7 Datenmodellierung und Datenbanken

1 Peter HubwieserDidaktik der Informatik IWS 1998/99 seite 17 Datenmodellierung und Datenbankenberall dort, wo es um die Aufbewahrung oder Verarbeitung von gro en Datenmengen geht,sind Datenbanksysteme im Spiel. Diese Informations-Massenlager sind darauf spezialisiert,den Umgang mit gro en Datenmengen zu vereinfachen. Dafr wird meist eine standardisierteSchnittstelle zur Verfgung Umgang mit einem Datenbanksystem ist relativ unproblematisch, falls diezugrundeliegende Datenstruktur gut an das Problem angepa t ist und einigeRandbedingungen erfllt. Zur die Entwicklung solcher Datenstrukturen gibt es einigebewhrte Techniken, die wir nun kennenlernen gesamten Entwicklungsproze wollen wir anhand speziellen Beispiels aus demBibliotheksbereich veranschaulichen. Allerdings verzichten wir dabei auf eine vollstndigeBehandlung des gesamten Systeme und besprechen jeweils nur Ausschnitte Informelle Beschreibung des SystemsAnfangs veranstalten wir eine Art Brainstorming , indem wir den gesamten fr unsrelevanten Wirklichkeitsausschnitt genau ansehen.

2 Dazu holen wir alle ntigen Informationenber die Anforderungen ein, informieren uns ber Randbedingungen, auf deren Gestaltungwir keinen Einflu haben, bestimmen die Grenzen des Systems und seine geplanteFunktionalitt. Die spteren Nutzer werden ausfhrlich nach ihren Wschen undVorstellungen unserem Beispiel soll eine kleine Bibliothek elektronisch verwaltet werden. Dazu mssenInformationen zu Buchtiteln, Exemplaren, Autoren und Bibliothekskunden gespeichert undverarbeitet werden Bibliothek verfgt ber einen Internet-Anschlu , weshalb das Frontend des Systems bereinen Webbrowser bedient werden DatenmodellierungNach der weichen informellen Beschreibung ist es nun Zeit, das System hart zubeschreiben, also formal zu beschreiben. Dafr gibt es eine Reihe von Techniken, die je nachden Eigenheiten des Systems Vor- und Nachteile haben. Im Datenbankbereich ist die Entity-Relationship Modellierung die mit Abstand hufigste und erfolgreichste Entity-Relationship ModellNun entwerfen wir ein solches Entity-Relationship Modell fr unser System.

3 Es besteht auseiner Menge von Entittsklassen und Beziehungen zwischen diesen Entittsklassen. Solangewir nicht (mathematisch) exakt die Bedeutung der einzelnen Symbole von ER-Modellenfestgelegt haben, haben wir es allerdings genau genommen immer noch mit einer informellen(intuitiven) Modellierungstechnik zu erste Schritt besteht in der Identifizierung der Entitten. Hierbei handelt es sich umindividuelle und identifizierbare Elemente, Objekte, Individuen, Sachen, Begriffen, innerhalb des Systems. Diese Entitten werden durch ihre Eigenschaften (Attribute)beschrieben:Peter HubwieserDidaktik der Informatik IWS 1998/99 seite 2 Titel: Frulein Smillas Gespr fr SchneeAutor:Peter H egVerlag:Carl HanserOrt:MnchenJahr1994 ISBN3-499-13599-xPreis19,90 Exemplare3 Zustandgut, sehr gut, gutStandortZimmer 3, Regal 5, Fach 7,7 und 8, Platz 3, 15,12 NameH egVornamePeterLandDnemarkandere Buchtitel Der Plan von der Abschaffung des Dunkels eTegtmllerweg 9 PLZ80089 OrtMnchenTelefon(089) 383 245 12 SperrekeineEntittsklassenEntitten mit gleichen Eigenschaften werden dann unter einem Oberbegriff zu Entittsklassenzusammengefa t.

4 In unserem Fall stellen wir fest, da die Mglichkeit, mehrere Exemplare jeBuch zu verwalten, bei der Klassifizierung Probleme macht. Wir fhren also eine eigeneEntitt fr die Exemplare ein. Bei den Personen stellen wir Unterschiede bei den Attributenvon Autoren und Ausleihern fest. Damit erhalten wir vorerst die folgenden Entittsklassen(mit den Attributen in Klammern): Buchtitel (Titel, Autor, Verlag, Ort, Jahr, ISBN, Preis) Exemplar (Bezeichnung, Zustand, Aufnahmedatum) Standort (Zimmer, Regal, Fach, Platz) Autor (Name, Vorname, Land, andere) Kunde (Name, Vorname, Geburtsdatum, Stra e, PLZ, Ort, Telefon, Sperre)Allerdings haben wir immer noch einige Probleme: Wie sollen die Zuordnungen von Buchtiteln zu Autoren, Exemplaren und Kunden geregeltwerden ? Wie soll man mit der Liste weiterer Verffentlichungen (andere) bei den Autorenumgehen?

5 BeziehungenDie Lsung wird durch das Konzept der Beziehungen (relationships) zwischen Entittsklassengeliefert. Buchtitel und Autor werden durch die Beziehung verfasst_von verbunden. Damiterbrigt sich gleichzeitig die Verwaltung von weiteren Exemplaren . Buchtitel undPeter HubwieserDidaktik der Informatik IWS 1998/99 seite 3 Exemplar knnen durch die Beziehung ist_vorhanden verknpft werden, Exemplar undKunde durch die Beziehung ausgeliehen_von, Exemplar und Standort durch genauer Blick auf die Situation zeigt uns, da auch die Beziehungen Eigenschaften(Attribute) haben knnen. So ist es etwa sinnvoll, unsere Beziehung ausgeliehen_von mit denAttributen Datum und Bearbeiter zu die bersicht zu bewahren, stellt man ER-Modelle meist graphisch in speziellen ER-Diagrammen dar. Seine Elemente sind Entittsklassen (Rechtecke), Beziehungen zwischendiesen Entittsklassen (Rauten) und Eigenschaften (Attribute) der Entittsklassen undBeziehungen, symbolisiert durch Ellipsen.

6 In unserem Fall erhalten wir das ER-Diagrammaus Abbildung telAutorKundeExemplarverfasst_vonis t_vorhandenausgel iehen_vonTitelAutorVerl ePLZOrtTel .Sper 1: ER-Diagramm der BibliothekIn umfangreicheren ER-Diagrammen l t man die Attribute zugunsten der bersichtlichkeitmeist weg. Diese mssen dann allerdings getrennt in eigenen Tabellen notiert Umsetzung des Entwurfs in ein reales Datenbanksystem ist es von gro er Bedeutung,wieviele Entitten der einen seite durch eine bestimmte Beziehung mit Entitten der anderenSeite verbunden werden knnen. Dies Eigenschaft hei t Kardinalitt der Beziehung. In einemgroben Ansatz gibt es dafr drei Mglichkeiten: Kardinalitt 1:1 Einer Entitt der einen seite wird genau eine Entitt der anderen seite zugeordnet 2, Regal 2, Fach 12, Platz 14 Peter HubwieserDidaktik der Informatik IWS 1998/99 seite 412110 Zimmer 3, Regal 3, Fach 1, Platz 1223311 Zimmer 1, Regal 12, Fach 12, Platz 21ber die Problematik der Identifikation von Entitten ber spezielle Schlsselattributewerden wir uns spter Gedanken machen Kardinalitt 1:nEiner Entitt der einen seite knnen mehrere Entitten der anderen seite zugeordnet werden,umgekehrt aber hchstens eine EntittBuchtitelist_vorhandenExemplarFrul ein Smillas.

7 10223 Frulein Smillas ..10224 Frulein Smillas ..10225 Kardinalitt n:mEiner Entitt der einen seite knnen mehrere Entitten der anderen seite zugeordnet werdenund umgekehrt. Dieser Fall kann immer in zwei Beziehungen mit den Kardinalitten 1:mbzw. n:1 aufgelst t_vonAutorPhysik, Jahrgangsstufe 8 Herbert KnauthPhysik, Jahrgangsstufe 8 Siegfried KhnelPhysik, Jahrgangsstufe 8 Hubert SchafbauerFrulein Smillas Gespr fr SchneePeter H egDer Plan von der Abschaffung des DunkelsPeter H egDiese n:m-Beziehung knnte man auflsen inverfa (1:n)undhat_verfa t (m:1)Im ER-Diagramm notieren wir die Kardinalitten mit Hilfe der entsprechenden Zahlen amlinken und rechten Anknpfungspunkt der t_vonnmAbbildung 2: Notation der Kardinalitt im Relationale ModellierungParallel zum ER-Modell knnte man auch gleich von Beginn an ein relationales Modellaufbauen, mit dem man bereits auf der Ebene der Implementierung in einer relationalenDatenbank (siehe unten) angekommen wre.

8 Die Einhaltung von Normalformen sorgt beidiesem Vorgehen dafr, da am Ende eine brauchbare Datenstruktur entsteht. In der Regel istdas Ergebnis dieser Strategie identisch mit dem Produkt, das man durch Umformung einesguten ER-Modells in ein relationales Modell erhlt. Diese Umformung wird im nchstenKapitel HubwieserDidaktik der Informatik IWS 1998/99 seite 5 RelationenDer Name des Modells stammt vom mathematischen Begriff der Relation ab. Einemathematische Relation R ist eine Menge von Tupeln r = (r1, .. ,rn), deren Komponenten rijeweils aus einer bestimmten Grundmenge Ri stammen. Dann ist die Menge aller Tupel genaudas Kartesische Mengenprodukt R1 x R2 x .. x Rn. Eine Relation R ist eine Teilmenge diesesProduktes: R = {r | r = (r1, .. ,rn) r1 R1 , .. , rn Rn} R1 x .. x RnEin entscheidendes Merkmal einer Relation ist ihre (feste) Stelligkeit, die Anzahl derElemente ihrer Tupel.

9 In der Informatik verwendet man als Grundmengen anstelle der inderMathematik blichen Zahlenmengen oft selbstdefinierte Mengen von Bezeichnern (Namen),sogenannte Sorten oder Typen, wie etwa Ort = {Bad Aibling, Kolbermoor Mnchen,Rosenheim, Gro karolinenfeld, ..} oder Mnner = {Ernst Huber, Franx Muxeneder, HannoBuckmann, ..}Beispiele fr Relationen:1. Wir betrachten die Mengen A = {2, 3, 4} und B = { 5, 6, 8} sowie die Relation R1 = {(a,b) A x B | a teilt b}. Dann besteht das kartesische Produkt A x B aus den allen Paaren(2-Tupeln), die man durch Kombination eines Elementes aus A und eines Elementes ausB bilden kann, also aus 3 * 3 = 9 Paaren : A x B = {(2, 5), (2, 6,), (2, 8), (3, 5), (3, 6), (3, 8), (4, 5), (4, 6), (4, 8)}R1 enthlt dagegen nur die Paare (a, b) A x B, fr welche die Relationsbedingung ateilt b erfllt ist:R1 = {(2, 6), (2, 8), (3, 6), (4, 8)}.

10 2. Die Relation R2 = ist_verheiratet_mit ist eine Teilmenge des 2-stelligenMengenproduktes Mnner x Frauen:(Anna Mller, Ernst Huber) R2 Anna Mller ist_verheiratet_mit Ernst Huber3. Die 3-stellige Relation R3 = Adresse ist ein Teil des Mengenproduktes Stra e x PLZ xOrt. Dazu knnten die folgenden 3-Tupeln gehren:(Sudetenstr. 16, 83059, Kolbermoor), (Westendstr. 4a, 83043 Bad Aibling)Je hher die Stelligkeit einer Relation ist, desto bersichtlicher wird es, sie in Tabellenformzuschreiben. Unser letzes Beispiel knnte dann etwa so aussehen:Sudetenstr. 1683059 KolbermoorWestendstr. 4a83043 Bad AiblingRmerstr. 1180333 MnchenRelationales ModellEin relationales Modell besteht aus einer Menge von Tabellen (T1, .. , Tn), die jeweils auseiner (grundstzliche unbeschrnkten) Menge von Datenstzen (Tupeln) mit gleicher StrukturPeter HubwieserDidaktik der Informatik IWS 1998/99 seite 6bestehen: Ti = {d1.}