Einführung - Lehrstuhl für Datenbanksysteme

Einführung
Dr. Angelika Reiser
Lehrstuhl für Informatik III:
y
Datenbanksysteme
TU München / Garching
[email protected]
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Vorlesung bzw.
V l
Vorlesung
+ Übung
Üb
• Vorlesungswebsite siehe TUMonline-Eintrag
http://www-db.in.tum.de/teaching/ws1314/DBSandere/index.shtml
• IN4714:
• Teil des Pflichtmoduls Geodatenbanken und
Visualisierung
• Umfang: 2V SWS und 2 ECTS
• IN8002:
• Für Studierende aller Fakultäten
• die Einbringung in Ihr Studium klären Sie bitte mit
Ihrem Prüfungsausschuss
• Umfang:
U f
2V 1Ü SWS und
2V+1Ü
d 4 ECTS
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Modalitäten Vorlesung
•
•
•
•
•
•
•
2 Stunden Vorlesung wöchentlich
Mittwochs, 16.30 – 18.00 Uhr
Klausur: Termin steht noch nicht fest
IN4714: 40 Minuten
IN8002: 80 Minuten
Fragen gerne während der Vorlesung
nach der Vorlesung individuelle Fragen
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Modalitäten Vorlesung (cont.)
(cont )
• Eingebettete Übungen
• Vorrechnen an der Tafel
 interaktive
Veranstaltung
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Modalitäten Übung
•
•
•
•
•
Mittwochs, 18 – 19 Uhr
Mittwochs
Raum: CIP-Raum 3238
Erste Besprechung: heute
Nicht jjede Woche
Projektarbeit mit frei gewähltem
Datenbanksystem
• Bonus bei erfolgreicher Projektarbeit (+
0 3/0 4 nächst höhere Notenstufe
0.3/0.4,
Notenstufe, nicht bei
4.3 oder schlechter in Klausur)
• Moodle
M dl Gruppe
G
wird
i d eingerichtet
i
i ht t
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Vorlesungsinhalt
• Datenbankentwurf
• E/R-Modellierung
• UML-Modellierung
UML Modellierung
• Relationales Datenmodell
• Relationale Anfragesprache SQL
• Datenintegrität
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Vorlesungsinhalt cont.
Vorlesungsinhalt,
cont
• Physische Organisation der Daten
• B-Bäume
• Hashing
• Anfragebearbeitung
• Transaktionsverwaltung
• (Normalformen, NoSQL Datenbanken, Data
Warehouses, …)
 Vorbereitung für Geodatenbanken,
Herr Dona
Donaubauer,
ba er ab Jan
Januar
ar 2014
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Verwendete Materialien
Folien von Prof. Kemper:
p
http://www
http://wwwdb.in.tum.de/research/publications/books/DBMSeinf
und Prof. Neumann:
http://www-db.in.tum.de/
teaching/ws1112/dbsys/exercises/index shtml
teaching/ws1112/dbsys/exercises/index.shtml
Danke  - Fehler gehen auf mich☻
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Literatur
Alfons Kemper und André Eickler
Datenbanksysteme: Eine Einführung
8. Auflage (2011)
(ältere Auflagen sind auch ok)
Oldenbourg Verlag, München
(ca 40 Euro)
http://wwwp
db.in.tum.de/research/publications/books/DBMSeinf
http://www db in tum de
http://www-db.in.tum.de
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Übungsbuch dazu …
Alfons Kemper und Martin Wimmer
Üb
Übungsbuch
b hD
Datenbanksysteme
t b k
t
3. Auflage (2012)
(ältere Auflagen sind auch ok)
Oldenbourg Verlag, München
(ca 30 Euro)
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Zusatzmaterial
http://www-db
http://www
db.in.tum.de/research/publications/books/DBMSeinf/
in tum de/research/publications/books/DBMSeinf/
•
•
•
•
•
Folien
Videos von Vorlesungen in Übungsbuch
Daten zum Aufbau von eigenen Datenbanken
SQL-Schnittstelle
Programmbeispiele für
• IBM DB2
• Oracle
• MS SQL Server
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Weitere Literatur
A. Silberschatz, H. F. Korth und S. Sudarshan
Database System
y
Concepts,
p , 4. Auflage,
g ,
McGraw-Hill Book Co., 2002.
R. Elmasri,, S.B. Navathe: Fundamentals of
Database Systems, Benjamin Cummings,
Redwood City, Ca, USA, 2. Auflage, 1994
R. Ramakrishnan, J. Gehrke: Database
Management
g
Systems,
y
3. Auflage,
g 2003.
G. Vossen : Datenmodelle, Datenbanksprachen
und Datenbank-Management-Systeme.
g
y
Oldenbourg, 2001.
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Weitere Literatur,
Literatur cont.
cont
D. Maier: The Theory
y of Relational Databases.
Computer Science Press. 1983.
S. M. Lang, P.C. Lockemann: Datenbankeinsatz.
Springer Verlage, 1995.
C. Batini, S. Ceri, S.B. Navathe: Conceptual
Database Design, Benjamin Cummings,
Redwood City,
y, Ca,, USA,, 1992.
C. J. Date: An Introduction to Database Systems.
McGraw-Hill,, 8. Aufl.,, 2003.
J.D. Ullmann, J. Widom: A First Course in
Database Systems, McGraw Hill, 2. Auflage,
2001.
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Weitere Literatur,
Literatur cont.
cont
A. Kemper,
p , G. Moerkotte: Object-Oriented
j
Database Management: Applications in
Engineering
g
g and Computer
p
Science,, Prentice
Hall, 1994
E Rahm: Mehrrechner-Datenbanksyseme
E.
Mehrrechner Datenbanksyseme.
Addison-Wesley, 1994.
P Dadam: Verteilte Datenbanken und
P.
Client/Server Systeme. Springer Verlag, 1996
T Härder,
T.
Hä d E.
E R
Rahm:
h D
Datenbanksysteme
t b k
t
–
Konzepte und Techniken der Implementierung,
2001
2001.
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Begriffsklärung
• Was ist ein Datenbanksystem
y
((DBS)?
)
Ein System zum Speichern und Verwalten von
Daten.
•
Warum kein herkömmliches Dateisystem
y
verwenden?
Ausfallsicherheit und Skalierbarkeit nur mit
hohem Aufwand erreichbar
erreichbar.
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Beispiele
Traditionelle Anwendungsbiete:
g
• Geschäftsdaten
• Buchhaltung
• Verwaltung
...
Heute sehr viel breiter:
• Wissenschaftliche/Medizinische
Wi
h ftli h /M di i i h D
Daten
t
• Data Mining
• Geoinformationssysteme
• Websuche
...
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Beispiele, cont.
Indirekt benutzen wir ständig
g Datenbanken:
• Websuche bei Google, Yahoo, ...
• Anfragen bei Amazon,
Amazon EBay
EBay, ...
• Backend vieler großer Webseiten
Viele Spielarten (DB/IR, zentralisiert,
dezentralisiert etc.))
Datenbanken werden fast immer eingesetzt
wenn
• die Datenmengen groß sind
• die Daten wertvoll sind
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Beispiele, cont.
Die großen kommerziellen Datenbanksysteme:
• Oracle
• IBM DB2
• Microsoft SQL Server
• Sybase
Einige freie Datenbanksysteme:
• PostgreSQL
• MySQL
• MonetDB
Noch viele weitere, teils stark spezialisierte Systeme
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Motivation für den Einsatz
eines
i
Datenbanksystems
D t b k
t
Typische Probleme bei
Informationsverarbeitung ohne DBMS
•
•
•
•
•
•
•
Redundanz und Inkonsistenz
Beschränkte Zugriffsmöglichkeiten
g
g
Probleme beim Mehrbenutzerbetrieb
Verlust von Daten
Integritätsverletzung
Sicherheitsprobleme
hohe Entwicklungskosten für
An end ngsprogramme
Anwendungsprogramme
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Motivation für den Einsatz
eines Datenbanksystems
Datenbanksystems, cont
cont.
Gründe für den DBS-Einsatz
gg
• Datenunabhängigkeit
• Deklarative Anfragesprachen
• Mehrbenutzersynchronisation
• Fehlerbehandlung
• Sicherstellung der Datenintegrität
• Effizienz und Skalierbarkeit
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Abstraktionsebenen eines
Datenbanksystems
Sicht1
Sicht 2 ...
Sicht 3
Logische Ebene
Physische
y
Ebene
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Abstraktionsebenen eines
Datenbanksystems cont.
Datenbanksystems,
cont
Sicht:
Si
h
beschreibt wie ein Benutzer die Daten sieht
Logische Ebene:
beschreibt wie die Daten strukturiert sind
Physische Ebene:
b
beschreibt
h ibt wie
i di
die D
Daten
t gespeichert
i h t werden
d
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Abstraktionsebenen eines
Datenbanksystems cont.
Datenbanksystems,
cont
DBS entkoppelt Anwendungen von der
Struktur und Speicherung der Daten:
• Logische
L i h D
Datenunabhängigkeit
t
bhä i k it
Änderungen auf der logischen Ebene haben
keinen Einfluß auf Anwendungen
• Physische Datenunabhängigkeit
Änderungen auf der physischen Ebene
haben keinen Einfluß auf Anwendungen
Wi d iin ffastt allen
Wird
ll modernen
d
DBS d
durchgesetzt
h
t t
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Eigenschaften von
Datenbanksystemen
Deklarative Anfragesprache
• Benutzer sagt
g DBS was für Daten g
geholt
werden sollen . . .
. . . und nicht wie die Daten g
geholt werden
sollen
 Weniger fehleranfällig (beim Formulieren von
Anfragen/Entwickeln von Anwendungen), da
kein Wissen über die tieferen Schichten des
DBS nötig
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Eigenschaften von
D t b k
Datenbanksystemen,
t
cont.
t
Mehrbenutzersynchronisation
• Wenn mehrere Benutzer ohne jegliche
Kontrolle gleichzeitig Daten ändern können,
können
gibt es große Probleme
 DBS erlaubt
l b gleichzeitigen
l i h ii
Z
Zugriff
iff und
d
verhindert schlimme Seiteneffekte
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Eigenschaften von
Datenbanksystemen cont
Datenbanksystemen,
cont.
Fehlerbehandlung
• DBS kann Zustand zum Zeitpunkt eines
Absturzes rekonstruieren
 Dafür werden Logdateien vom DBS angelegt
und
d verwaltet
l
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Eigenschaften von
Datenbanksystemen cont
Datenbanksystemen,
cont.
Datenintegrität (Konsistenz)
• Datenverarbeitung in einer Anwendung läuft
nicht völlig zufällig ab,
ab sondern folgt
gewissen Prinzipien
 DBS befolgt
b f l ((angegebene)
b
)P
Prinzipien
i i i und
d
schützt so vor:
• Benutzerfehlern
g
• Programmfehlern
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Eigenschaften von
Datenbanksystemen cont
Datenbanksystemen,
cont.
Effizienz und Skalierbarkeit
• DBSe sind für groß angelegte Anwendungen
konzipiert
 In DBSen sind Techniken integriert, die mit
großen
ß Datenvolumen
D
l
umgehen
h können
kö
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Eigenschaften von
D t b k
Datenbanksystemen
t
•
•
•
•
•
Deklarative Anfragesprache
M hb
Mehrbenutzersynchronisation
t
h i ti
g
Fehlerbehandlung
Datenintegrität
Effizienz und Skalierbarkeit
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Architekturübersicht eines DBMS
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
„Naive“
Benutzer
Anwendung
Fortgeschrittene
Benutzer
AnwendungsProgrammierer
Datenbankadministratoren
Interaktive
Anfrage
Präcompiler
Verwaltungswerkzeug
DML-Compiler
p
DDL-Compiler
p
Anfragebearbeitung
Mehrbenutzersynchr.
Fehlerbehandlung
g
Datenbankmanager
DBMS
Schemaverwaltung
Dateiverwaltung
Logdateien
Indexe
Datenbasis
Hintergrundspeicher
Datenwörterbuch
Datenmodellierung
DBS kann vieles,
vieles aber nicht alles!
Benutzer muss spezifizieren
• Anforderungen
A f d
einer
i
A
Anwendung
d
• Art von zu speichernden Daten
Zwei wichtige Konzepte beim Entwurf:
• Datenmodell: Konstrukte zum Beschreiben der Daten
• Schema: konkrete Beschreibung einer bestimmten
Datensammlung
(unter Verwendung eines Datenmodells)
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Datenmodellierung
g
Ausschnitt der
Realen Miniwelt
Manuelle/intellektuelle
Modellierung
Konzeptuelles Schema
(E/R- oder UML-Schema) Halbautomatische
Transformation
Relationales
S h
Schema
XML
S h
Schema
Netzwerk
S h
Schema
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
Objektorientiertes
S h
Schema
14.10.2013
Logische Datenmodelle
•
•
•
•
•
Netzwerkmodell
Hierarchisches Datenmodell
Relationales Datenmodell
XML Schema
Objektorientiertes Datenmodell
Objektrelationales Schema
• Deduktives Datenmodell
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Modellierung einer kleinen
Beispielanwendung: E/R
Studenten
Vorlesungen
R l Welt:
Reale
W lt Universität
U i
ität
Konzeptuelle Modellierung
M N
MatrNr
Studenten
Vorlesungen
hören
Name
VorlNr
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
Titel
14.10.2013
Modellierung einer kleinen
Beispielanwendung: UML
Studenten
+MatrNr : int
+Name : String
+Semester : int
+Notenschnitt() : float
+SummeWochenstunden()
() : short
+Hörer
voraussetzen
+Nachfolger
1..*
*
Vorlesungen
hören
*
*
+VorlNr : int
+Titel : String
+SWS : int
+AnzHörer()
() : int
+DurchfallQuote() : float
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013
Das
as relationale
e at o a e Datenmodell
ate
ode
Studenten
MatrNr Name
26120 Fichte
25403 Jonas
...
...
hören
MatrNr VorlNr
25403 5022
26120 5001
...
...
Vorlesungen
VorlNr
Titel
5001 Grundzüge
5022 Glaube und Wissen
...
...
Select Name
From Studenten, hören, Vorlesungen
Where Studenten.MatrNr
Studenten MatrNr = hören
hören.MatrNr
MatrNr and
hören.VorlNr = Vorlesungen.VorlNr and
Vorlesungen.Titel = `Grundzüge´;
Grundzüge ;
Datenbanksysteme für Hörer anderer Fachrichtungen WS 2013/2014
14.10.2013