Implementierung von Datenbanksystemen - Cheatsheet

Rolle von Datenbanken in Unternehmen

Definition:

Stellen das Rückgrat der Informationsverarbeitung in Unternehmen dar. Ermöglichen effiziente Verwaltung großer Datenmengen und unterstützen Entscheidungsprozesse.

Details:

• Speicherung und Verwaltung von Kundendaten (\textit{Customer Relationship Management, CRM})
• Betrieb von ERP-Systemen (\textit{Enterprise Resource Planning})
• Analyse großer Datenmengen (\textit{Big Data Analytics})
• Sicherung und Wiederherstellung von Daten (\textit{Backup und Recovery})
• Unterstützung bei der Einhaltung von gesetzlichen Vorschriften (\textit{Compliance})

Relationales Modell und Relationale Algebra

Definition:

Relationales Modell: Daten werden in Tabellen (Relationen) organisiert. Relationale Algebra: Menge von Operationen, um Abfragen auf den Relationen zu formulieren.

Details:

• Relationale Algebra: Operationen: Selektionsoperator \(\sigma\), Projektionsoperator \(\Pi\), Vereinigungsoperator \(\cup\), Differenzoperator \(\setminus\), kartesisches Produkt \(\times\), Verbundoperator \(\bowtie\)
• Schlüsselkonzepte im relationalen Modell: Attribut, Tupel, Relation, Primärschlüssel, Fremdschlüssel
• Abgeschlossenheit: Resultat einer relationalen Algebra-Operation ist wieder eine Relation

SQL-Befehle und Joins

Definition:

SQL-Befehle zur Datenmanipulation und -abfrage. Joins verbinden Datensätze aus mehreren Tabellen.

Details:

• SELECT: Datenabfrage
• INSERT: Dateneinfügung
• UPDATE: Datenaktualisierung
• DELETE: Datenlöschung
• INNER JOIN: Schnittmenge beider Tabellen
• LEFT JOIN: Alle Datensätze aus linker Tabelle, passende aus rechter
• RIGHT JOIN: Alle Datensätze aus rechter Tabelle, passende aus linker
• FULL JOIN: Alle Datensätze, wenn ein Match vorhanden

Normalisierung und Normalformen

Definition:

Prozess der Organisation von Datenbanken, um Redundanzen zu minimieren und Datenkonsistenz zu gewährleisten.

Details:

• 1. Normalform (1NF): Alle Attribute atomar
• 2. Normalform (2NF): 1NF + keine Teilabhängigkeiten
• 3. Normalform (3NF): 2NF + keine transitive Abhängigkeiten
• Boyce-Codd-Normalform (BCNF): Strengere Form der 3NF, jedes Attribut hängt nur von Schlüsselkandidaten ab
• 4. Normalform (4NF): 3NF + keine mehrwertigen Abhängigkeiten
• 5. Normalform (5NF): 4NF + keine Join-Abhängigkeiten
• Ziel: Minimierung von Datenanomalien (Einfüge-, Änderungs-, Löschanomalien)

Datenbankarchitektur und Speicherstrukturen

Definition:

Architektur und interne Speicherung von Daten in einem Datenbanksystem. Strukturiert die Art, wie Daten gespeichert, abgerufen und verwaltet werden.

Details:

• Schichtenarchitektur: Anwendungs-, logische, physische Schicht
• Speicherhierarchie: Zwischenspeicher, Hauptspeicher, Festplattenspeicher
• Puffermanagement: steht zwischen Hauptspeicher und Plattenspeicher
• Indexstrukturen: B-Bäume, Hash-Tabellen
• Speicherorganisation: Zeilen- vs. Spaltenorientierung
• Datenseiten: kleinste Einheiten der Datenverwaltung auf Festplatte
• Transaktionsmanagement: Recovery, Concurrency Control
• Verschachtelung: zusammengesetzte Datenstrukturen für optimierte Zugriffe

Indexierung und Datenbanktuning

Definition:

Optimierung der Abfrageleistung und Speichernutzung durch geeignete Indexierung und Anpassung von Datenbankparametern.

Details:

• Indexarten: Clustered, Non-Clustered, Bitmap, B-Tree
• Indexauswahl abhängig von Abfrageprofil, Datenveränderungen und Datenvolumen
• Abwägung zwischen Abfragegeschwindigkeit und Speicherplatz
• Datenbanktuning: Anpassung von Parametern wie Puffergrößen, Cache-Strategien und Parallelisierung
• Verwendung von EXPLAIN-Statements zur Abfrageanalyse
• Partitionierung großer Tabellen zur Effizienzsteigerung

Transaktionsmanagement und ACID-Prinzipien

Definition:

Verwaltung von Datenbanktransaktionen zur Gewährleistung der ACID-Eigenschaften; entscheidend für die Konsistenz und Zuverlässigkeit von Datenbanksystemen

Details:

• Atomicity (Atomarität): Alle Operationen einer Transaktion werden komplett oder gar nicht ausgeführt.
• Consistency (Konsistenz): Eine Transaktion führt einen konsistenten Zustand in einen anderen konsistenten Zustand über.
• Isolation (Isolation): Transaktionen sind voneinander isoliert und beeinflussen sich nicht gegenseitig.
• Durability (Dauerhaftigkeit): Nach Abschluss der Transaktion bleiben die Änderungen dauerhaft gespeichert, auch bei Systemausfällen.
• ACID-Eigenschaften werden durch Transaktionsprotokolle, Sperrmechanismen und Wiederherstellungsverfahren sichergestellt.

Verteilte Datenbanksysteme und Konsistenz

Definition:

Verteilte Datenbanksysteme ermöglichen die Verwaltung von Daten über mehrere Standorte hinweg. Konsistenz bezieht sich auf die Garantie, dass alle Replikate derselben Daten denselben Zustand haben.

Details:

• ACID-Eigenschaften: Atomicity, Consistency, Isolation, Durability
• CAP-Theorem: Konsistenz, Verfügbarkeit, Partitionstoleranz - nur 2 von 3 können gleichzeitig garantiert werden
• Replikationsstrategien: synchrone vs. asynchrone Replikation
• Quorum-basierte Protokolle: Lesen/Schreiben-Konzepte zur Sicherstellung der Konsistenz
• Verteilte Transaktionen: Zwei-Phasen-Commit (2PC)
• Eventuelle Konsistenz: schwächere Konsistenzgarantien, oft in NoSQL-Datenbanken