Kofler Datenbanksysteme

Das umfassende Lehrbuch
2. Auflage 2024
ISBN: 978-3-367-10017-0
Verlag: Rheinwerk
Format: EPUB
Kopierschutz: 0 - No protection

E-Book, Deutsch, 782 Seiten

Reihe: Rheinwerk Computing

Datenbanken sind das Rückgrat moderner IT-Systeme. Wie Sie sicher mit ihnen arbeiten, zeigt Ihnen Dr. Michael Kofler in diesem umfassenden Handbuch. Sie lernen grundlegende Begriffe und Konzepte kennen, die Sie für gutes Datenbankdesign brauchen, und erfahren, wie Sie Daten modelliere und strukturieren. Ein Schnellkurs in SQL zeigt Ihnen, wie Daten abgefragt und geändert werden, Praxiswissen zur Client-Entwicklung und DBMS-Administration machen Sie fit für den Berufsalltag, Übungen und anschauliche Beispiele helfen Ihnen beim Selbststudium und der Prüfungsvorbereitung.

Aus dem Inhalt:

• Datenbankmodellierung: vom ER-Modell zum perfekten Schema
• Datentypen
• Primary Keys, Foreign Keys und referenzielle Integrität
• Indizes
• Daten mit SQL abfragen und ändern
• SQL für Fortgeschrittene: Subqueries, Transaktionen, Rekursion, DDL
• Client-Programmierung
• Benutzerverwaltung und Access Control
• Backups und Logging
• Replikation und High Availability
• Stored Procedures und Trigger
• NoSQL: Datenverarbeitung jenseits relationaler Datenbanken

Michael Kofler hat Telematik an der TU Graz studiert und ist einer der erfolgreichsten deutschsprachigen IT-Fachbuchautoren. Zu seinen Themengebieten zählen neben Linux auch IT-Sicherheit, Python, Swift, Java und der Raspberry Pi. Er ist Entwickler, berät Firmen und arbeitet als Lehrbeauftragter.

Autoren/Hrsg.

Kofler, Michael

Inhaltsverzeichnis

Materialien zum Buch ... 12  Vorwort ... 13

TEIL I.  Grundlagen ... 17  1.  Wozu Datenbanken? ... 19  1.1 ... Datenbanken sind allgegenwärtig ... 19  1.2 ... Warum eine Excel-Tabelle nicht ausreicht ... 24  1.3 ... Die erste eigene Datenbank ... 27  1.4 ... Realisierung des Beispiels mit der MySQL Workbench ... 35  2.  Grundlagen relationaler Datenbanken ... 47  2.1 ... Datenbank versus Datenbankmanagementsystem ... 47  2.2 ... Das relationale Modell ... 56  2.3 ... Transaktionen ... 65  2.4 ... Datensicherheit und ACID ... 68  2.5 ... Codds zwölf Gebote ... 78  2.6 ... Kritik am relationalen Modell ... 81  2.7 ... Wiederholungsfragen ... 86

TEIL II.  Datenbanken modellieren ... 91  3.  Datenbankmodellierung ... 93  3.1 ... Datenbankschema ... 94  3.2 ... Modellierungsstufen ... 96  3.3 ... Modellierungstechniken ... 100  3.4 ... Das Entity-Relationship-Modell ... 104  3.5 ... Sonderfälle im ER-Modell ... 110  3.6 ... Alternative Diagrammformen und Notationen (IDEF1X, Min-Max, UML) ... 118  3.7 ... Vom ER-Diagramm zum Tabellenschema ... 129  3.8 ... Namensregeln ... 137  3.9 ... Normalformen ... 142  3.10 ... Normalisierungsbeispiel ... 154  3.11 ... Modellierung hierarchischer bzw. unstrukturierter Daten ... 157  3.12 ... Wiederholungsfragen ... 164  4.  Datentypen ... 169  4.1 ... SQL und das Kommando »CREATE TABLE« ... 169  4.2 ... Ganze Zahlen ... 172  4.3 ... Gleit- und Festkommazahlen ... 174  4.4 ... Zeichenketten ... 178  4.5 ... Datum und Uhrzeit ... 183  4.6 ... Boolesche Zustände ... 184  4.7 ... Binäre Daten (BLOBs) ... 185  4.8 ... NULL, Defaultwerte und Werteinschränkungen (CHECKs) ... 188  4.9 ... Besondere Datentypen ... 191  4.10 ... Eigene Datentypen ... 195  4.11 ... Virtuelle Spalten (Generated Columns) ... 197  4.12 ... Beispiele ... 198  4.13 ... Wiederholungsfragen ... 200  5.  Primary Keys, Foreign Keys und referenzielle Integrität ... 203  5.1 ... Primary Keys (Primärschlüssel) ... 204  5.2 ... Foreign Keys (Fremdschlüssel) ... 217  5.3 ... Foreign-Key-Beispiele ... 225  5.4 ... Wiederholungsfragen ... 232  6.  Indizes ... 235  6.1 ... Indexformen ... 236  6.2 ... Index-Interna und B-Trees ... 242  6.3 ... Indizes -- Pro und Kontra ... 257  6.4 ... Cache-Systeme für Abfragen ... 260  6.5 ... Wiederholungsfragen ... 262  7.  Physische Modellierung ... 265  7.1 ... DBMS-Auswahl ... 265  7.2 ... Dimensionierung von Datenbanken ... 269  7.3 ... Views ... 274  7.4 ... Partitionen ... 281  7.5 ... Wiederholungsfragen ... 286  8.  Modellierungsbeispiele ... 289  8.1 ... »books«-Datenbank ... 290  8.2 ... »todo«-Datenbank ... 292  8.3 ... »school«-Datenbank ... 301  8.4 ... »clouddb«-Datenbank ... 312  8.5 ... »sakila«-Datenbank ... 323  8.6 ... »employees«-Datenbank ... 329  8.7 ... Noch mehr Musterdatenbanken ... 332  8.8 ... Wiederholungsfragen ... 334

TEIL III.  Structured Query Language (SQL) ... 337  9.  Relationale Algebra und SQL ... 339  9.1 ... Relationale Algebra ... 340  9.2 ... Relationenkalkül (relationaler Calculus) ... 350  9.3 ... Structured Query Language (SQL) ... 355  9.4 ... Elementare SQL-Syntaxregeln ... 360  9.5 ... Wiederholungsaufgaben ... 362

10.  Daten abfragen (SELECT) ... 365  10.1 ... Zugriff auf die Beispieldatenbanken ... 365  10.2 ... Einfache Abfragen (WHERE, DISTINCT) ... 368  10.3 ... Tabellen verknüpfen (JOIN) ... 373  10.4 ... Ergebnisse gruppieren (GROUP BY) ... 385  10.5 ... Ergebnisse sortieren (ORDER BY) ... 389  10.6 ... Ergebnisse limitieren (LIMIT) ... 390  10.7 ... SELECT-Syntax-Zusammenfassung ... 392  10.8 ... Der Umgang mit NULL ... 393  10.9 ... Abfragen kombinieren (UNION) ... 395  10.10 ... Abfrageausführung und -optimierung ... 396  10.11 ... Wiederholungsaufgaben ... 407

11.  Daten ändern (INSERT, UPDATE, DELETE) ... 411  11.1 ... Daten einfügen (INSERT) ... 412  11.2 ... Daten ändern (UPDATE) ... 417  11.3 ... Daten löschen (DELETE) ... 421  11.4 ... Wiederholungsaufgaben ... 424

12.  Transaktionen ... 425  12.1 ... Transaktionen in SQL ... 426  12.2 ... Isolation Level ... 429  12.3 ... Dirty Read, Phantom Read und andere Isolation-Probleme ... 435  12.4 ... Locking-Verfahren ... 446  12.5 ... Multiversion Concurrency Control (MVCC) ... 453  12.6 ... Wiederholungsaufgaben ... 458

13.  Subqueries, Rekursion, Zusatzfunktionen ... 461  13.1 ... SQL-Funktionen ... 461  13.2 ... Subqueries ... 468  13.3 ... Window-Funktionen (OVER) ... 474  13.4 ... Rekursion ... 479  13.5 ... Data Definition Language (DDL) ... 484  13.6 ... Systemkatalog ... 489  13.7 ... Wiederholungsaufgaben ... 494

14.  Volltextsuche, geografische Daten, XML und JSON ... 495  14.1 ... Volltextindex und Volltextsuche ... 495  14.2 ... Geografische Daten (GIS-Funktionen) ... 500  14.3 ... XML ... 506  14.4 ... JSON ... 512  14.5 ... Wiederholungsaufgaben ... 515

TEIL IV.  Administration und Programmierung ... 517

15.  Benutzerverwaltung ... 519  15.1 ... Authentifizierung ... 520  15.2 ... Privilegien und Rollen ... 522  15.3 ... Administration der Benutzerrechte (DCL) ... 526  15.4 ... Ein Blick hinter die Kulissen ... 532  15.5 ... Server-Konfiguration und -Absicherung ... 534

16.  Logging und Backups ... 539  16.1 ... Logging ... 539  16.2 ... Backups ... 543  16.3 ... Import und Export ... 551

17.  Replikation und High Availability ... 555  17.1 ... Replikation ... 555  17.2 ... Replikations-Setup in MySQL ... 562  17.3 ... High Availability ... 566

18.  Stored Procedures und Trigger ... 567  18.1 ... Programmierung auf DBMS-Ebene versus Client-Code ... 567  18.2 ... Hello, Stored Procedure! ... 570  18.3 ... Stored Procedures und Funktionen ... 575  18.4 ... Fehlerabsicherung und Cursor ... 583  18.5 ... Administration und Sicherheit ... 587  18.6 ... Trigger ... 589

19.  Client-Programmierung ... 591  19.1 ... Konzepte der Client-Programmierung ... 591  19.2 ... Beispiel 1: Java und JDBC ... 596  19.3 ... Beispiel 2: Kotlin und Exposed ... 600

TEIL V.  NoSQL ... 607

20.  Von relationalen Datenbanken zu NoSQL ... 609  20.1 ... Verteilte Datenbankmanagementsysteme ... 610  20.2 ... Objektorientierte Datenbanken ... 619  20.3 ... Online Analytical Processing (OLAP) ... 625  20.4 ... NoSQL ... 633  20.5 ... Wiederholungsfragen ... 648

21.  MongoDB ... 651  21.1 ... Installation ... 651  21.2 ... Abfragen durchführen ... 656  21.3 ... Nicht relationales Datenbankdesign ... 662  21.4 ... »todo«-Datenbank ... 665  Anhang ... 669  A.  MySQL installieren und einrichten ... 669  A.1 ... MySQL Workbench ... 670  A.2 ... Onlinezugriff auf die Beispieldatenbanken ... 672  A.3 ... MySQL-Server unter Windows installieren ... 673  A.4 ... MySQL-Server unter macOS installieren ... 676  A.5 ... MySQL-Server unter Linux installieren ... 677  A.6 ... Der Kommando-Client mysql ... 679  A.7 ... Die MySQL-Shell mysqlsh ... 683  A.8 ... Beispieldatenbanken lokal installieren ... 685  A.9 ... Server-Konfiguration für den Unterricht ... 686  B.  Lösungen ... 691  B.1 ... Kapitel 2: »Grundlagen relationaler Datenbanken« ... 691  B.2 ... Kapitel 3: »Datenbankmodellierung« ... 699  B.3 ... Kapitel 4: »Datentypen« ... 711  B.4 ... Kapitel 5: »Primary Keys, Foreign Keys und referenzielle Integrität« ... 714  B.5 ... Kapitel 6: »Indizes« ... 720  B.6 ... Kapitel 7: »Physische Modellierung« ... 726  B.7 ... Kapitel 8: »Modellierungsbeispiele« ... 729  B.8 ... Kapitel 9: »Relationale Algebra und SQL« ... 738  B.9 ... Kapitel 10: »Daten abfragen (SELECT)« ... 741  B.10 ... Kapitel 11: »Daten ändern (INSERT, UPDATE, DELETE)« ... 747  B.11 ... Kapitel 12: »Transaktionen« ... 750  B.12 ... Kapitel 13: »Subqueries, Rekursion, Zusatzfunktionen« ... 753  B.13 ... Kapitel 14: »Volltextsuche, geografische Daten, XML und JSON« ... 759  B.14 ... Kapitel 20: »Von relationalen Datenbanken zu NoSQL« ... 760  Index ... 769

Leseproben

Vorwort

»Geld regiert die Welt.«
»Das Internet regiert die Welt.«
»Datenbanken regieren die Welt.«

Natürlich sind alle drei Aussagen irgendwie richtig, aber an dieser Stelle ist nur der dritte Aspekt relevant. Tatsächlich sind Datenbanken in unserem Leben allgegenwärtig: Jede Suche im Internet, jeder Einkauf in einem Onlineshop, jede medizinische Untersuchung, jeder Eintritt in ein Konzert, jede Fahrt in einem Skigebiet, jeder Aufenthalt in einer Parkgarage, jede bestandene oder missglückte Prüfung während des Studiums hinterlässt Einträge (Datensätze) in einer Datenbank.

In diesem Buch beginne ich damit, Ihnen die Grundlagen und Funktionsweise von Datenbankmanagementsystemen zu erklären. Dieser sperrige Begriff bezeichnet Programme, die Datenbanken speichern – z. B. Oracle Database Server, Microsoft SQL Server oder MySQL. Diese drei Programme sind Vertreter aus der Gruppe relationaler Datenbankmanagementsysteme. Solche Systeme garantieren die Sicherheit und die Konsistenz von Daten auch beim gleichzeitigen Zugriff durch mehrere Programme oder Clients. Im Detail werden diese Sicherheitsanforderungen durch die Begriffe Atomicity, Consistency, Isolation und Durability umschrieben (zusammen kurz ACID).

Ein Grundkonzept relationaler Datenbanken besteht darin, dass Datensätze unterschiedlicher Tabellen aufeinander verweisen. Das ermöglicht eine gut strukturierte Abbildung komplexer Daten ohne Redundanz. Ein inhaltlicher Schwerpunkt dieses Buchs liegt auf dem optimalen Design relationaler Datenbanken. Das richtige Design hat großen Einfluss darauf, wie gut sich die Daten später durchsuchen lassen und wie effizient Datenbankanwendungen laufen. Fehler in der Designphase können später kaum mehr korrigiert werden.

Bei der Nutzung von Datenbanken tritt die Structured Query Language (SQL) in den Vordergrund. Damit formulieren Sie Kommandos, um nach Daten zu suchen (SELECT), um diese zu ändern (INSERT, UPDATE und DELETE) sowie um diverse andere Aktionen durchzuführen – beispielsweise Kommandos, die Transaktionen bündeln, neue Tabellen einrichten oder Benutzer-Accounts anlegen. In mehreren Kapiteln erläutere ich die relationale Algebra, die als wissenschaftliche Grundlage von SQL gilt, sowie die vielfältigen Anwendungsformen von SQL. Dabei gehe ich auch auf neue Entwicklungen und Randbereiche ein, z. B. auf die Formulierung rekursiver Abfragen, auf die Verarbeitung geografischer Daten oder auf den Umgang mit XML- und JSON-Dokumenten.

Mit dem Datenbankentwurf und dem Ausführen von SQL-Kommandos ist es nicht getan: Administratoren müssen sich um einen anhaltend sicheren Betrieb kümmern, Benutzer-Accounts einrichten, Backups durchführen und vielleicht ein Replikationssystem konfigurieren. In der Programmierung sind Sie für die Entwicklung von Desktop-Programmen, Weboberflächen oder Apps zuständig, die die Anwendung von Datenbanken so einfach wie möglich machen. Stored Procedures können dabei helfen, dass innerhalb der Datenbank stets bestimmte Regeln (die sogenannte Geschäftslogik) eingehalten werden. Auf all diese Aspekte gehe ich im vierten Teil dieses Buchs kurz ein, um so die ganze Bandbreite der Anwendung von Datenbankmanagementsystemen zu beleuchten.

Das relationale Modell gilt zwar seit über 30 Jahren als Industriestandard – aber es ist nicht frei von Einschränkungen und Nachteilen. Problematisch ist vor allem die mangelhafte Skalierbarkeit für extrem große Datenbanken. Deswegen hat sich in den letzten Jahren in der Datenbankwelt eine Art Gegenbewegung unter dem Sammelbegriff NoSQL etabliert. In einem eigenen Kapitel gehe ich darauf ein, durch welche Merkmale sich NoSQL-Systeme von ihren relationalen Vorgängern absetzen und unter welchen Umständen ihr Einsatz zweckmäßig ist. Ein weiteres Kapitel (neu in der 2. Auflage) zeigt anhand von MongoDB die praktische Anwendung eines NoSQL-Systems.

Viel Erfolg!

Mit diesem Buch richte ich mich an alle, die den Umgang mit Datenbanken bzw. mit Datenbankmanagementsystemen lernen und vor allem verstehen möchten. Das Buch ist als Begleitlektüre zum Datenbankunterricht in der IT-Ausbildung konzipiert, eignet sich aber auch für das Selbststudium.

Besonders wichtig war es mir, bei aller notwendigen Theorie möglichst viel Praxis einfließen zu lassen, um Ihnen das Rüstzeug für reale Projekte zu geben. Dementsprechend breit ist die Palette der im Buch präsentierten Beispiele. Viele Kapitel enden mit (oft umfangreichen) Übungs- und Wiederholungsaufgaben, deren Lösungen Sie im Anhang finden.

Ich wünsche Ihnen viel Erfolg beim Erlernen der Datenbanktheorie und bei der praktischen Anwendung dieses Wissens!

Michael Kofler (https://kofler.info)

PS: Bedanken möchte ich mich an dieser Stelle bei Prof. Thomas Eppler, bei Holger Jakobs und bei Stefan Pröll, die mir eine Menge wertvolles Feedback zum Manuskript gegeben haben.

Die Rolle von MySQL in diesem Buch

Es ist möglich, Datenbanktheorie quasi in den luftleeren Raum hinein zu vermitteln. Davon halte ich aber nichts. Damit Sie lernen, mit Datenbanken umzugehen, müssen Sie eigene Datenbanken entwerfen, mit Daten füllen und Abfragen für diese Daten testen. Deswegen sollte Ihnen bei der Lektüre dieses Buchs ein Database Management System (DBMS) zur Verfügung stehen, um die vielen in diesem Buch präsentierten Beispiele selbst auszuprobieren.

Für dieses Buch habe ich mich für MySQL als Arbeitsumgebung entschieden. Für das Open-Source-Programm sprechen einige Argumente:

• Der Datenbank-Server ist inklusive des hervorragenden Administrationswerkzeugs MySQL Workbench kostenlos für alle gängigen Plattformen verfügbar (Windows, macOS, Linux).

• MySQL ist sehr weit verbreitet und bildet für viele Websites das Datenbankfundament. MySQL-Kenntnisse sind also für Ihre weitere berufliche Arbeit vorteilhaft.

• MySQL ist gut dokumentiert.

Wie Sie den MySQL-Server und die MySQL Workbench auf Ihrem Rechner installieren und einige Musterdatenbanken einrichten, beschreibe ich im Anhang. Als zusätzlichen Service ermögliche ich Ihnen den Zugriff auf einige Musterdatenbanken direkt über das Internet. Damit können Sie ohne eine eigene Server-Installation SQL-Abfragen ausprobieren. (Ganz ersetzt dieser Service eine eigene Installation aber nicht: Sie können damit keine Daten ändern, keine eigenen Datenbanken einrichten und auch keine administrativen Funktionen ausprobieren.)

MySQL versus MariaDB

Nachdem MySQL von Oracle übernommen wurde, haben ehemalige MySQL-Entwickler das Projekt MariaDB gestartet. Das Ergebnis ist ein weitgehend kompatibler Datenbank-Server mit ein wenig abweichenden Lizenzbestimmungen. In meinem beruflichen Umfeld arbeite ich häufig mit MariaDB unter Linux.

Für dieses Buch habe ich mich aber ganz pragmatisch auf MySQL festgelegt. Im Vordergrund des Buchs stehen Datenbankgrundlagen. Es fehlt der Platz, um auf die kleinen Unterschiede zwischen MySQL und MariaDB einzugehen. Durch die Beschränkung auf ein Programm bleiben Installationsanleitungen, der Umgang mit Beispielen usw. übersichtlicher.

Wenn Sie schon mit MariaDB vertraut sind, können Sie dieses DBMS selbstverständlich auf Ihrem Testrechner verwenden. Fast alle in diesem Buch präsentierten Beispiele funktionieren auch dort.

Glossar

In diesem Buch kommen einige Abkürzungen immer wieder vor, ohne dass ich sie jedes Mal neu erläutere.

Kürzel	Bedeutung

ACID	Atomicity, Consistency, Isolation und Durability

API	Application Programming Interface (Programmierschnittstelle)

DB

Database

DBMS	Database Management System

ER-Modell

Entity-Relationship-Modell

FK ...

Über Autor(innen)

Kofler, Michael
Michael Kofler hat Telematik an der TU Graz studiert und ist einer der erfolgreichsten deutschsprachigen IT-Fachbuchautoren. Zu seinen Themengebieten zählen neben Linux auch IT-Sicherheit, Python, Swift, Java und der Raspberry Pi. Er ist Entwickler, berät Firmen und
arbeitet als Lehrbeauftragter.