SQL- & NoSQL-Datenbanken

275 Pages·2016·6.78 MB·German

by  Andreas Meier

AndreAs Meier
MichAel KAufMAnn
SQL- & NoSQL-
Datenbanken
8. AuflAge
eXamen.press
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http://www.springer.com/series/5520
eXamen.pressisteineReihe,dieTheorieundPraxisausallenBereichenderInformatik
fu¨rdieHochschulausbildungvermittelt.
Andreas Meier (cid:129) Michael Kaufmann
SQL- & NoSQL-Datenbanken
8., überarbeitete und erweiterte Auflage
AndreasMeier MichaelKaufmann
Institutfu¨rInformatik Departementfu¨rInformatik
Universita¨tFribourg HochschuleLuzern
Fribourg,Schweiz Rotkreuz,Schweiz
ISSN1614-5216
eXamen.press
ISBN978-3-662-47663-5 ISBN978-3-662-47664-2(eBook)
DOI10.1007/978-3-662-47664-2
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Geleitwort
Der Begriff „Datenbank“ geho¨rt la¨ngst zum Alltagswortschatz. Manager und Verwal-
tungsangestellte, aber auch Studierende fast aller Fachrichtungen verwenden ihn ha¨ufig.
Sie verstehen darunter eine sinnvoll organisierte Sammlung von computergespeicherten
Datensa¨tzen, in denen gezielt Daten gesucht und eingesehen werden ko¨nnen. Wie und
warumdasmo¨glichist,u¨berlassensiegernedenDatenbankspezialisten.
Datenbanknutzer scheren sich meist wenig darum, welche immateriellen und wirt-
schaftlichenWerteinjedereinzelnenDatenbankstecken.Dasgiltsowohlfu¨rdasErsatz-
teillagersystem eines Autoimporteurs, fu¨r die Computerlo¨sung mit den Kundendepots
einerBankalsauchfu¨rdasPatienteninformationssystemeinesKrankenhauses.Allerdings
ko¨nnen ein Zusammenbruch solcher Systeme oder nur schon geha¨ufte Fehler das be-
troffene Unternehmen oder die involvierte Organisation existenziell bedrohen. In all
diesen Betrieben lohnt es sich daher fu¨r einen Personenkreis, der weit u¨ber die „Daten-
bankspezialisten“hinausreicht,genauerhinzusehen.Sieallesolltenverstehen,wasDaten-
banken effektiv leisten ko¨nnen und welche Rahmenbedingungen dafu¨r geschaffen und
unterhaltenwerdenmu¨ssen.
Die wohl wichtigste U¨berlegung im Zusammenhang mit Datenbanken u¨berhaupt be-
triffteinerseitsdieUnterscheidungzwischendendaringespeichertenDaten(Benutzerda-
ten) und andererseits deren Verwaltung sowie das wirtschaftliche Gewicht dieser zwei
Bereiche. Zur Verwaltung geho¨ren vielfa¨ltige technische und administrative Einrichtun-
gen und Dienste, namentlich Computer, Datenbanksysteme und zusa¨tzliche Speicher,
aberauchFachleutefu¨rdieBereitstellungunddensicherenBetrieballdieserKomponen-
ten–ebendie„Datenbankspezialisten“.UndnundasWichtigste:DerGesamtaufwandfu¨r
dieDatenverwaltungistimbetrieblichenAlltageinerDatenbankmeistvielkleineralsder
Aufwandfu¨rdieBenutzerdatenselber;dieDaumenregelbesagthieretwaeinViertel.
DerGrossteildesAufwandsbeiDatenbankenstammtvonBeschaffung,Betreuungund
Nutzung der Benutzerdaten. Dazu geho¨ren namentlich die Personalkosten all jener Mit-
arbeiterinnenundMitarbeiter,welcheDatenindieDatenbankeingeben,bereinigen,und
daraus Antworten abrufen und Unterlagen erstellen. In den oben genannten Beispielen
v
vi Geleitwort
sind dies Lagermitarbeitende, Bankangestellte und Spitalpersonal in verschiedensten
Funktionen–unddasmeistu¨bervieleJahre.
Nurwerdieseu¨bergeordneteAufwandverteilungzwischenDatenpflegeund-nutzung
einerseitsundDatenbankbetreuunganderseitsverstandenundverinnerlichthat,wirddie
BedeutungderdamitverbundenenArbeitenangemesseneinscha¨tzenko¨nnen.DieDaten-
bankbetreuung beginnt mit dem Datenbankentwurf, der bereits eine Vielzahl von Fach-
themenmiteinschliesst,etwadieFestlegungderKonsistenzpru¨fungenbeiDatenmanipu-
lationen sowie die Regelung von Datenredundanzen, welche auf logischer Ebene
unerwu¨nscht, auf Speicherebene absolut unverzichtbar sind. Immer ist die Entwicklung
von Datenbanklo¨sungen auf die spa¨tere Nutzung ausgerichtet. Ungeschickte Entwick-
lungsentscheidebelastendenspa¨terenBetriebaufDauer.EsbrauchtdahereinigeErfah-
rung, um bei der Festlegung von Konsistenzbedingungen den guten Mittelweg etwa
zwischenallzustrengenundallzulockerenRegelnzufinden.AllzustrengeBedingungen
behindern den Betrieb, zu lockere tolerieren Datenfehler und fu¨hren immer wieder zu
teurennachtra¨glichenDatenreparaturen.
Es lohnt sich somit fu¨r alle, welche mit Datenbankentwicklung und -betrieb auf
Fu¨hrungsebene oder als Datenbank-Fachleute zu tun haben, diesen Informatikbereich
systematisch kennen zu lernen. Das Inhaltsverzeichnis diesesBuchs zeigt die Breite der
Themen. Bereits sein Titel weist darauf hin, dass das Buch nicht nur die klassische
Datenbankwelt(Relationenmodell,SQL)inihrerganzenTiefedarstellt,sondernzusa¨tz-
lich fundierte Ausblicke auf aktuelle Weiterentwicklungen und Nachbargebiete vermit-
telt. Stichworte dazu sind namentlich „NoSQL/Postrelational“ und „Big Data“. Ich
wu¨nschedemBuchauchinseinerneuestenAuflageeineguteAufnahmebeiStudierenden
undPraktikern;dessenVerfasserkennenbeideSeitenbestens.
CarlAugustZehnder
Vorwort zur achten Auflage
Als ich 2002 an der Vorlesung „Software Engineering III: Datenbanken“ von Prof.
Dr. Andreas Meier an der Universita¨t Fribourg teilnahm, kam ich zum ersten Mal in
KontaktmitderviertenAuflagediesesBuchs,damalsmitdemTitel„RelationaleDaten-
banken: Leitfaden fu¨r die Praxis“. Ich fand die Lektu¨re erkenntnisreich und erfrischend
anders.BesondersgefielmirdieArt,wiedasBuchabstrakteKonzepteaufversta¨ndliche
Weise vermittelt.DieInhaltewaren miralsStudentimdritten StudienjahrimVergleich
zuanderen,ehertheoriegeleitetenAbhandlungensehrzuga¨nglich.
Heute, vierzehn Jahre spa¨ter, bin ich selbst Dozent fu¨r Datenbanken. Ich kenne
Andreas Meier nun schon seit zwolf Jahren perso¨nlich. Er hat meine Masterarbeit
2004–2005 und meine Dissertation 2008–2012 betreut, und er unterstu¨tzt meine For-
schungundLehrebisheute.AndreasistmeinLehrerundMentor,undesfreutmich,dass
ichdazubeitragendarf,dieachteAuflageseinesBuchszugestalten.
AktuellverwendeichimHerbstsemester2015diesiebteAuflage,ummeinenStudie-
rendenanderHochschuleLuzern–Technik&ArchitekturdasThemaDatenmanagement
zu vermitteln. Ich stu¨tze mich dabei auf meine Erfahrung in der praktischen Arbeit mit
DatenbankenbeiFinanzinstituten,VersicherungenundInformatikdienstleisternseit2005,
aber auch auf die Theorie der relationalen Datenbanksysteme, welche bereits in den
1970er-Jahren von Codd (Relationenmodell und Normalformen), Chen (Entita¨ten- und
Beziehungsmodell)undChamberlin&Boyce(SEQUEL)indieWegegeleitetwurdeund
nochheutediePraxisdesDatenmanagementswesentlichpra¨gt.
Es ist bemerkenswert, wie stabil bestehende fachliche Inhalte im Umfeld der Daten-
banken sind. Die Informatik ist allgemein dafu¨r bekannt, einer rasanten Entwicklung
unterworfen zu sein, welche neue Technologien in unglaublichem Tempo hervorbringt
unddadurchdieA¨lterenraschu¨berflu¨ssigmacht.MeinerErfahrungnachistdasabernur
oberfla¨chlich der Fall. Viele Aspekte der Informatik vera¨ndern sich im Kern nicht
wesentlich. Dazu geho¨ren nicht nur die Grundlagen wie beispielsweise die Funktions-
prinzipen von universellen Rechenmaschinen, Prozessoren, Compilern oder Betriebs-
systemen, sondern in die Jahre gekommene Technologien wie beispielsweise COBOL,
TCP/IP, aber auch die Sprache SQL und die relationalen Datenbanken mit ihren
vii
viii VorwortzurachtenAuflage
Methoden und Architekturen. Diese Technologien sind seit Jahrzenten im Einsatz und
werdendasauchinabsehbarerZeitbleiben.
Die vorliegende achte Auflage dieses Buchs bedeutet ein fu¨nfundzwanzigja¨hriges
Jubila¨um, denn das Vorwort zur ersten Auflage wurde im Jahr 1991 verfasst (siehe
Nachdruck auf S. XI). Die urspru¨ngliche Version war eine Broschu¨re von 175 Seiten,
welche aus Vorlesungsnotizen entstanden ist. Die Grundstruktur der ersten Auflage
schimmertbisheutedurch:DieGrundbegriffederDatenbanktheorie,dieDatenmodellie-
rung,Abfrage-undManipulationssprachenunddieSystemarchitekturbildennochheute
wichtige Grundlagen des Datenmanagements. Gleichwohl ist fachlich einiges hinzuge-
kommen.ImLaufderJahreundinsiebenweiterenAuflagenwurdendieInhalteerga¨nzt
undaufdenneustenStandgebracht.GeradedieEntwicklungenimUmfeldvonBigData
brachten neue Technologien in die Welt der Datenbanken, welchen wir in dieser achten
AuflagesovielBeachtungschenken,dasseinneuerTiteldesBuchsdarausresultiert.
Die nichtrelationalen Datenbanktechnologien, welche unter dem Sammelbegriff
NoSQL immer mehr Einsatzgebiete finden, unterscheiden sich nicht nur oberfla¨chlich
von den klassischen relationalen Datenbanken, sondern auch in den zugrunde liegenden
Prinzipien.Wa¨hrenddierelationalenDatenbankenimzwanzigstenJahrhundertmit dem
Zweckvonhierarchischen,strafforganisierten,betrieblichenFormendesDatenmanage-
ments entwickelt wurden, welche dadurch zwar Stabilita¨t boten, aber Flexibilita¨t ein-
schra¨nkten,zielendieNoSQL-DatenbankenaufdieFreiheit,Strukturraschvera¨ndernzu
ko¨nnen. Das hat weitreichende Konsequenzen und fu¨hrt zu einem neuen Ansatz im
Datenmanagement, welcher von den bisherigen Theorien zum Grundbegriff der Daten-
bank deutlich abweicht: Zur Art und Weise, wie Daten modelliert werden, wie Daten
abgefragt und manipuliert werden, bis hin zur Systemarchitektur. Sie stellt diese aber
nichtgrundsa¨tzlichinFrage,sondernerga¨nztsielediglich.AusdiesemGrundhabenwir
in allen Kapiteln diese beiden Welten, die SQL- und NoSQL-Datenbanken, aus ver-
schiedenenPerspektivenmiteinanderverglichen.
Andreas hat mich im Herbst 2014 angefragt, dieses vorliegende Werk fu¨r die achte
Auflage um den Teil NoSQL-Datenbanken zu erweitern und bei der Weiterentwicklung
des bestehenden Inhalts mitzuwirken. Seither haben wir Inhalte hinzugefu¨gt und Be-
stehendes angepasst. Zudem konnten wir eine Website unter dem Namen sql-nosql.org
lancieren,aufderwirLehr-undU¨bungsmaterialienwieFolien,Tutorien,Fallstudien,ein
Repetitorium sowie eine Workbench fu¨r MySQL sowie Neo4j freigeben, damit Sprach-
u¨bungenmitSQLresp.Cypherdurchgefu¨hrtwerdenko¨nnen.AndieserStelledankenwir
denbeidenAssistentenAlexanderDenzlersowieMarcelWehrlefu¨rdieEntwicklungder
Workbenchfu¨rrelationaleundgraphorientierteDatenbanken.Fu¨rdieNeugestaltungder
Grafiken konntenwir imFebruar2015ThomasRiedikergewinnen.Wirdanken ihmfu¨r
seinenunermu¨dlichenEinsatz.Esistihmgelungen,denAbbildungeneinenmodernenStil
und eine individuelle Note zu verleihen. Fu¨r die Weiterentwicklung der Tutorien und
Fallbeispiele, die auf der Website sql-nosql.org abrufbar sind, danken wir den Informa-
tikstudierenden Andreas Waldis, Bettina Willi, Markus Ineichen und Simon Studer fu¨r
ihreBeitra¨gezumTutoriatinCypherrespektivezurFallstudieTravelblitzmitOpenOffice
VorwortzurachtenAuflage ix
BaseundmitNeo4J.Fu¨rdasFeedbackzumManuskriptentwurfdankeichdemDoktoran-
den Alexander Denzler der Universita¨t Fribourg, meinem ehemaligen Kommilitonen
Dr. Daniel Fasel, dem Datenbankkollegen beim Institut fu¨r Wirtschaftsinformatik der
Hochschule Luzern, Prof. Konrad Marfurt, und besonders meinem Vorga¨nger Prof.
Dr.ThomasOlnhoff,fu¨rihreBereitschaft,zurQualita¨tunseresWerksmitihrenHinwei-
sen beizutragen. Ein Dankescho¨n geht an Dorothea Glaunsingerund Hermann Engesser
vom Springer-Verlag, die uns mit Geduld und Sachverstand unterstu¨tzt haben. Das
Geleitwort verdanken wir Carl August Zehnder, emeritierter Professor fu¨r Datenbanken
derETHZu¨rich.GanzherzlichdankeichmeinerFrauMelodyReymondfu¨rdasLektorat
unseresTexts.Esliegtihrperso¨nlichamHerzen,dassunserBuch,undalleVersionen,die
folgenmo¨gen,nichtnurfachlich,sondernauchsprachlichu¨berzeugen.
Horw,imJanuar2016 MichaelKaufmann