'
&
$
%1E
infü
hrun
g,A
rchi
tekt
ur
Aus
gang
spun
ktIS
wer
den
anvi
elen
Stel
len
eing
eset
zt
Pro
blem
Was
gena
uis
tei
nIS
?U
nter
wel
chen
Asp
ekte
nw
erde
nIS
hier
beha
ndel
t?
Lösu
ngD
efini
tion
von
IS;
Blic
kwin
kela
ufIS
,in
sbes
.In
form
atik
-Sic
htw
eise
• Beispiele für Anwendungen
• Grundformen
• Definition Informationssysteme
– große Datenmengen
– Verfügbarkeit
– Verläßlichkeit
– Mehrbenutzerbetrieb
– Datenverwaltung
∗ Speicherung∗ Anfragen∗ Änderungen
• Blickwinkel auf IS
– Modell einer Miniwelt
– eigenständige Miniwelt
– Vermitteln von Mitteilungen
• Sichtweisen der informatik:
– Paradigmen: Theorie, Abstraktion, Design
– formale Sprachen: erfinden, verwirklichen, be-nutzen
• Programmieren - stufenweises Vorgehen
• Gliederung der Vorlesung
• Literatur
'
&
$
%2M
odel
lieru
ng
Aus
gang
spun
ktD
aten
inIS
habe
nre
gelm
äßig
eSt
rukt
urun
dw
erde
nin
best
imm
-te
rA
rtun
dW
eise
vera
rbei
tet
Pro
blem
Wie
kann
man
Stru
ktur
und
Ver
halt
enan
wen
dung
snah
besc
hrei
ben?
Lösu
ngE
R-M
odel
l,R
egel
grap
hen,
Pet
ri-N
etze
• Semantische Begriffe für die Modellierung
• Ansatz für ein Begriffsgerüst
– Seiendes
– Eigenschaft/Attribut
– Rolle
– Klassenbildung (Abstraktion)
– Aussonderung (Spezialisierung)
– Verallgemeinerung (Generalisierung)
– Aggregation
• statische Gesichtspunkte
– Bedingungen
– Regeln
• dynamische Gesichtspunkte
– Information
– Mitteilung
– Verstehen
• Verpflichtungen
• Begriffsgerüst für die Modellierung
• zeitabhängige / zeitunabhängige Teile
• Schema und Instanz
'
&
$
%3Lo
gik,
Men
genl
ehre
Aus
gang
spun
ktG
rund
kenn
tnis
sein
Logi
kun
dM
enge
nleh
re
Pro
blem
Wel
che
Gru
ndla
gen
wer
den
für
das
Ver
stän
dnis
des
Folg
ende
nbe
nöti
gt?
Gib
tes
eine
nB
ezug
zude
nse
man
tisc
hen
Beg
riff
enau
sde
rM
odel
lieru
ng?
Lösu
ngG
rund
begr
iffe
aus
Logi
kun
dM
enge
nleh
re;
Geg
enüb
erst
ellu
ngzu
sem
an-
tisc
hen
Beg
riff
en
• Prädikatenlogik
– Syntax
– Semantik
• Mengenlehre
• semantische Begriffe
• Gegenüberstellung: Begriffe / Logik + Mengenlehre
– semantische Begriffe
– Syntax
– Semantik
• Gegenüberstellung: Begriffe / proz. Programmier-sprachen
'
&
$
%4Lo
goda
t,S
chem
as
Aus
gang
spun
ktE
R-M
odel
lzur
sem
anti
sche
nM
odel
lieru
ng
Pro
blem
ER
-Mod
ellk
ann
man
nich
tpr
ozes
sier
en;
eini
geA
spek
tede
rA
nwen
dung
(z.B
.R
egel
n)kö
nnen
schl
echt
dari
nfo
rmul
iert
wer
den
Lösu
nglo
gikb
asie
rtes
Mod
ell:
LOG
OD
AT
;Sy
ntax
und
Sem
anti
k
• Datenmodell
• logikorientiertes Datenmodell: LOGODAT
• semantischer Begriff vs. Darstellung in LOGODAT
• Schreibweisen
• LOGODAT-Struktur
• Logik und LOGODAT
• LOGODAT-Schema
• Beispiel:
– ER-Diagramm
– LOGODAT-Schema
– Hypergraph der EDB-Komponente
• Semantik eines LOGODAT-Schemas
– Ausprägung
– Basisrelation
– Vervollständigung
– Sichtrelation
– Instanz
• Beispiel
'
&
$
%5Lo
goda
t,O
per
atio
nen
Aus
gang
spun
ktLO
GO
DA
T-S
chem
as;
bish
erke
ine
Anf
rage
n/Ä
nder
unge
n!
Pro
blem
Wie
lass
ensi
chA
nfra
gen
und
Änd
erun
gen
inLO
GO
DA
Tfo
rmul
iere
n?
Lösu
ngSy
ntax
und
Sem
anti
kvo
nLO
GO
DA
T-O
pera
tion
en
• LOGODAT-Operationen:
– Anfrage
– Änderung
• Deklarative Semantik von LOGODAT-Operationen:
– Anfragen
– Änderungen
• Operationale Fixpunktsemantik
'
&
$
%6Lo
goda
t,F
ixpu
nkts
eman
tik
Aus
gang
spun
ktLO
GO
DA
Tbi
etet
mäc
htig
eA
nfra
geop
erat
ione
n,in
sbes
onde
redu
rch
Rek
ursi
on
Pro
blem
Wie
kann
man
reku
rsiv
eA
nfra
gen
korr
ekt
proz
essi
eren
?
Lösu
ngFi
xpun
ktsa
tz;
Äqu
ival
enz
von
dekl
arat
iver
und
oper
atio
nale
rSe
man
tik
• Grundfakten-Transformation
– Definition
– Monotonie und Stetigkeit: Satz, Bewweis
• Fixpunktsatz von Tarski-Kleene
• kleinster Fixpunkt
• Fixpunktsemantik von LOGODAT-Anfragen
• grundlegende Eigenschaften von Grundfakten-Transformationen
• Hilfssatz
• Äquivalenz von deklarativer Semantik und operatio-naler Fixpunktsemantik
• Korrektheit und Vollständigkeit der Fixpunktseman-tik
– Satz
– Beweis
'
&
$
%7R
elat
iona
leS
chem
as
Aus
gang
spun
ktLO
GO
DA
Tal
slo
gisc
hes
Dat
enm
odel
l
Pro
blem
LOG
OD
AT
ist
ein
kaum
impl
emen
tier
tes
Dat
enm
odel
l,ab
eräh
nlic
hzu
mre
lati
onal
enM
odel
l
Lösu
ngB
esch
reib
ung
des
rela
tion
alen
Dat
enm
odel
ls
• Relationales Datenmodell
– Notation
– Relationenschema und Instanz
– Relationales Datenbankschema und Instanz
– Beispiel
• Schema als Selbstbeschreibung
– Metaschema für relationale Datenbanken
– Hypergraph zum Metaschema
– Beispiel
'
&
$
%8R
elat
iona
leO
per
atio
nen
Aus
gang
spun
ktW
irha
ben
das
Rel
atio
nale
Dat
enm
odel
lke
nnen
gele
rnt,
aber
noch
kein
eO
pera
tore
n
Pro
blem
Wel
che
Ope
rati
onen
gibt
esim
rela
tion
alen
Mod
ell?
Lösu
ngR
elat
iona
leO
pera
tion
en:M
enge
nope
rati
onen
,Ope
rati
onen
auf
eine
r/zw
eiR
elat
ione
n
• natürlicher Verbund
• Selektion mit A=c
• Projektion
• Selektion mit Spaltenvergleich
• Vereinigung
• Komplement
• Differenz
• Division
'
&
$
%9R
elat
iona
leA
nfra
gen
Aus
gang
spun
ktB
ishe
rnu
rdi
eO
pera
tore
nde
sR
elat
ione
nmod
ells
kenn
enge
lern
t
Pro
blem
Wie
lass
ensi
chko
mpl
exer
eA
nfra
gen
(z.B
.aus
LOG
OD
AT
)fo
rmul
iere
n?
Lösu
ngR
elat
ione
nalg
ebra
;M
ächt
igke
itim
Ver
glei
chzu
LOG
OD
AT
• Anfragen
• Definition: relationale Anfrage
• Definition: relationale Anfragesprache
• Relationenalgebra
• transitive Hülle
• Logikorientierte Datenmodelle
• Mächtigkeit der Relationenalgebra: Satz, Beweis
• Formalisierung von Anfragen
• Beispiel
'
&
$
%10R
elat
ione
nkal
kül
Aus
gang
spun
ktR
elat
ione
nalg
ebra
als
proz
edur
ale
Anf
rage
spra
che,
LOG
OD
AT
als
nich
tim
plem
enti
erte
logi
sche
Anf
rage
spra
che.
Pro
blem
Gib
tes
logi
sche
Anf
rage
spra
che,
die
äqui
vale
ntzu
rR
elat
ione
nalg
ebra
ist?
Lösu
ngR
elat
ione
nkal
kül:
Synt
axun
dSe
man
tik;
Mäc
htig
keit
imV
ergl
eich
zuR
elat
ione
nalg
ebra
und
LOG
OD
AT
• Syntax
• Semantik
• Gleichmächtigkeit von Algebra und Kalkül
– Satz
– Beweis
• negationsfreie Universum-unabhängige Relationen-algebra L
– Definition
– Abildung nach LOGODAT (Satz, Beweisskizze)
'
&
$
%11S
QL
Aus
gang
spun
ktR
elat
ione
nkal
kül
als
logi
sche
Anf
rage
spra
che
des
Rel
atio
nenm
o-de
lls
Pro
blem
Rel
atio
nenk
alkü
list
nich
tdi
rekt
als
Com
pute
rspr
ache
geei
gnet
Lösu
ngSQ
Lal
sst
anda
rdis
iert
eD
aten
bank
spra
che
• Kalkülteil
– Dreischrittverfahren
– Vereinfachungen
– Beispiele
• algebraischer Teil von SQL
– algebraischer, arithmetischer und textverarbei-tender Teil
– Natürlicher Verbund
– A=c-Selektion
– Projektion
– Vereinigung
– A=B-Vergleich
– Differenz
'
&
$
%12Z
ugri
ffss
truk
ture
n
Aus
gang
spun
ktR
elat
ione
nmod
ell(
inkl
.O
pera
tion
en)
Pro
blem
Wel
che
Dat
enst
rukt
uren
wer
den
verw
ende
t,um
sow
ohl
Änd
erun
gen
als
auch
Anf
rage
neffi
zien
tzu
real
isie
ren?
Lösu
ngT
upel
-ID
vs.
Tup
elad
ress
e;Z
ugri
ffss
truk
ture
n:Li
ste,
B∗ -
Bau
m,
Link
s
• Dauerhaftigkeit
• Lebensdauer eines Tupels
• Tupel-ID → Tupeladresse
• Effizienz für Anfragen und Änderungen
• Zugriffsstrukturen
– sequentielle Liste
– B∗-Baum
– Links
'
&
$
%13V
erbu
nd-A
lgor
ithm
en
Aus
gang
spun
ktO
pera
tion
enun
dZ
ugri
ffss
truk
ture
nde
sR
elat
ione
nmod
ells
Pro
blem
Ver
bund
ist
kom
plex
este
Ope
rati
onde
sR
elat
ione
nmod
ells
—w
ielä
sst
sich
dies
eeffi
zien
tre
alis
iere
n?
Lösu
ngV
erbu
nd-A
lgor
ithm
en:
Nes
tedL
oop,
Sort
iert
esM
isch
en,
Link
-Ver
bund
,H
ash-
Filt
er-V
erbu
nd
• natürlicher Verbund
• Hauptaufgabe jeder Verwirklichung
• NestedLoop
– Grundidee
– Strukturen für den NestedLoop-Verbund
– NestedLoop mit Blockliste
– Aufwandsabschätzung
• Sortiertes Mischen
• Link-Verbund
• Hash-Filter-Verbund
'
&
$
%15T
rans
akti
onen
Aus
gang
spun
ktO
pera
tion
ende
sR
elat
ione
nmod
ells
Pro
blem
Änd
erun
gen
imM
ehrb
enut
zerb
etri
ebkö
nnen
zuun
erw
ünsc
hten
Eff
ekte
nfü
hren
Lösu
ngT
rans
akti
onen
als
zent
rale
sK
onze
ptzu
rG
rupp
ieru
ngzu
sam
men
gehö
ren-
der
Änd
erun
gen
• Anforderungen (bzgl. Ablaufintegrität)
• Parallelität und Unabhängigkeit
• ACID-Eigenschaften
– atomicity
– consistency
– isolation
– durability
• Transaktionen erhalten Bedingungen
• Transaktionen laufen parallel und voneinanderunabhängig ab
• Korrekte Reihenfolgen
• Anweisungen, Transaktionen, Pläne
• Read/Write-Modell
'
&
$
%16K
onfli
kt-S
eria
lisie
rbar
keit
Aus
gang
spun
ktT
rans
akti
onen
imM
ehrb
enut
zerb
etri
eb
Pro
blem
Wel
che
Sche
dule
ssi
ndzu
läss
ig?
Lösu
ngK
onfli
kt-S
eria
lisie
rbar
keit
zur
Ken
nzei
chnu
nger
laub
ter
Sche
dule
s
• Konflikte
• Konflikt-Äquivalenz von Read/Write-Plänen,Konflikt-Serialisierbarkeit
– Konfliktgraphen
– Serialisierbarkeits-Test
– Transaktion und Konflikte
– Plan und Konfliktgraph
– Konflikt-Äquivalenz
• Abbruch, Wirksamwerden und Versionen
– Abbruch von Transaktionen
• Versionsfunktion
'
&
$
%17S
ched
uler
Aus
gang
spun
ktK
onfli
kt-S
eria
lisie
rbar
keit
zur
Ken
nzei
chnu
nger
laub
ter
Sche
dule
s
Pro
blem
Gew
ährl
eist
ung
von
Kon
flikt
-Ser
ialis
ierb
arke
itim
lauf
ende
nB
etri
eb
Lösu
ngSp
erre
nun
dSp
errp
roto
kolle
• Aufgaben
• Grobstruktur eines Schedulers
• Sperren
– Sperrprotokoll-Scheduler
– Erweiterung des Read/Write Modells um Sperren
– Semantik von Sperren
– Verträglichkeiten
– Arbeitsweise Sperrprotokoll-Scheduler
• Zwei-Phasen-Sperrprotokol
– Konflikt-Serialisierbarkeit unter dem Zwei-Phasen-Sperrprotokoll
– Sperrprotokoll-Scheduler verlangt Zwei-Phasen-Sperrprotokoll
– Verklemmungen
– Striktes Sperrverhalten
• Baum-Sperrprotokoll
– Sperren für baumartige Objektstrukturen
– Baum-Sperrprotokoll
– Konflikt-Serialisierbarkeit unter dem Baum-Sperrprotokoll
• Warn-Sperrprotokoll
– Motivation, Definition
– Warn-Sperrprotokoll
– Warn-Sperrprotokoll-Scheduler
– Konflikt-Serialisierbarkeit unter dem Warn-Sperrprotokoll
• Zeitmarken-Scheduler
– Idee, Arbeitsweise
– Konflikt-Serialisierbarkeit unter dem Zeitmarken-Scheduler
– Nutzlose Schreibanweisungen
– Unvergleichbarkeit von Zwei-Phasen-Sperrprotokollund Zeitmarken-Scheduler
• Pessimistische und optimistische Scheduler
'
&
$
%18S
icht
-Ser
ialis
ierb
arke
it
Aus
gang
spun
ktK
onfli
kt-S
eria
lisie
rbar
keit
oftm
als
zust
reng
–Si
cht-
Seri
alis
ierb
arke
ital
sA
lter
nati
ve:
betr
acht
etE
ndzu
stan
dun
dge
lese
neD
aten
Pro
blem
Gew
ährl
eist
ung
von
Sich
t-Se
rial
isie
rbar
keit
imla
ufen
den
Bet
rieb
Lösu
ngT
est
auf
Sich
t-Se
rial
isie
rbar
keit
;V
ergl
eich
Kon
flikt
-Ser
ialis
ierb
arke
it/
Sich
t-Se
rial
isie
rbar
keit
imla
ufen
den
Bet
rieb
• Access-Modell
– Access-Pläne
– Semantik von Access-Plänen
– Endzustand-Äquivalenz von Access-Plänen,Endzustand-Serialisierbarkeit
– Serialisierbarkeitsgraph, Serialisierbarkeitstest
• Read/Write-Modell
– Semantik von Read/Write-Plänen
– Wertverlaufs-Semantik
– Sicht-Äquivalenz von Read/Write-Plänen, Sicht-Serialisierbarkeit
– Serialisierbarkeitsgraphen
– Serialisierbarkeitstest
• Konflikt-Serialisierbarkeit vs. Sicht-Serialisierbarkeit
– Konflikt-Serialisierbarkeit impliziert Sicht-Serialisierbarkeit
– Konflikt-Serialisierbarkeit echt strenger als Sicht-Serialisierbarkeit
• Projektion von Plänen
– Monotonie der Konflikt-Serialisierbarkeit
– Konflikt-Serialisierbarkeit ist größte monotoneTeilklasse von Sicht-Serialisierbarkeit
'
&
$
%20O
bjek
tori
enti
erte
Mod
elle
Aus
gang
spun
ktE
R-M
odel
l,re
lati
onal
esM
odel
l
Pro
blem
groß
eD
ista
nzzw
isch
enE
R-
und
rela
tion
alem
Mod
ell
Lösu
ngob
jekt
orie
ntie
rte
Dat
enm
odel
le:
unm
itte
lbar
eU
nter
stüt
zung
sem
anti
sche
Kon
zept
e
• Logik- vs. objektorientierte Datenmodelle
• Objektorientierte Nachbildungen
• Objekte:
– Aufbau
– Eigenschaften
– Klassen und Typen
– Surrogate und Werte
• objektorientierte Beschreibung des relationalenDatenmodells
– Typen
– Anfragetypen
– Ergebnisse von Anfragen
– Strukturelle und operationale Gesichtspunkte
• Modellierung semantischer Bedingungen im relatio-nalen und im objektorientierten Modell
– Beziehungen
– Aussonderungs- und Verallgemeinerungsbedin-gungen
– Spezialisierungshierarchie struktureller Typen
– Inklusionshierarchie von Klassen
– Verallgemeinerungsbedingung und abstrakteKlassen
'
&
$
%24S
chem
aent
wur
f
Aus
gang
spun
ktE
R-M
odel
l,re
lati
onal
esM
odel
l
Pro
blem
Wie
kom
mt
man
zuei
ner
gute
nM
odel
lieru
ng?
Lösu
ngK
rite
rien
für
eine
ngu
ten
Ent
wur
f;E
ntw
urfs
heur
isti
ken
• Entscheidungen und ihre wechselseitige Abhängig-keit
• Seiende
• grundlegende Beziehungen und Handlungen
• Vollständigkeit und Redundanzfreiheit
• Entwurfsheuristiken
• Aufgaben der Entwurfstheorie
'
&
$
%25Fu
nkti
onal
eA
bhän
gigk
eite
n
Aus
gang
spun
ktR
elat
ione
nmod
ell
Pro
blem
Ber
ücks
icht
igun
gfu
nkti
onal
erA
bhän
gigk
eite
nbe
imSc
hem
aent
wur
f
Lösu
ng3.
Nor
mal
form
,B
oyce
-Cod
d-N
orm
alfo
rm
• funktionale Abhängigkeiten:
– Syntax, Semantik und Pragmatik
– logische Implikationen
– Abschluß einer Attributmenge: Satz, Beweis
• Schlüssel
– Definition
– Relationenschemas mit genau einem Schlüssel:Satz, Beweis
• 3. Normalform
• Boyce / Codd-Normalform
'
&
$
%26V
erbu
ndab
häng
igke
iten
Aus
gang
spun
ktR
elat
ione
nmod
ell
Pro
blem
Ber
ücks
icht
igun
gm
ehrw
erti
ger
Abh
ängi
gkei
ten
beim
Sche
mae
ntw
urf
Lösu
ng4.
und
5.N
orm
alfo
rm
• mehrwertige Abhängigkeiten
– Konzept
– Syntax, Semantik und Pragmatik
– mengenwertige Funktionalität und Produktbil-dungen
– logische Implikationen
• logische Implikationen
– für mehrwertige Abhängigkeiten
– für funktionale und mehrwertige Abhängigkeiten
– Korrektheit einiger Implikationen
• 4. Normalform
• Verbundabhängigkeiten
– Konzept
– Syntax, Semantik und Pragmatik
• 5. Normalform
'
&
$
%27E
ntha
lten
sein
sabh
ängi
gkei
ten
Aus
gang
spun
ktre
lati
onal
eE
ntw
urfs
theo
rie,
obje
ktor
ient
iert
erE
ntw
urf
Pro
blem
Ber
ücks
icht
igun
gde
rIn
klus
ions
hier
arch
ievo
nK
lass
enbe
imre
lati
onal
enE
ntw
urf
Lösu
ngE
ntha
lten
sein
sabh
ängi
gkei
ten
refe
renz
iere
nSc
hlüs
sel
• Enthaltenseinsabhängigkeiten
– Konzept
– Einbettung
– ... im logikorientierten Datenmodell
– Formalisierung der Aussonderungs- und Verweis-bedingungen der Modellierung
• Implikationen
– von Enthaltenseinsabhängigkeiten
– von funktionalen Abhängigkeiten und Enthalten-seinsabhängigkeiten
– Reflexivität, Transitivität, Projektion und Per-mutation: Satz, Beweis
• Zusammenwirken von funktionalen Abhängigkeitenund Enthaltenseinsabhängigkeiten
– Unentscheidbarkeit
– entscheidbare Spezialfälle: F-I-Rückschluß, F-I-Vereinigung
'
&
$
%28E
ntw
urfs
verf
ahre
n
Aus
gang
spun
ktA
bhän
gigk
eite
n,N
orm
alfo
rmen
Pro
blem
Wie
kom
mt
man
beig
egeb
enen
Abh
ängi
gkei
ten
zuei
nem
gute
nSc
hem
a?
Lösu
ngG
ütek
rite
rien
für
Sche
mat
a;Ä
quiv
alen
zvo
nSc
hem
ata;
Zer
legu
ngs-
und
Synt
hese
verf
ahre
n
• wünschenswerte Eigenschaften und verbotene Teil-strukturen
– Relationenschema mit genau einem Schlüssel
– 3. Normalform
– Boyce/Codd-Normalform
– 4. Normalform
– 5. Normalform
– Enthaltenseinsabhängigkeiten referenzierenSchlüssel
• Kosten beim Betreiben einer Datenbank
– Kostenarten: Speicherungskosten, Anfrageko-sten, Änderungskosten
– Rolle der Normalformen
– Redundanzfreiheit
• wünschenswerte Eigenschaften von Schemas
– Entwurfsheuristiken für eine gute Modellierung
– Kostenoptimierung (insbes. Speicherungs- undÄnderungskosten)
• halbalgorithmisches Verfahren zum Entwurf vonDatenbankschemas
– Algorithmus
– Transformationen
– Äquivalenzkriterium: Instanzenunterstützung
• Zerlegungen gemäß einer Verbundabhängigkeit
– Verbund-Unterstützung eines Universalrelation-Schemas
– Verbund-Unterstützung eines Universalrelation-Schemas mit funktionalen Abhängigkeiten
– Verbund-unterstützte Zerlegung in Boyce /Codd-Normalform
– Boyce / Codd-Normalform und treue Unterstüt-zung
– treue Zerlegungen
– treue Verbund-Unterstützung eines Universalrelation-Schemas mit funktionalen Abhängigkeiten
• treue Verbund-unterstützte Synthese in 3.Normal-form