Einführung in Datenbankverwaltungssysteme

Einführung in Datenbankmanagementsysteme (DBMS)

Datenbankverwaltungssysteme (DBMS) sind ein wesentlicher Bestandteil moderner Softwareanwendungen und von wesentlicher Bedeutung für die effiziente Verwaltung, Speicherung und den Abruf von Daten. Sie bieten eine systematische Möglichkeit zum Umgang mit Datenbanken und gewährleisten Datenkonsistenz, Zuverlässigkeit und Sicherheit. Dieser Artikel behandelt die grundlegenden Konzepte, Komponenten und Funktionen von DBMS, einschließlich Datenabstraktion, Schemata, Datenbanksprachen, Transaktionsmanagement, Architektur und wichtige Datenbankelemente.

Zweck eines DBMS

Der Hauptzweck eines DBMS besteht darin, ein zuverlässiges, effizientes und benutzerfreundliches System zum Speichern und Abrufen von Daten bereitzustellen. Es fungiert als Vermittler zwischen Benutzern und den Daten, mit denen sie interagieren, und stellt sicher, dass die Komplexität der Datenspeicherung verborgen bleibt, während es gleichzeitig robuste Funktionen für die Datenverwaltung bietet.

Zu den Hauptzielen eines DBMS gehören:

• Effiziente Datenspeicherung und -abfrage:Verwendung ausgefeilter Datenstrukturen zur Optimierung von Datenvorgängen.
• Datenkonsistenz und -integrität: Durchsetzung von Regeln zur Aufrechterhaltung der Datenkorrektheit.
• Datensicherheit:Beschränkung des unbefugten Zugriffs auf sensible Daten.
• Parallelitätskontrolle: Sicherstellen, dass mehrere Benutzer gleichzeitig und ohne Konflikte auf Daten zugreifen können.

Datenabstraktion

Datenabstraktion vereinfacht die Art und Weise, wie Benutzer mit der Datenbank interagieren, indem sie die Komplexität der Datenspeicherung verbirgt. Es ist in drei Ebenen unterteilt:

1. Körperliche Ebene

• Die unterste Abstraktionsebene, die beschreibt, wie Daten physisch im System gespeichert werden.
• Konzentriert sich auf untergeordnete Details wie Datenblöcke, Dateistrukturen und Speicherpfade.
• Wird normalerweise von Datenbankadministratoren und Systementwicklern verwaltet.

2. Logische Ebene

• Beschreibt welche Daten gespeichert werden und die Beziehungen zwischen ihnen.
• Bietet eine strukturierte Ansicht der gesamten Datenbank mithilfe von Tabellen, Spalten und Beziehungen.
• Erleichtert physische Datenunabhängigkeit und ermöglicht Änderungen auf physischer Ebene, ohne die logische Struktur zu beeinträchtigen.

3. Ebene anzeigen

• Die höchste Abstraktionsebene, die eine maßgeschneiderte Perspektive der Datenbank für verschiedene Benutzer bietet.
• Konzentriert sich auf die Vereinfachung der Interaktionen für Endbenutzer, indem unnötige Komplexität ausgeblendet wird.
• Eine Datenbank kann mehrere Ansichten haben, die auf bestimmte Benutzeranforderungen zugeschnitten sind.

Instanzen und Schemata

Eine Datenbank wird anhand ihres Schemas und ihrer Instanzen definiert.

• Schema:

  • Die logische Struktur der Datenbank, die Tabellen, Beziehungen und Einschränkungen definiert.
  • Dient als Blaupause und bleibt über die Zeit konstant, sofern sie nicht explizit geändert wird.

• Instanz:

  • Der Dateninhalt, der zu einem bestimmten Zeitpunkt in der Datenbank gespeichert ist.
  • Ändert sich kontinuierlich, wenn Daten eingefügt, aktualisiert oder gelöscht werden.

Datenbanksprachen

DBMS verwenden spezielle Sprachen, um mit Datenbanken zu interagieren. Diese werden grob klassifiziert in:

1. Datendefinitionssprache (DDL)

• Definiert die Datenbankstruktur und das Schema.
• Beispiele für Operationen:
  • ERSTELLEN: Neue Tabellen oder Datenbanken definieren.
  • ALTER:Bestehende Strukturen ändern.
  • DROP: Tabellen oder Datenbanken entfernen.
• Integritätseinschränkungen in DDL stellen Datengenauigkeit und -konsistenz sicher:
  • Domäneneinschränkungen: Definieren Sie zulässige Werte für Attribute.
  • Referenzielle Integrität: Erzwingt gültige Beziehungen zwischen Tabellen.

2. Datenmanipulationssprache (DML)

• Ermöglicht Benutzern die Bearbeitung der in der Datenbank gespeicherten Daten.
• Allgemeine Vorgänge:
  • AUSWÄHLEN:Daten abrufen.
  • EINFÜGEN: Neue Daten hinzufügen.
  • LÖSCHEN:Vorhandene Daten entfernen.
  • UPDATE:Bestehende Daten ändern.
• SQL bietet eine standardisierte DML-Syntax, die in relationalen Datenbanken weit verbreitet ist.

Transaktionsmanagement

Eine Transaktion ist eine logische Einheit von Datenbankoperationen, die den ACID-Eigenschaften entsprechen muss, um Zuverlässigkeit zu gewährleisten:

1. Atomizität: Transaktionen sind unteilbar; Entweder sind alle Vorgänge erfolgreich oder keiner.
2. Konsistenz: Transaktionen müssen die Datenbank in einem gültigen Zustand verlassen.
3. Isolierung: Gleichzeitige Transaktionen sollten sich nicht gegenseitig stören.
4. Dauerhaftigkeit: Einmal festgeschrieben, bleiben Änderungen auch bei Systemausfällen bestehen.

DBMS verwendet Mechanismen wie Sperren, Protokollierung und Parallelitätskontrolle, um Transaktionen zu verwalten und diese Eigenschaften sicherzustellen.

Datenbank- und Anwendungsarchitektur

Moderne Datenbanken folgen der dreistufigen Architektur, um Belange zu trennen und die Skalierbarkeit zu verbessern:

1. Präsentationsstufe:

   • Benutzerseitige Ebene, typischerweise die Front-End-Anwendung.
   • Interagiert mit Benutzern über grafische Oberflächen oder Webseiten.

2. Anwendungsstufe:

   • Die Logikschicht, in der Geschäftsregeln und Anwendungslogik implementiert werden.
   • Verbindet das Frontend mit der Datenbank.

3. Datenbankebene:

   • Das Backend, in dem Daten gespeichert und verwaltet werden.
   • Umfasst das DBMS und die physischen Speichersysteme.

Datenbankbenutzer und Administratoren

Arten von Benutzern:

1. Endbenutzer:Interagieren Sie mit der Datenbank über Anwendungen oder Abfragen.
2. Anwendungsprogrammierer: Entwickeln Sie Softwareanwendungen mithilfe der vom DBMS bereitgestellten APIs.
3. Datenbankadministratoren (DBAs): Verwalten Sie die Datenbank, kontrollieren Sie den Zugriff und stellen Sie eine optimale Leistung sicher.

Rolle eines DBA:

• Schemata definieren und pflegen.
• Sicherheitsmaßnahmen ergreifen.
• Datenbankleistung überwachen und optimieren.
• Sicherungs- und Wiederherstellungsvorgänge durchführen.

Tabellen und ihre Komponenten

Eine Tabelle ist die Grundstruktur einer relationalen Datenbank, bestehend aus Zeilen und Spalten.

• Zeilen (Tupel):Stellen einzelne Datensätze in der Tabelle dar.
• Spalten (Attribute):Stellen Datenfelder mit bestimmten Datentypen dar.
• Primärschlüssel: Identifiziert jede Zeile in der Tabelle eindeutig.
• Fremdschlüssel: Erstellt Beziehungen zwischen Tabellen durch Verweis auf Primärschlüssel in anderen Tabellen.

Schlüssel in einer Datenbank

Schlüssel sind entscheidend für die Gewährleistung der Datenintegrität und den Aufbau von Beziehungen. Zu den gängigen Typen gehören:

1. Primärschlüssel: Eine eindeutige Kennung für Tabellenzeilen. Darf keine NULL-Werte enthalten.
2. Fremdschlüssel: Verweist auf einen Primärschlüssel in einer anderen Tabelle und erzwingt so die referenzielle Integrität.
3. Kandidatenschlüssel: Jede Spalte oder Spaltengruppe, die eine Zeile eindeutig identifizieren kann. Ein Kandidatenschlüssel wird als Primärschlüssel ausgewählt.
4. Zusammengesetzter Schlüssel: Ein Primärschlüssel, der aus zwei oder mehr Attributen besteht.
5. Eindeutiger Schlüssel: Ähnlich einem Primärschlüssel, erlaubt jedoch einen NULL-Wert.
6. Superschlüssel: Eine Obermenge eines Kandidatenschlüssels, der Zeilen eindeutig identifiziert.

Funktionen, Prozeduren und Trigger im DBMS

Zusätzlich zur Verwaltung und Abfrage von Daten bieten moderne DBMS Mechanismen zur Kapselung von Logik und zur Automatisierung von Aufgaben durch Funktionen, Prozeduren und Trigger. Diese Elemente verbessern die Effizienz, Wartbarkeit und Reaktionsfähigkeit von Datenbanksystemen.

Funktionen

Eine Funktion ist ein Datenbankobjekt, das eine bestimmte Aufgabe ausführt und einen einzelnen Wert zurückgibt. Funktionen werden häufig für Berechnungen, Datentransformationen oder das Abrufen spezifischer Informationen verwendet. Sie ähneln mathematischen Funktionen und können direkt in SQL-Abfragen aufgerufen werden.

Merkmale der Funktionen:

• Eingabeparameter:Funktionen können null oder mehr Eingabeparameter akzeptieren.
• Rückgabewert: Eine Funktion gibt immer einen einzelnen Wert eines angegebenen Datentyps zurück.
• Schreibgeschützt: Funktionen können Datenbanktabellen oder Daten nicht direkt ändern; Sie sind auf schreibgeschützte Vorgänge beschränkt.

Syntax zum Erstellen von Funktionen (SQL-Beispiel):

CREATE FUNCTION function_name (parameter_list)
RETURNS return_type
AS
BEGIN
    -- Function logic
    RETURN value;
END;

Beispiel:

Eine Funktion zur Berechnung des Gesamtpreises einer Bestellung basierend auf Menge und Preis pro Einheit:

CREATE FUNCTION calculate_total_price(quantity INT, price_per_unit DECIMAL)
RETURNS DECIMAL
AS
BEGIN
    RETURN quantity * price_per_unit;
END;

Vorteile:

1. Wiederverwendbarkeit der Logik über Abfragen hinweg.
2. Verbesserte Lesbarkeit und Wartbarkeit der Abfrage.
3. Verbesserte Leistung durch Kapselung komplexer Logik.

Verfahren

Eine Prozedur ist ein in der Datenbank gespeichertes Programm, das eine Abfolge von Operationen ausführt. Im Gegensatz zu Funktionen geben Prozeduren keinen Wert zurück, können aber Datenänderungsaufgaben wie INSERT, UPDATE und DELETE ausführen.

Merkmale der Verfahren:

• Kann Eingabe, Ausgabe und Eingabe-Ausgabe Parameter haben.
• Kann Datenbanktabellen ändern.
• Ausgeführt mit der CALL- oder EXEC-Anweisung.

Syntax zum Erstellen von Prozeduren (SQL-Beispiel):

CREATE PROCEDURE procedure_name (parameter_list)
AS
BEGIN
    -- Procedure logic
END;

Beispiel:

Ein Verfahren zur Aktualisierung des Gehalts eines Mitarbeiters:

CREATE PROCEDURE update_salary(employee_id INT, new_salary DECIMAL)
AS
BEGIN
    UPDATE employees
    SET salary = new_salary
    WHERE id = employee_id;
END;

Vorteile:

1. Kapselung komplexer Logik in wiederverwendbare Einheiten.
2. Möglichkeit, mehrere Vorgänge in einem einzigen Aufruf auszuführen.
3. Verbesserte Datenbankleistung durch Reduzierung des Netzwerk-Overheads.

Auslöser

Ein Trigger ist ein Datenbankobjekt, das automatisch eine vordefinierte Aktion als Reaktion auf bestimmte Ereignisse in einer Tabelle ausführt, z. B. INSERT-, UPDATE- oder DELETE-Vorgänge.

Eigenschaften von Triggern:

• Auf einer bestimmten Tabelle definiert und durch Ereignisse aktiviert.
• Kann vor oder nach dem Eintreten des Ereignisses ausgelöst werden.
• Wird zur Durchsetzung von Geschäftsregeln, zur Pflege von Prüfprotokollen oder zur Weitergabe von Änderungen verwendet.

Arten von Auslösern:

1. VOR Trigger: Wird vor dem angegebenen Ereignis ausgeführt.
2. NACH Trigger: Wird nach dem angegebenen Ereignis ausgeführt.
3. ANSTATT DES Auslösers: Wird anstelle des Ereignisses ausgeführt (häufig in Ansichten verwendet).

Syntax zum Erstellen von Triggern (SQL-Beispiel):

CREATE FUNCTION function_name (parameter_list)
RETURNS return_type
AS
BEGIN
    -- Function logic
    RETURN value;
END;

Beispiel:

Ein Auslöser, um jeden neuen Mitarbeiter zu protokollieren, der zur Mitarbeitertabelle hinzugefügt wird:

CREATE FUNCTION calculate_total_price(quantity INT, price_per_unit DECIMAL)
RETURNS DECIMAL
AS
BEGIN
    RETURN quantity * price_per_unit;
END;

Vorteile:

1. Automatische Durchsetzung von Regeln und Richtlinien.
2. Reduzierung manueller Eingriffe bei sich wiederholenden Aufgaben.
3. Verbesserte Prüfbarkeit durch die Führung von Änderungsprotokollen.

Funktionen vs. Prozeduren vs. Trigger: Hauptunterschiede

Durch den effektiven Einsatz von Funktionen, Prozeduren und Triggern können Sie Geschäftslogik kapseln, Regeln durchsetzen und Aufgaben in Ihrer Datenbank automatisieren. Diese Tools bilden das Rückgrat moderner DBMS-Anwendungen und ermöglichen Entwicklern und Administratoren die Erstellung leistungsstarker und wartbarer Systeme.

Kardinalitäten im DBMS abbilden

Mapping-Kardinalitäten, auch bekannt als Kardinalitätsverhältnisse, definieren die Anzahl der Entitäten aus einem Entitätssatz, die über einen Beziehungssatz mit Entitäten in einem anderen Entitätssatz verknüpft werden können. Diese Kardinalitäten sind besonders wichtig für die Beschreibung binärer Beziehungsmengen und auch für Beziehungen mit mehreren Entitäten nützlich.

Für eine binäre Beziehungsmenge R zwischen den Entitätsmengen A und B lauten die möglichen Zuordnungskardinalitäten wie folgt:

1. Eins-zu-Eins (1:1)

• Definition: Eine Entität in A ist mit höchstens einer Entität in B verbunden und umgekehrt.
• Beispiel:
  • In einer Datenbank, in der Mitarbeitern Parkplätze zugewiesen werden:
  • Jedem Mitarbeiter steht höchstens ein Parkplatz zugeteilt.
  • Jeder Parkplatz ist maximal einem Mitarbeiter zugeordnet.
• Diagrammdarstellung:
  • Jede Entität in A wird einer einzelnen Entität in B zugeordnet, und jede Entität in B wird einer einzelnen Entität in A zugeordnet.

2. Eins-zu-Viele (1:N)

• Definition:Eine Entität in A kann mit null oder mehr Entitäten in B verknüpft sein, aber eine Entität in B ist höchstens einer Entität in A zugeordnet.
• Beispiel:
  • In einer Datenbank mit Autoren und Büchern:
  • Ein Autor kann mehrere Bücher schreiben.
  • Jedes Buch wurde von nur einem Autor geschrieben.
• Diagrammdarstellung:
  • Entitäten in A werden mehreren Entitäten in B zugeordnet, Entitäten in B jedoch einer einzelnen Entität in A.

3. Viele-zu-Eins (M:1)

• Definition: Eine Entität in A ist mit höchstens einer Entität in B verbunden, aber eine Entität in B kann mit null oder mehr Entitäten in A verbunden sein.
• Beispiel:
  • In einer Datenbank mit Studierenden und Kursen:
  • Jeder Student kann sich nur in einer Abteilung einschreiben.
  • Eine Abteilung kann mehrere eingeschriebene Studierende haben.
• Diagrammdarstellung:
  • Entitäten in A werden einer einzelnen Entität in B zugeordnet, während Entitäten in B mehreren Entitäten in A zugeordnet werden können.

4. Viele-zu-Viele (M:N)

• Definition: Eine Entität in A kann mit null oder mehr Entitäten in B verknüpft sein und umgekehrt.
• Beispiel:
  • In einer Datenbank mit Studierenden und Kursen:
  • Ein Student kann sich für mehrere Kurse anmelden.
  • Für einen Kurs können mehrere Studierende eingeschrieben sein.
• Diagrammdarstellung:
  • Mehrere Entitäten in A werden mehreren Entitäten in B zugeordnet und umgekehrt.

Visuelle Darstellung kartierender Kardinalitäten

Eins-zu-Eins (1:1):

CREATE FUNCTION function_name (parameter_list)
RETURNS return_type
AS
BEGIN
    -- Function logic
    RETURN value;
END;

Eins-zu-Viele (1:N):

CREATE FUNCTION calculate_total_price(quantity INT, price_per_unit DECIMAL)
RETURNS DECIMAL
AS
BEGIN
    RETURN quantity * price_per_unit;
END;

Viele-zu-Eins (M:1):

CREATE PROCEDURE procedure_name (parameter_list)
AS
BEGIN
    -- Procedure logic
END;

Viele-zu-Viele (M:N):

CREATE PROCEDURE update_salary(employee_id INT, new_salary DECIMAL)
AS
BEGIN
    UPDATE employees
    SET salary = new_salary
    WHERE id = employee_id;
END;

Bedeutung der Kartierung von Kardinalitäten

1. Datenbankdesign: Die Zuordnung von Kardinalitäten hilft beim Entwurf effizienter relationaler Schemata, indem klare Beziehungen zwischen Entitätsmengen definiert werden.
2. Datenintegrität:Stellen Sie sicher, dass die Beziehungen den realen Einschränkungen entsprechen.
3. Abfrageoptimierung: Die Kenntnis der Kardinalität hilft, Abfragen für eine bessere Leistung zu optimieren.
4. E-R-Modelle:Spielen eine entscheidende Rolle in Entity-Relationship-Diagrammen und machen Beziehungen explizit.

Zuordnungskardinalitäten sind grundlegend für das Verständnis, wie Entitäten innerhalb einer Datenbank miteinander in Beziehung stehen, und bilden die strukturelle Grundlage für die Definition robuster und skalierbarer Datenbankschemata.

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