Kapitel 7 Dr. Brigitte Mathiak Relationale Entwurfstheorie Teil 1: Normalisierung Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 2 Lernziele • Charakterisierung "guter" relationaler Schemata: - jede Relation entspricht genau einer Objektmenge - eventuell unter Einbezug von N:1- oder 1:1-Relationships - oder genau einer Relationship-Menge zwischen Objekten - Redundanz ist eliminiert, alle Informationen sind repräsentierbar, und es treten keinerlei "Änderungsanomalien" auf a) Änderungen können bei Beachtung der Primärschlüssel- und Fremdschlüsselbedingung keine Inkonsistenzen hervorrufen b) alle Informationen lassen sich unter Wahrung der Primärschlüsselund Fremdschlüsselbedingung (ohne "Kunstgriffe") einfügen c) Informationen können einzeln wieder gelöscht werden, ohne die Primärschlüssel oder Fremdschlüsselbedingung zu verletzen • Ausnahmen wenn „schlechte“ Schemata sinnvoll sind Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 3 Erste Beispiel: „Schlechtes“ Datenbankschema ProfVorl PersNr 2125 2126 Name Sokrates Russel 2127 … Kopernikus … Titel Ethik, Mäeutik, Logik Erkenntnistheorie, Wissenschaftstheorie, Bioethik n.a. … Warum ist das eine schlechte Idee? Jeder für sich mit Zettel und Stift; 5 min Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 4 Zu wenig Struktur Pro Zelle darf immer nur ein Fakt stehen, sonst können diese nicht einzeln abgefragt werden. … sonst können sie nicht einzeln referenziert werden. … sonst können keine Zusatzinformationen zu den Fakten gespeichert werden. … sonst werden Einfüge- und Löschoperationen einzelner Fakten zu komplexen Stringoperationen. (Siehe auch die Probleme, die bei Aufgabenblatt 1 entstanden sind) Wenn in jeder Zelle nur ein Fakt steht, heißt das 1. Normalform Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 5 Wie komme ich in die Erste Normalform? Beispiel (falsch): Eltern Vater Mutter Kinder Johann Martha {Else, Lucie} Johann Maria {Theo, Josef} Heinz Martha {Cleo} In 1 NF Datenbanken, WS 12/13 Eltern Vater Mutter Kind Johann Martha Else Johann Martha Lucie Johann Maria Theo Johann Maria Josef Heinz Martha Cleo Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 6 Aber … … manchmal kann es sinnvoll sein, die Daten doch einfach so zu speichern. Zum Beispiel: • Die einzelnen Fakten stehen getrennt gar nicht zur Verfügung • müssten erst aufwändig getrennt werden • werden getrennt nicht benötigt (Achtung!!! Könnte sich ändern) Weiterhin: Im letzten Kapitel haben wir gesehen, dass es einen Mismatch zwischen relationalem Datenmodell und objektorientierten Datenmodell besteht. Es gibt Datenbanken (objektrelationale), die es erlauben direkt Objekte und Listen zu speichern und dann auch darauf zuzugreifen. Nachteil: Unterobjekte können nicht mehr direkt zugegriffen werden, es muss über die Oberobjekte navigiert werden. Das Schema wird komplexer, Anfragen werden schwieriger... Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 7 Exkurs: NF2-Relationen Non-First Normal-Form-Relationen Geschachtelte Relationen (Oracle: Nested Tables) Eltern Vater Johann Johann Heinz Datenbanken, WS 12/13 Mutter Kinder KName KAlter Martha Else 5 Maria Lucie Theo 3 3 Martha Josef Cleo 1 9 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 8 Beispiel 2: "Schlechte" Relationenschemata ProfVorl PersNr 2125 2125 2125 ... 2132 2137 Name Sokrates Sokrates Sokrates ... Popper Kant Datenbanken, WS 12/13 Rang Raum VorlNr C4 226 5041 C4 226 5049 C4 226 4052 ... ... ... C3 52 5259 C4 7 4630 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie Titel Ethik Mäeutik Logik ... Der Wiener Kreis Die 3 Kritiken SWS 4 2 4 ... 2 4 9 Beispiel 2: "Schlechte" Relationenschemata ProfVorl PersNr 2125 2125 2125 ... 2132 2137 Name Sokrates Sokrates Sokrates ... Schlick Kant Rang Raum VorlNr C4 226 5041 C4 226 5049 C4 226 4052 ... ... ... C3 52 5259 C4 7 4630 Titel Ethik Mäeutik Logik ... Der Wiener Kreis Die 3 Kritiken SWS 4 2 4 ... 2 4 Update-Anomalien Sokrates zieht um, von Raum 226 in R. 338. Was passiert? Einfüge-Anomalien Neue/r Prof ohne Vorlesungen? Löschanomalien Letzte Vorlesung einer/s Profs wird gelöscht? Was passiert? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 10 Beispiel 2: „Bessere" Relationenschemata Vorlesungen Professoren VorlNr Titel 5001 Grundzüge 4 2137 5041 Ethik 4 2125 5043 Erkenntnistheorie 3 2126 52 5049 Mäeutik 2 2125 309 4052 Logik 4 2125 PersNr Name Rang Raum 2125 Sokrates C4 226 2126 Russel C4 232 2127 Kopernikus C3 310 2133 Popper C3 2134 Augustinus C3 SWS gelesen Von Sokrates zieht um, von Raum 226 in R. 338. Was passiert? Neue/r Prof ohne Vorlesungen? Letzte Vorlesung einer/s Profs wird gelöscht? Was passiert? Mit den aufgeteilten Relationen treten die Anomalien nicht mehr auf. Woher kann man wissen wann man aufteilen muss und wie und wann nicht? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 11 Funktionale Abhängigkeiten Ein Attribut a hängt von einem anderen Attribut b ab, wenn bei Kenntnis von b, a klar bestimmt ist. Beispiele: Die Personalnummer bestimmt den Vornamen, da man, wenn man die Personalnummer kennt, den Vornamen eindeutig heraussuchen kann. Die Postleitzahl bestimmt die Stadt. Das Autokennzeichen bestimmt die Autofarbe. Allgemein hängen alle Attribute eines Objekts von der Identität des Objekts ab. In einer Tabelle, alle Spalten vom Schlüssel. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 12 Erste, zweite und dritte Normalform The key, the whole key and nothing but the key. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 13 1. Normalform • Neben der eben gelernten Definition gibt es noch eine andere Jede Relation braucht einen Primärschlüssel • Eine einfache Lösung für dieses Problem ist es in jeder Tabelle einen Schlüssel künstlich zu erzeugen • Das greift aber zu kurz • Wichtig ist, dass es semantisch Sinn macht, die Attribute unter einem Primärschlüssel zu führen, weil Sie zu einer Sinneinheit gehören Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 14 2. Normalform Jedes Attribut hängt vom ganzen Primärschlüssel ab. Gegenbeispiel: PersNr, Name, Gehalt, Dienstwagennr, Kennzeichen, Kilometer PersNr und Dienstwagennr sind zwar ein legitimer Primärschlüssel, aber stehen für zwei verschiedene Entitäten Formal kann man das Problem wieder dadurch lösen, dass man künstliche einspaltige Primärschlüssel erzeugt Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 15 3. Normalform Attribute müssen direkt vom Primärschlüssel abhängen Gegenbeispiel: PersNr, Name, Gehalt, Dienstwagennr, Kennzeichen, Kilometer Es entsteht dasselbe Problem wie bei der zweiten Normalform, nur subtiler. Das Problem entsteht, wenn 1:n-Beziehungen innerhalb einer Tabelle gelöst werden, aber auch bei festen 1:1-Beziehungen kann es problematisch werden. Fragen Sie sich für jedes Attribut: • Gibt es für einen gegebenen Schlüssel nur eine sinnvolle Möglichkeit für den Wert des Attributs? (funktionale Abhängigkeit) • Beschreibt das Attribut dasselbe Objekt wie der Schlüssel? • Möchten Sie vielleicht in anderem Kontext dieses Attribut referenzieren ohne den Schlüssel? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 16 Erste, zweite und dritte Normalform The key, the whole key and nothing but the key. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 17 Beispiel Kind Sofie Sofie Niklas Niklas ... … Vater Alfons Alfons Alfons Alfons ... … Stammbaum Mutter Sabine Sabine Sabine Sabine ... … Opa Lothar Hubert Lothar Hubert Lothar … Oma Linde Lisa Linde Lisa Martha … Was ist das Problem? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 18 Beispiel Kind Sofie Sofie Niklas Niklas ... … Vater Alfons Alfons Alfons Alfons ... … Stammbaum Mutter Sabine Sabine Sabine Sabine ... … Opa Lothar Hubert Lothar Hubert Lothar … Oma Linde Lisa Linde Lisa Martha … Problem 1: Keine Spalte ist eindeutig und damit als einfacher Primärschlüssel geeignet Problem 2: {Kind, Opa} wäre ein eindeutiger Primärschlüssel, aber Kind allein bestimmt bereits Vater und Mutter Problem 3: Ein künstlicher Primärschlüssel hätte dasselbe Problem Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 19 Beispiel Kind Sofie Sofie Niklas Niklas ... … Vater Alfons Alfons Alfons Alfons ... … Stammbaum Mutter Sabine Sabine Sabine Sabine ... … Opa Lothar Hubert Lothar Hubert Lothar … Oma Linde Lisa Linde Lisa Martha … Wie kann man die Relation verändern, dass die Probleme nicht mehr auftreten? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 20 Zerlegung (Dekomposition) von Relationen Korrektheitskriterien für die Zerlegung von Relationenschemata: 1. Verlustlosigkeit - Die in der ursprünglichen Relationenausprägung Q des Schemas R enthaltenen Informationen müssen aus den Ausprägungen Q1, ..., Qn der neuen Relationenschemata R1, .., Rn rekonstruierbar sein. 2. Abhängigkeitserhaltung - Die für R geltenden Anhängigkeiten müssen auf die Schemata R1, ..., Rn übertragbar sein. Satz: Jede Relation kann durch verlustlose und abhängigkeitserhaltende Zerlegung in 3 NF gebracht werden. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 21 Verlustlose Zerlegung – Die Informationen bleiben erhalten Vater Johann Johann Heinz Eltern Mutter Martha Maria Martha SELECT Vater, Kind FROM Eltern Vater Johann Johann Heinz SELECT Mutter, Kind FROM Eltern Mutter Martha Maria Martha Kind Else Theo Cleo Vater Johann Johann Heinz Datenbanken, WS 12/13 Kind Else Theo Cleo Natural Join Mutter Martha Maria Martha Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie Kind Else Theo Cleo Kind Else Theo Cleo 22 Abhängigkeiten bleiben erhalten Jedes Kind hat genau eine Mutter und genau einen Vater Eltern können jedoch auch mehrere verschiedene Kinder haben Ein Vater kann mit mehreren verschiedenen Müttern Kinder haben. Und umgekehrt. Es bestimmt keine Bindung im Sinne der Relation Kind * * 1 1 Mutter Vater * Kind Kind 1 1 Mutter Vater Datenbanken, WS 12/13 * Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 23 Biertrinker-Beispiel Biertrinker Lokal Gast Bier Einstein Gniffke Pils Einstein Anders Hefeweizen Mephisto Gniffke Hefeweizen Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 24 Biertrinker-Beispiel: Informationsverlust Lokal Einstein Einstein Mephisto Biertrinker Gast Gniffke Anders Gniffke SELECT Lokal, Gast FROM Biertrinker Bier Pils Hefeweizen Hefeweizen SELECT Gast, Bier FROM Biertrinker Lokal Gast Gast Bier Einstein Gniffke Gniffke Pils Einstein Anders Anders Hefeweizen Mephisto Gniffke Gniffke Hefeweizen Lokal Einstein Einstein Einstein Mephisto Mephisto Datenbanken, WS 12/13 Natural Join Gast Bier Gniffke Pils Gniffke Hefeweizen Anders Hefeweizen Gniffke Pils Gniffke Hefeweizen Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 25 Erläuterung des Biertrinker-Beispiels Es gibt keine festen Abhängigkeiten zwischen den Attributen. Jeder kann in jedem beliebigen Lokal das Bier bestellen, das er will. Damit kann diese Relation nicht zerlegt werden ohne Informationsverlust. Es können aber auch keine Abhängigkeiten verletzt werden. Wie bringt man die Biertrinker in 3. Normalform? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 26 Verlustige Zerlegung – Die Informationen sind weg! Vater Johann Johann Heinz Eltern Mutter Martha Maria Martha SELECT Vater, Kind FROM Eltern Vater Johann Johann Heinz Kind Else Theo Cleo SELECT Mutter FROM Eltern Mutter Martha Maria Martha Kind Else Theo Cleo Natural Join Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 27 Abhängigkeiten bleiben nicht erhalten In der neuen Mutterrelation fehlt die Verbindung zum Kind! * 1 Vater * Kind Kind * 1 Mutter Kind 1 1 Mutter Vater Datenbanken, WS 12/13 * Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 28 Aber… … manchmal möchte man doch, dass die Fakten in einer Relation zusammen stehen. Warum??? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 29 Data Warehouse (ganz kurz) Das Data Warehouse dient dem Reporting von wirtschaftsrelevanten Daten an z.B. das Management. Ziel: Zu bestimmten Zeitpunkten alle relevanten Daten aus der Datenbank zu ziehen und dann für statistische Untersuchungen zur Verfügung zu stellen Diese Daten werden typischerweise in nur ganz wenige Relationen geschrieben (Stichwort Sternschema), • da sie sich nicht ändern werden • da man sich so Joins bei den Abfragen spart • da man so automatisch statische Analysen laufen lassen kann Aus Wikipedia (Stern_Schema) Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 30 Triplifizierung (vereinfacht) TripleStore Subjekt Prädikat Objekt Professor hatPrädikat hatRaum Sokrates istInstanzVon Professor Sokrates hatRaum 226 hatRaum hatObjektTyp integer Sokrates hältVorlesung Ethik Ethik hatSWS 4 hört hatSubjektTyp Mensch Professor istEin Mensch Student istEin Mensch hört hatObjektTyp Vorlesung Carnap hört Ethik Carnap istInstanzVon Student … … … Vor- und Nachteile? Es ist alles in einer Tabelle Es ist alles maximal normalisiert Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 31 Triplifizierung (vereinfacht) TripleStore Subjekt Prädikat Objekt Professor hatPrädikat hatRaum Sokrates istInstanzVon Professor Sokrates hatRaum 226 hatRaum hatObjektTyp integer Sokrates hältVorlesung Ethik Ethik hatSWS 4 hört hatSubjektTyp Mensch Professor istEin Mensch Student istEin Mensch hört hatObjektTyp Carnap hört Carnap istInstanzVon … … TripleStore Vorlesung Subjekt Prädikat Ethik Professor istInstanz Student Sokrates istInstanzVon … Sokrates istInstanz Objekt nein Professor ??? Woher weiß ich, ob die Daten überhaupt stimmen? Woher weiß ich, was Daten sind und was zur Struktur gehört? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 32 Triplifizierung (und verwandte Methoden z.B. DOM) • Wird eingesetzt, wenn die Datenstruktur nicht bekannt ist oder sich noch ändern kann • Eindeutiger Vorteil ist die Vernetzbarkeit. Jemand anders kann seinen eigenen TripleStore einfach ankoppeln und schon hat man doppelt so viele Daten • Ein Nachteil ist die Überprüfung von Konsistenz • Was ist in dem Zusammenhang überhaupt eine Inkonsistenz? • A istInstanzVon B und B istInstanzVon A (schwierig) • A istKindVon B und B istKindVon C und C istKindVon A (schwierig zu berechnen) • Das Problem ist verwandt mit Logik • Weiterer Nachteil ist die Navigierbarkeit: • Beispiel: Gib alle Personen aus (erfordert transitive Hülle) • Es ist deutlich einfacher, wenn man die Prädikate und Typen von vornherein festlegt, leider auch weniger flexibel Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 33 Zwischenfazit Vorteile der Normalisierung • Es können keine Anomalien auftreten Nachteil der Normalisierung • Unter Umständen werden Anfragen langsamer, da mehr Joins notwendig sind • Es gibt verschiedene Standardmodelle, die nicht normalisiert oder sogar übernormalisiert sind • Vor- und Nachteile sind im Einzelfall abzuwägen • Im Normalfall (z.B. in der Prüfung) gilt: 3 NF ist am Besten Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 34 Teil 2: Entwurfsmuster Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 35 Lernziel Komplexe Datentypen wie Listen, Bäume und Graphen in SQL effizient darstellen Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 36 Motivation Bei der Umsetzung von UML haben wir bisher nur Assoziation, Generalisierung und Attribute betrachtet, doch was ist mit komplexen Datentypen wie: Listen, Stacks, Heaps, Bäumen, Graphen, Maps, …? Diese werden nativ nicht von relationalen Datenbanken unterstützt (mit Ausnahmen, wie etwa XML), können aber dargestellt werden. Allerdings haben diese Darstellungen verschiedene Vor- und Nachteile. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 37 Listen TODOs ID Titel next Darstellung als verkettete Liste: 1 aufräumen 2 Hauptproblem ist die Ineffizienz 2 Zur Uni gehen 3 3 Party null der transitiven Hülle Beispiel: Wie viele TODOs kommen noch nach ‚aufräumen‘`? Gib mir alle Titel in der Listenreihenfolge aus. Weiteres Problem ist die Datenintegrität. (next sollte unique sein) TODOs Darstellung wie Array: ID Titel Index Hauptproblem ist die Verwaltung 1 aufräumen 1 von Inserts und Deletes 2 Zur Uni gehen 2 3 Party 3 Beispiel: Lösche ‚aufräumen‘. Füge ‚Hausaufgaben‘ zwischen ‚Uni‘ und ‚Party‘ ein. Vorteil: Anfragen gehen meist schnell und unproblematisch. Im Idealfall kann die Reihenfolge aus den Werten mit ORDER BY berechnet werden (z.B. aus ID oder einem Timestamp) Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 38 Bäume simplifiedDOM ID type 1 element DOM: 2 element Problem ist wieder die 3 element schlechte Performanz 4 text von Abfragen wie: Welchen Text enthält Element x? Auf welcher Hierarchieebene ist Element x? Was sind die Vorgänger? content parent next html null null head 1 3 body 1 null Test! 3 null Leider sind diese Art Abfragen äußerst typisch für Operationen mit XML-Dokumenten. Dasselbe Problem tritt auf für andere Baumstrukturen, z.B. Bauteile eines Autos Auto -> Motor -> Einspritzpumpe -> Kurbelwelle Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 39 Bäume (Forts.) – Pre-post-table Statt parent und next wird die Pre- und Postorder gespeichert. Aus Implementing Filesystems by Tree-aware DBMSs. Alexander Holupirek, and Marc H. Scholl. In Proc. VLDB 2008 PhD Workshop. pp. 1623-1630, 2008. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 40 Bäume (Forts.) – Pre-post-table Elternknoten Nachfolger Vorgänger Kindknoten Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 41 Bäume (Forts.) – Pre-post-table Wenn man noch die Höhe (level) im Baum dazu nimmt, kann man fast alle sinnvollen Anfragen nativ in effizientem SQL stellen. Beispiel: Welcher Text steht unter Element x? SELECT n.content FROM nodes n, nodes x WHERE x.ID = ‘x‘ AND x.post < n.post AND x.pre> n.pre AND n.type = text ORDER BY n.post; Welcher ist der Vaterknoten? SELECT p.ID FROM nodes p, nodes x WHERE x.ID = ‘x‘ AND x.post > p.post AND x.pre < p.pre AND x.level = p.level + 1; Wie viele Knoten kommen noch nach x? Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 42 Careting (ORDPATH) Im das Einfügeproblem in den Griff zu bekommen, kann man Carets benutzen. Regel 1: Ein Kindknoten verlängert den Code des Elternknoten Beispiel: 1.5.3.9. ist der Elternknoten von 1.5.3.9.1 Regel 2: Geschwister sind in der korrekten Reihenfolge abgelegt Beispiel: 1.5.3.9.1 kommt vor 1.5.3.9.3 Regel 3: Gerade Indexzahlen werden für Generationen ignoriert Beispiel: 1.5.3.9. ist der direkte Elternknoten von 1.5.3.9.2.4.3 Geschwister können so immer dazwischen kopiert werden Regel 4: Root heißt 1 und alle Knoten enden auf Ungerade Leider kann man das nicht mehr nativ in SQL abfragen. Siehe auch [ORDPATHs: insert-friendly XML node labels. A. O'Neil, et al. Proc. ACM SIGMOD Management of data, pp. 903-908, 2004] wird eingesetzt von SQL Server Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 43 Fazit – Teil 2 Es gibt mehrere Möglichkeiten komplexe Datenstrukturen in Datenbanken abzubilden. Wir haben hier Listen und Bäume betrachtet (andere Datenstrukturen funktionieren ähnlich) Man hat (vereinfacht gesagt) die Auswahl zwischen schnellen Anfragen mit Indexzahlen und schnellen Änderungsoperationen mit Zeigern. Es kommt also auf die Anwendung an. Datenbanken, WS 12/13 Kapitel 7: Relationale Entwurfstheorie 44