Relationale Datenbanken: Von den theoretischen Grundlagen zu Anwendungen mit PostgreSQL

214 Pages·2016·1.88 MB·German

by  Thomas Studer (auth.)

THOMAS STUDER
Relationale
Datenbanken
Von den theoretischen Grundlagen zu
Anwendungen mit PostgreSQL
eXamen.press
eXamen.pressisteineReihe,dieTheorieundPraxisausallenBereichenderInformatik
fürdieHochschulausbildungvermittelt.
Thomas Studer
Relationale Datenbanken
Von den theoretischen Grundlagen zu
Anwendungen mit PostgreSQL
ThomasStuder
UniversitätBern
Bern,Schweiz
ISSN1614-5216
eXamen.press
ISBN978-3-662-46570-7 ISBN978-3-662-46571-4 (eBook)
DOI10.1007/978-3-662-46571-4
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©Springer-VerlagBerlinHeidelberg2016
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Vorwort
DieautomatischeInformationsverarbeitungentwickeltesichindenletztenJahrzehntenzu
einemimmerwichtigerenAspektunsererGesellschaft.InvielenBereichendestäglichen
LebensspielendieSpeicherungundderZugriffaufriesigeDatenmengeneinewesentliche
Rolle.SomitbenötigenwirverlässlicheTechnologien,umdieVerarbeitungdieserDaten
effizientundsicherzugewährleisten.
DasrelationaleModellbeschreibteinenklassischenAnsatz,umstrukturierteDatenzu
verwaltenunddabeiKonsistenzundTransaktionssicherheitzugarantieren.DiesesModell
wurdeinrelationalenDatenbanksystemenvielfachundäusserterfolgreichimplementiert.
Ein entsprechend wichtiges Thema sind relationale Datenbanken in der Informatik-
ausbildung. Dieses Buch richtet sind an Studierende der Informatik oder Wirtschaftsin-
formatik an Universitäten und Fachhochschulen, sowie an Software-Entwickler, die mit
relationalenDatenbankenarbeiten.EseignetsichzumSelbststudiumoderalsBegleitskript
fürKurseundVorlesungen.
IndiesemBuchstudierenwirrelationaleDatenbankenausSichtdesAnwendungsent-
wicklersundBenutzers.WirgehenimDetailauffolgendeThemenein:
1. Datenbanktheorie,
2. DesignvonDatenbanken,
3. DatenbankspracheSQL,
4. Abfrageoptimierung,
5. Transaktionsverarbeitung.
Im theoretischen Teil geben wir eine präzise mathematische Beschreibung des rela-
tionalen Modells an und führen die relationale Algebra als formale Abfragesprache ein.
Ausserdemstudierenwir,wieeingegebenesDatenbankschemaindiedritteNormalform
und in die Boyce-Codd Normalform zerlegt werden kann. Meistens verzichten wir aber
darauf,dieangegebenenEigenschaftenzubeweisen.DafürenthältdasBucheineVielzahl
vonausführlichenBeispielen,welchedietheoretischenBegriffepraxisnahillustrieren.
Der praktische Teil bietet eine Einführung in SQL als Query-Sprache aber auch
als Sprache zur Datendefinition und -manipulation. Weiter zeigen wir an konkreten
Beispielen,waseingutesDatenbankdesignausmacht.EbensobehandelnwirdieThemen
v
vi Vorwort
AbfrageoptimierungundTransaktionsverarbeitung.FürallepraktischenAspektebeziehen
wirunsaufdieopen-sourceDatenbankPostgreSQL,wobeiwirauchaktuelleEntwicklun-
gen,wiebeispielsweiseSerializableSnapshotIsolation,behandeln.PostgreSQLundeine
ausführlicheDokumentiondazusindverfügbarunter
www.postgresql.org
ZudiesemBuchgibtesaucheineReihevonBegleitmaterialien,welcheunter
db-buch.inf.unibe.ch
öffentlichzugänglichsind.
Danksagung
Dieses Buch wäre nicht möglich gewesen ohne die Hilfe einer Vielzahl von Personen.
ZuerstmöchteichmichbeiGerhardJägerbedanken.SeinVorlesungsskriptDatenbanken
warmeineInspirationzudiesemBuch.
Ein grosses Dankeschön geht an Karin Abegglen, Dominik Feller, Anna Kaeser und
Johannes Werner. Sie haben eine frühe Version dieses Buches sorgfältig gelesen und
vieleFehlerundUnstimmigkeitenkorrigiert.IchmöchtemichauchbeidenStudentinnen
und Studenten meiner Datenbank-Vorlesung des Frühlingssemesters 2015 bedanken.
Insbesondere Eveline Lehmann, Laurent Schwander, Mathias Stocker und Antonio Tuor
habenmichaufverschiedeneFehleraufmerksamgemachtundThemenangeregt,dieich
nunimBuchbehandle.UndnocheinMercianJasminfürdenSchlusssatz.
Dank auch an alle Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Springer Verlags, welche
die Produktion dieses Buches ermöglicht haben. Speziell erwähnen möchte ich dabei
HermannEngesser,DorotheaGlaunsingerundLisaNienhaus.
Bern,Schweiz ThomasStuder
August2015
Inhaltsverzeichnis
1 Mengenlehre ....................................................................... 1
1.1 ObjekteundMengen........................................................ 1
1.2 OperationenaufMengen.................................................... 5
1.3 Relationen ................................................................... 6
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 8
2 DasRelationenmodell............................................................. 9
2.1 StrukturrelationalerDatenbanken.......................................... 9
2.2 Schlüssel..................................................................... 12
2.3 Integritätsbedingungen...................................................... 16
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 21
3 DiagrammeundModellierung................................................... 23
3.1 Diagrammefürm:1-Beziehungen.......................................... 24
3.2 Diagrammefürm:n-Beziehungen.......................................... 26
3.3 Diagrammefür1:1-Beziehungen........................................... 30
3.4 ModellierungkomplexerSysteme.......................................... 35
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 40
4 DierelationaleAlgebra ........................................................... 41
4.1 Basisrelationen .............................................................. 41
4.2 Grundoperationen ........................................................... 42
4.3 WeitereOperationen ........................................................ 52
4.4 RelationaleAlgebraalsQuerySprache.................................... 62
4.5 GruppierungundAggregation.............................................. 63
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 68
5 SQLAbfragen ..................................................................... 69
5.1 SQLganzkurz............................................................... 69
5.2 EinfacheAbfragen .......................................................... 71
vii
viii Inhaltsverzeichnis
5.3 Subqueries................................................................... 83
5.4 Joins.......................................................................... 85
5.5 AggregationundGruppierung.............................................. 87
5.6 RangAbfragenundWindowFunktionen.................................. 93
5.7 WITHKlauselnundRekursion ............................................. 99
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 100
6 SQLzurDatendefinitionundDatenmanipulation............................. 101
6.1 Datenmanipulation.......................................................... 101
6.2 ErstellenvonTabellen....................................................... 105
6.3 DefaultWerte................................................................ 106
6.4 Constraints................................................................... 108
6.5 Kaskadierung................................................................ 109
6.6 ÄndernvonTabellen........................................................ 115
6.7 Views......................................................................... 117
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 120
7 Abfrageoptimierung............................................................... 121
7.1 Indizes ....................................................................... 121
7.2 LogischeOptimierung ...................................................... 126
7.3 PhysischeOptimierung ..................................................... 132
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 139
8 Mehrbenutzerbetrieb ............................................................. 141
8.1 Transaktionen................................................................ 141
8.2 PhantomeundInkonsistenzen.............................................. 146
8.3 MultiversionConcurrencyControlArchitektur............................ 149
8.4 ImplementierungderIsolationsgrade ...................................... 152
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 159
9 Normalformen ..................................................................... 161
9.1 Anomalien................................................................... 161
9.2 FunktionaleAbhängigkeiten................................................ 163
9.3 ZerlegungvonRelationenschemata ........................................ 167
9.4 1NFbisBCNF............................................................... 173
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 184
10 BerechnungvonNormalformen ................................................. 185
10.1 Armstrong-Kalkül........................................................... 185
10.2 Hüllenberechnungen ........................................................ 188
10.3 MinimaleÜberdeckungen .................................................. 190
Inhaltsverzeichnis ix
10.4 ZerlegungeninBCNFund3NF............................................ 194
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 199
Sachverzeichnis.......................................................................... 201