Relationale Datenbank

Begriffe relationaler Datenbanken

Eine relationale Datenbank kann man sich als eine Sammlung von Tabellen (den Relationen) vorstellen, in welchen Datensätze abgespeichert sind. Jede Zeile (Tupel) in einer Tabelle ist ein Datensatz (record). Jedes Tupel besteht aus einer Reihe von Attributwerten (Attribute = Eigenschaften), den Spalten der Tabelle. Das Relationenschema legt dabei die Anzahl und den Typ der Attribute für eine Relation fest. Das Bild illustriert die Relation R mit Attributen A₁ bis A_n in den Spalten.

Zum Beispiel wird ein Buch in einer Bibliothek durch den Datensatz (Buch-ID, Autor, Verlag, Verlagsjahr, Titel, Datum der Aufnahme) beschrieben. Ein Datensatz muss eindeutig identifizierbar sein. Das geschieht über einen oder mehrere Schlüssel (englisch key). In diesem Fall enthält Buch-ID die Schlüssel. Ein Schlüssel darf sich niemals ändern. Er bezieht sich auf den Datensatz und nicht auf die Position in der Tabelle.

Weiterhin können Verknüpfungen genutzt werden, um die Beziehungen zwischen Tabellen auszudrücken. Eine Bibliothekdatenbank könnte damit etwa folgendermaßen mit drei Tabellen implementiert werden:

Tabelle Buch, die für jedes Buch eine Zeile enthält:

• Jede Zeile besteht aus den Spalten der Tabelle (Attributen): Buch-ID, Autor, Verlag, Verlagsjahr, Titel, Datum der Aufnahme.
• Als Schlüssel dient die Buch-ID, da sie jedes Buch eindeutig identifiziert.

Tabelle Nutzer, die die Daten von allen registrierten Bibliotheksnutzern enthält:

• Die Attribute wären zum Beispiel: Nutzer-ID, Vorname, Nachname.

Außerdem braucht man eine dritte Tabelle Entliehen, die Informationen über die Verfügbarkeit des Buches enthält. Sie würde die Attribute Nutzer-ID und Buch-ID enthalten. Jede Zeile dieser Tabelle Entliehen ordnet einer Nutzer-ID eine Buch-ID zu.

Der Eintrag (10,3) würde also heißen, dass der Nutzer mit der ID 10 („Hans Vielleser“) das Buch mit der ID 3 („Mein Leben mit Asterix“) entliehen hat. Derselbe Nutzer hat auch das Buch „Drucken leicht gemacht“ entliehen, was durch den Tabelleneintrag (10,2) belegt ist. Als Schlüssel nimmt man hier die Attributmenge (Nutzer-ID, Buch-ID). Gleichzeitig verbindet die Nutzer-ID jeden Eintrag der Tabelle Entliehen mit einem Eintrag der Tabelle Nutzer sowie die Buch-ID jeden Eintrag von Entliehen mit einem Eintrag der Tabelle Buch. Deswegen heißen diese Attribute in diesem Zusammenhang Fremdschlüssel (englisch foreign key). Tabellen ohne Fremdschlüssel nennt man flache Tabellen.

Der hier benutzte Begriff Relation beschreibt nicht die Beziehung zwischen Entitäten (wie im Entity-Relationship-Modell), sondern die Beziehung der Attribute zum Relationennamen. So gilt im obigen Beispiel: Hans ist Vorname (Attribut) von Nutzer (Relationenname). Außerdem wird Relation bei relationalen Datenbanken allgemein als Synonym für Tabelle genutzt (meist aus Entitätstyp im ERM entstehend).

Neben dem relationalen Datenbankmodell gibt es verschiedene alternative Konzepte, die es erlauben, Daten in anderen Strukturen zu verwalten. Diese Konzepte haben oft nur noch eine geringe Bedeutung oder haben sich noch nicht durchgesetzt. Dennoch bieten sie für bestimmte Applikationen eine einfachere Anbindung der zu verwaltenden Daten. In den letzten Jahren haben sich vermehrt sogenannte NoSQL durchgesetzt.

Die Grundlagen der Theorie der relationalen Datenbank wurden von Edgar F. Codd in den 1960ern und 1970ern gelegt und in seiner Arbeit A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks[1] beschrieben. Theoretisch basieren alle Operationen auf der relationalen Algebra.

Ein ER-Diagramm in Chen-Notation

Wichtiger Bestandteil einer relationalen Datenbank ist ihr Schema. Das Schema legt fest, welche Daten in der Datenbank gespeichert werden und wie diese Daten in Beziehung zueinander stehen. Der Vorgang zum Erstellen eines Schemas nennt sich Datenmodellierung.

Zur Modellierung von relationalen Datenbanken wird auch das Entity-Relationship-Modell verwendet. Es dient zum Entwurf eines konzeptuellen Schemas, welches unter Verwendung eines Datenbankmanagementsystems (DBMS) implementiert werden kann. Dieser Schritt wird als logischer Entwurf oder auch Datenmodellabbildung bezeichnet und hat als Ergebnis ein Datenbankschema im Implementierungsdatenmodell des DBMS.

Ein wichtiger Schritt des Modellierungsprozesses ist die Normalisierung. Diese soll Redundanzen verringern und Anomalien verhindern, um so die Wartung einer Datenbank zu vereinfachen, sowie die Konsistenz der Daten zu gewährleisten. Edgar F. Codd hat dazu vier Normalformen vorgeschlagen, die seitdem bei dem relationalen Datenbankentwurf zum Einsatz kommen und um weitere ergänzt wurden.

Segmentierung

In der relationalen Darstellung erfolgt die Abspeicherung eines Objektes segmentiert auf viele unterschiedliche Relationen. Die Anwendungsobjekte sind normalerweise komplex, bestehen also selbst wieder aus Objekten oder Listen von Objekten. Da das relationale Modell lediglich Tupelmengen kennt, die aus Werten bestehen, müssen komplexe Anwendungsobjekte bei einer Abfrage durch das DBMS mittels zahlreicher Joins aus den einzelnen Relationen wiederhergestellt werden. Dies kann zu unübersichtlichen Abfragen führen, die bei jeder strukturellen Änderung des Anwendungsobjekts auf Anpassungsbedarf hin überprüft werden müssen. Die Verwendung von Joins, welche durch jeweils gut passende Datenbank-Indizes unterstützt werden müssen, macht den Objektzugriff aufwendiger als z. B. bei einer Objektdatenbank, sowohl beim Ressourcenbedarf als auch beim Entwicklungsaufwand.

Künstliche Schlüsselattribute

Zur eindeutigen Identifizierung von Tupeln müssen in manchen Fällen künstliche Schlüssel eingesetzt werden. Dies dient z. B. dazu, die Größe des Schlüssels zu reduzieren, wenn er als Fremdschlüssel eingesetzt werden soll, oder dazu, gehört-zu-Beziehungen zu implementieren. Es werden also Attribute in die Relation aufgenommen, die mit der abstrakten Beschreibung eines Anwendungsobjektes nichts zu tun haben, sondern „nur“ Verwaltungsinformationen sind.

Externe Programmierschnittstelle

Da in vielen relationalen Datenbanken nur Datenmanipulationssprachen eingeschränkter Mächtigkeit vorhanden sind, werden meist Schnittstellen zu mächtigeren Programmiersprachen notwendig. Diese Verbindung führt ggf. zu einer ungünstigen Handhabung, z. B. wenn das mengenorientierte SQL in dem satzorientierten C++ zu verarbeiten ist, siehe Object-relational impedance mismatch.

Es gibt jedoch auch relationale Datenbanken mit mächtigen Programmiersprachen, etwa PL/SQL in Oracle oder PL/pgSQL in PostgreSQL oder T/SQL in Microsoft SQL Server; bei beiden Datenbanksystemen erlauben die jeweiligen Datenmanipulationssprachen das Einbinden von anderen Programmiersprachen. PL/SQL ermöglicht z. B. die Verwendung von Java-Programmen oder C++-Programmen innerhalb von PL/SQL-Programmen. PL/pgSQL ermöglicht wiederum die Server-Programmierung mit anderen Sprachen wie PHP, Tcl oder Python.

Objekteigenschaften und -verhalten häufig nicht abbildbar

In der relationalen Datenbank kann das anwendungstypische Verhalten eines Objektes nicht beschrieben werden. Diese Beschreibung kann somit erst außerhalb der Datenbank in einer Anwendungssoftware erfolgen. Wenn mehrere Anwendungen den gleichen Datenbestand nutzen, kann das zu einer redundanten Implementierung führen.

Mit dem Sammelbegriff NoSQL werden nicht-relationale Datenbankmodelle bezeichnet, die Probleme wie die genannten durch alternative Herangehensweisen zu lösen beabsichtigen.

• Relationale Entwurfstheorie
• Datenbank-Muster
• Datenbankoperator
• Deduktive Datenbank
• Liste der Datenbankmanagementsysteme
• Referentielle Integrität
• Codd’sche Regeln

• Edgar F. Codd: The Relational Model for Database Management. Version 2. Addison-Wesley, Reading u. a. 1990, ISBN 0-201-14192-2.
• Alfons Kemper, André Eickler: Datenbanksysteme. Eine Einführung. R. Oldenbourg Verlag, München 2004, ISBN 3-486-27392-2.
• Andreas Meier: Relationale und postrelationale Datenbanken. 7. Auflage. Springer-Verlag, Heidelberg 2010, ISBN 978-3-642-05255-2 (online).

• Kriterien für relationale Datenbanksysteme mit ausführlicher Beschreibung der 12 Regeln
• RDBMS. In: Datenbanken Online Lexikon, FH Köln
• Datenbanken-verstehen – Umfangreiches Portal

1. Edgar F. Codd: A Relational Model of Data for Large Shared Data Banks. In: Communications of the ACM. ACM Press, 13. Juni 1970, ISSN 0001-0782, S. 377–387 (englisch, acm.org).