
•
•
Relationennamen
Attributsnamen für jede Relation
Domäne der Attribute
Viewnamen und Viewdefinitionen
Integritätsbedingungen
o Benutzerverwaltung (Datenschutz)
•
•
•
Namen berechtigter (autorisierter) Benutzer
Speicherbereich und Speicherobergrenze für jeden Benutzer
Zugriffs- und andere Rechte einzelner Benutzer
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1 Einführung
o Anfragebearbeitung
A f
b b it
•
•
•
•
•
Anzahl der Tupel in jeder Relation
de a e
Indexnamen
Indizierte Relationen
Indizierte Attribute
Art des Index
Häufig: Data Dictionary ist selbst
Teil der Datenbank. MetaInformation ist in Systemrelationen
gespeichert. Systemrelationen
sind wie alle anderen Relationen
zugänglich
zugänglich.
o Verwaltete Objekte:
•
•
•
•
•
•
•
•
Relation
View
Synonym
Link
Sequenz
Schnappschuss
PL/SQL Programm
Benutzer
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39
1 Einführung
N
Namensgebung
b
fü ORACLE-Systemrelationen
für
ORACLE S t
l ti
USER_
ALL_
DBA_
TABLES
alle Tabellen, die der
Benutzer angelegt hat
alle Tabellen, auf die
der
Benutzer Zugriff hat
alle Tabellen des
gesamten
Systems
TAB_COLUMNS
alle Spalten derjenigen
Tabellen, die der
Benutzer
angelegt hat
alle Spalten derjenigen
Tabellen, auf die der
Benutzer Zugriff hat
alle Spalten aller
Tabellen
des gesamten Systems
INDEXES
alle Indexe, die der
Benutzer angelegt hat
alle Indexe, die über
Tabellen
erstellt
t llt wurden,
d
auff die
di
der
Benutzer Zugriff hat
alle Indexe des
gesamten
S t
Systems
VIEWS
alle Views,
Views die der
Benutzer angelegt hat
alle Views,
Views auf die der
Benutzer Zugriff hat
alle Views des
gesamten
Systems
TAB PRIVS
TAB_PRIVS
Zugriffsrechte auf alle
Tabellen, die der
Benutzer
angelegt hat
Zugriffsrechte auf alle
Tabellen, auf die der
Benutzer Zugriff hat
Zugriffsrechte auf alle
Tabellen des gesamten
Systems
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40
1 Einführung
B i i l f
Beispielanfragen
an das
d Data
D t Dictionary
Di ti
SQL> describe dictionary
Name
Null?
Type
---------------------------- -------
----
TABLE_NAME
VARCHAR2(30)
COMMENTS
VARCHAR2(2000)
SQL> select count(* ) from dictionary;
COUNT(*)
--------157
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41
1 Einführung
SQL> select TABLE
TABLE_NAME,
NAME COMMENTS from dictionary where TABLE
TABLE_NAME
NAME like
‘%TABLE%’;
TABLE_NAME
COMMENTS
--------------------
-------------------------------------------
ALL_TABLES
Description of tables accessible to the user
DBA TABLES
DBA_TABLES
Description of all tables in the database
DBA_TABLESPACES
Description of all tablespaces
......
SQL> select
l
TABLE_NAME, OWNER f
from ALL_TABLES;
TABLE_NAME
OWNER
------------------------
------------------------------
ACCESS$
SYS
AUD$
SYS
....
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