Relationale Datenbanken: Von den theoretischen Grundlagen zu Anwendungen mit PostgreSQL

284 Pages·2019·2.493 MB·German

by  Thomas Studer

Thomas Studer
Relationale
Datenbanken
Von den theoretischen Grundlagen
zu Anwendungen mit PostgreSQL
2. Auflage
Relationale Datenbanken
Thomas Studer
Relationale Datenbanken
Von den theoretischen Grundlagen
zu Anwendungen mit PostgreSQL
2., überarbeitete und erweiterte Auflage
ThomasStuder
UniversitätBern
Bern,Schweiz
ISBN978-3-662-58975-5 ISBN978-3-662-58976-2(eBook)
https://doi.org/10.1007/978-3-662-58976-2
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Vorwort
DieautomatischeInformationsverarbeitungentwickeltesichindenletztenJahrzehntenzu
einemimmerwichtigerenAspektunsererGesellschaft.InvielenBereichendestäglichen
LebensspielendieSpeicherungundderZugriffaufriesigeDatenmengeneinewesentliche
Rolle.SomitbenötigenwirverlässlicheTechnologien,umdieVerarbeitungdieserDaten
effizientundsicherzugewährleisten.
DasrelationaleModellbeschreibteinenklassischenAnsatz,umstrukturierteDatenzu
verwaltenunddabeiKonsistenzundTransaktionssicherheitzugarantieren.DiesesModell
wurdeinrelationalenDatenbanksystemenvielfachundäussersterfolgreichimplementiert.
Ein entsprechend wichtiges Thema sind relationale Datenbanken in der Informatik-
ausbildung. Dieses Buch richtet sich 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.
ImtheoretischenTeilgebenwireinepräzisemathematischeBeschreibungdesrelationalen
ModellsanundführendierelationaleAlgebraalsformaleAbfragespracheein.Ausserdem
studieren wir, wie ein gegebenes Datenbankschema in die dritte Normalform und in die
Boyce–Codd Normalform zerlegt werden kann. Meistens verzichten wir aber darauf,
die angegebenen Eigenschaften zu beweisen. Dafür enthält das Buch eine Vielzahl von
ausführlichenBeispielen,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
wir uns auf die Open-Source-Datenbank PostgreSQL, wobei wir auch aktuelle Entwick-
lungen, wie beispielsweise Serializable Snapshot Isolation, behandeln. PostgreSQL und
eineausführlicheDokumentiondazusindverfügbarunter
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
Vorwort zur zweiten Auflage
Dies ist die zweite, erweiterte und überarbeitete Auflage dieses Buches. Die wichtigsten
UnterschiedezurerstenAuflagesind:
1. Diese Auflage enthält zwei neue Kapitel zu den Themen Rollen und Berechtigungen
sowieSicherheitsrichtlinienaufZeilenebene.
2. AllepraktischenBeispieleundErklärungenbeziehensichaufdieaktuellePostgreSQL
Version11.1.
DanebengibtesnatürlichnochvieleweiterekleineÄnderungen.ZumBeispielwirdeine
neueDefinitionderUmbenennungsfunktioninderrelationalenAlgebraverwendet.
Danksagung
EshabenvielePersonenmitgeholfen,diesezweite,erweiterteAuflagezuerstellen.Zuerst
möchteichmichbeiNathalieFroidevauxbedanken.SiehatgrosseTeilederbeidenneuen
Kapitelgeschrieben.
Danke an Kai Brünnler. Er hat die neue Definition der Umbenennungsfunktion
angeregt. Danke an Eveline Lehmann für das neue Beispiel zu 1:1-Beziehungen. Danke
anSamuelBuchelifürseineBemerkungenzuIndizesundfürdasHaltenderDatenbank-
vorlesung.
DankeauchanSybilleThelenvomSpringerVerlag.SiehatdieProduktionderzweiten
Auflagetatkräftigunterstützt.
Bern,Schweiz ThomasStuder
Februar2019
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Mengenlehre ....................................................................... 1
1.1 ObjekteundMengen........................................................ 1
1.2 OperationenaufMengen.................................................... 5
1.3 Relationen ................................................................... 6
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 9
2 DasRelationenmodell............................................................. 11
2.1 StrukturrelationalerDatenbanken.......................................... 11
2.2 Schlüssel..................................................................... 14
2.3 Integritätsbedingungen...................................................... 18
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 23
3 DiagrammeundModellierung................................................... 25
3.1 Diagrammefürm:1-Beziehungen.......................................... 26
3.2 Diagrammefürm:n-Beziehungen.......................................... 28
3.3 Diagrammefür1:1-Beziehungen........................................... 31
3.4 ModellierungkomplexerSysteme.......................................... 37
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 42
4 DierelationaleAlgebra ........................................................... 43
4.1 Basisrelationen .............................................................. 43
4.2 Grundoperationen ........................................................... 44
4.3 WeitereOperationen ........................................................ 54
4.4 RelationaleAlgebraalsQuerySprache.................................... 64
4.5 GruppierungundAggregation.............................................. 66
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 71
5 SQLAbfragen ..................................................................... 73
5.1 SQLganzkurz............................................................... 73
5.2 EinfacheAbfragen .......................................................... 75
5.3 Subqueries................................................................... 86
IX
X Inhaltsverzeichnis
5.4 Joins.......................................................................... 89
5.5 AggregationundGruppierung.............................................. 91
5.6 RangAbfragenundWindowFunktionen.................................. 97
5.7 WITHKlauselnundRekursion ............................................. 103
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 104
6 SQLzurDatendefinitionundDatenmanipulation............................. 105
6.1 Datenmanipulation.......................................................... 105
6.2 ErstellenvonTabellen....................................................... 109
6.3 DefaultWerte................................................................ 110
6.4 Constraints................................................................... 111
6.5 Kaskadierung................................................................ 113
6.6 ÄndernvonTabellen........................................................ 119
6.7 Views......................................................................... 121
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 124
7 Abfrageoptimierung............................................................... 125
7.1 Indizes ....................................................................... 125
7.2 LogischeOptimierung ...................................................... 131
7.3 PhysischeOptimierung ..................................................... 137
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 144
8 Mehrbenutzerbetrieb ............................................................. 145
8.1 Transaktionen................................................................ 145
8.2 PhantomeundInkonsistenzen.............................................. 150
8.3 MultiversionConcurrencyControlArchitektur............................ 153
8.4 ImplementierungderIsolationsgrade ...................................... 156
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 163
9 Normalformen ..................................................................... 165
9.1 Anomalien................................................................... 165
9.2 FunktionaleAbhängigkeiten................................................ 167
9.3 ZerlegungvonRelationenschemata ........................................ 171
9.4 1NFbisBCNF............................................................... 177
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 188
10 BerechnungvonNormalformen ................................................. 189
10.1 Armstrong-Kalkül........................................................... 189
10.2 Hüllenberechnungen ........................................................ 192
10.3 MinimaleÜberdeckungen .................................................. 194
10.4 ZerlegungeninBCNFund3NF............................................ 198
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 203
Inhaltsverzeichnis XI
11 RollenundBerechtigungen....................................................... 205
11.1 Datenbank-Rollenund-Objekte............................................ 205
11.2 Zugriffsberechtigungen ..................................................... 221
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 233
12 ZugriffsberechtigungenundSicherheitsrichtlinienaufZeilenebene ........ 235
12.1 Zeilenschutz ................................................................. 235
12.2 Sicherheitsrichtlinien........................................................ 240
12.3 VererbungvonZugriffsberechtigungenaufZeilenebene.................. 249
12.4 Zeilenzugriffebei“Referentialintegritychecks”.......................... 252
12.5 USINGvs.WITH CHECK.................................................. 259
12.6 PERMISSIVEvs.RESTRICTIVE........................................ 270
WeiterführendeLiteratur ........................................................... 274
Stichwortverzeichnis.................................................................... 275