Flexible Speicherung und Indexierung komplexer Datenbankobjekte

260 Pages·1997·7.53 MB·German

by  Dr. Ullrich Keßler (auth.)

TEUBNER-TEXTE zur Informatik Band 22
U. KeBler
Flexible Speicherung und Indexierung
komplexer Datenbankobjekte
TEUBNER-TEXTE zur Informatik
Herausgegeben von
Prof. Dr. Johannes Buchmann, Darmstadt
Prof. Dr. Udo Lipeck, Hannover
Prof. Dr. Franz J. Rammig, Paderborn
Prof. Dr. Gerd Wechsung, Jena
Ais relativ junge Wissenschaft lebt die Informatik ganz wesentlich von aktuellen Beitragen.
Viele Ideen und Konzepte werden in Originalarbeiten, Vorlesungsskripten und Konferenz
berichten behandelt und sind damit nur einem eingeschrankten Leserkreis zuganglich.
LehrbOcher stehen zwar zur VerfOgung, kennen aber wegen der schnellen Entwicklung der
Wissenschaft oft nicht den neuesten Stand wiedergeben.
Die Reihe nTEUBNER-TEXTE zur Informatik" soli ein Forum fOr Einzel-und Sammelbeitrage
zu aktuellen Themen aus dem gesamten Bereich der Informatik sein. Gedacht ist dabei ins
besondere an herausragende Dissertationen und Habilitationsschriften, spezielle Vorle
sungsskripten sowie wissenschaftlich aufbereitete AbschluBberichte bedeutender For
schungsprojekte. Auf eine verstandliche Darstellung der theoretischen Fundierung und der
Perspektiven fOr Anwendungen wird besonderer Wert gelegt. Das Programm der Reihe reicht
von klassischen Themen aus neuen Blickwinkeln bis hin zur Beschreibung neuartiger, noch
nicht etablierter Verfahrensansatze. Dabei werden bewuBt eine gewisse Vorlaufigkeit und
Unvollstandigkeit der Stoffauswahl und Darstellung in Kauf genommen, weil so die Leben
digkeit und Originalitat von Vorlesungen und Forschungsseminaren beibehalten und weiter
gehende Studien angeregt und erleichtert werden kennen.
TEUBNER-TEXTE erscheinen in deutscher oder englischer Sprache.
Flexible Speicherung und
Indexierung
komplexer Datenbankobjekte
Von Dr. Ullrich KeBler
B. G. Teubner Verlagsgesellschaft
Stuttgart . Leipzig 1997
Dr. Ullrich KeBler
Geboren 1960 in Hamburg. Von 1980 bis 1987 Studium der Informatik mit dem Anwendungs
fach Betriebswirtschaftslehre/lndustriebetriebslehre an der Universitiit Hamburg. Von 1988 bis
1990 Gastwissenschaftler am Wissenschaftlichen Zentrum Heidelberg der IBM Deutschland
GmbH in der Abteilung Advanced Information Management. Von 1990 bis 1995 Wissenschaft
licher Mitarbeiter in der Abteilung Datenbanken und Informationssysteme der Universitiit Ulm
bei Herm Prof. Dr. P. Dadam. 1m Juni 1995 Promotion zum Dr. rer. nat. mit dem Thema .Fle
xible Speicherungsstrukturen und Sekundiirindexe in Datenbanksystemen fur komplexe
Objekte".
Gedruckt auf chlorfrei gebleichtem Papier.
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
KeBler, Ullrich:
Flexible Speicherung und Indexierung komplexer
Datenbankobjekte / von Ullrich KeBler. -
Stuttgart; Leipzig: Teubner, 1997
(Teubner-Texte zur Informatik; Bd. 22)
ISBN 978-3-8154-2307-3 ISBN 978-3-322-95380-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-95380-3
Das Werk einschlieBlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschutzt. Jede Verwertung auBerhalb der
engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulAssig und strafbar.
Das gilt besonders fur VervielfAltigungen, Obersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung
und Verarbeitung in elektronischen Systemen.
© B. G.T eubner Vertagsgesellschaft Leipzig 1997
Umschlaggestaltung: E. Kretschmer, Leipzig
Geleitwort
Relationale Datenbanksysteme werden heute immer haufiger in Anwendungsberei
chen wie Computer Aided Design (CAD), Kartographie, geographische Informations
systeme, technische Informationssysteme, Dokumentenverwaltungssysteme usw. ein
gesetzt, fUr welche sie ursprtinglich nicht entworfen wurden. Aile diese Anwendungs
gebiete haben gemeinsam, daB groBe, komplex strukturierte Datenobjekte ("komple
xe Objekte") zu verwalten sind. Heutige relationale Datenbanksysteme, mit ihrem
"fiachen" Relationenmodell, konnen diese Art von Datenobjekten nicht adaquat ver
walten, was dazu fUhrt, daB im Anwendungssystem Funktionalitaten implementiert
werden mtissen, die an sich ins Datenbanksystem gehoren. Die heute auf den Markt
drangenden objektorientierten Datenbanksysteme (OODBMS), aber auch die im Be
reich der SQL-Standardisierung ("SQL 3") geplanten Erweiterungen der relationalen
Datenbanksysteme behaupten jeweils, hierfUr die richtigen Losungen bereitzustel
len, wobei technologisch teilweise sehr unterschiedliche Ansatze verfolgt werden. Der
(zuktinftige) Anwender solcher Systeme ist also gut beraten, sich etwas intensiver
mit den Moglichkeiten und Grenzen eines bestimmten Ansatzes zu befassen, urn im
gegebenen Fall die richtige Wahl treffen zu konnen.
Herr KeBler untersucht in dem vorliegenden Buch systematisch, wie sich komplexe
Objekte auf den Hintergrundspeicher abbilden lassen und wie der Zugriff auf diese
Objekte tiber Indexe unterstUtzt werden kann. Ein wesentliches Merkmal der von
ihm entwickelten Konzepte ist die strikte Trennung von logischem und physischem
Schema, die eine nachtragliche Optimierung der Speicherungsstrukturen erlaubt; ein
groBes Manko heutiger OODBMS.
Die Starke des vorliegenden Buches ist seine Abgeschlossenheit und Vielseitig
keit. Durch den ausfUhrlichen Uberblick tiber Datenmodelle und Systeme und die
EinfUhrung des verwendeten RelationenkalkUls kann man es auch ohne Vorkenntnis
se tiber komplexe Objekte lesen. Bei der Behandlung von Speicherungs- und Cluste
rungsstrukturen wird aufgezeigt, welche prinzipiellen Moglichkeiten der Speicherung
komplexer Objekte es gibt und wie sich die zugrundeliegenden physischen Struk
turen beschreiben lassen. Die Kenntnis der moglichen Speicherungsstrukturen kann
dem Leser helfen, verschiedene Systeme einzuordnen, zu bewerten und ggf. optimal
einzusetzen. Ahnliches gilt fUr die Behandlung von Indexformen und deren mogli
che Nutzung bei der Auswertung von Anfragen an komplexe Objekte. - Das Buch
ist aber auch fUr den Entwickler von OODBMS interessant, da es sehr ausfUhrlich
beschreibt, wie sich die vorgestellten Konzepte implementieren lassen.
6 Geleitwort
Das Buch ist meines Erachtens sowohl fur Praktiker als auch fUr Wissenschaftler und
Studenten interessant und lesenswert. Die Praktiker werden sich in den nachsten Jah
ren mit diesem Thema entweder dadurch konfrontiert sehen, daB sie solche Systeme
administrieren und tunen mussen. Fur Studenten ist die Arbeit interessant, urn sich
im Rahmen einer Vertiefungsvorlesung oder eines Praktikums mit dem Thema "Un
terstutzung komplexer Objekte in Datenbanksystemen" auseinanderzusetzen. Fur
Wissenschaftler bietet es eine kompakte Moglichkeit, sich in dieses wichtige Gebiet
einzuarbeiten.
VIm, im Juni 1997 Prof. Dr. Peter Dadam
Vorwort
Bereits in den ersten kommerziellen Datenbank-Management-Systemen konnten
strukturierte Daten direkt modelliert werden. Die zwei bekanntesten Datenmodel
Ie sind das hierarchische Modell von IMS und das CODASYL-Netzwerk-Modell. Der
Datenzugriff erfolgt jedoch noch iiber Prozeduren, in denen zumindest implizit die
jeweiligen Speicherungsstrukturen und die vorhandenen sekundaren Zugriffspfade zu
beriicksichtigen sind. Der daraus resultierende Aufwand bei der Programmentwick
lung und -pflege war einer der wesentlichen Griinde fUr den Entwurf relationaler
Datenbanksysteme. In ihnen werden die Daten in Tabellen gespeichert und Anfragen
in einer deskriptiven Form, unabhangig von der physischen Reprasentation der Tabel
len und den vorhandenen Zugriffspfaden, formuliert. Insbesondere diese deskriptive
Anfrageformulierung, bei der der Anwender die zugrundeliegenden Speicherungs-und
Indexstrukturen nicht kennen muB, ist verantwortlich fUr den Erfolg relationaler Sy
sterne. Dahingegen wird die Notwendigkeit, die Daten stets auf Relationen in erster
Normalform abzubilden, heute als starke Einschrankung empfunden.
Mit der zunehmenden Notwendigkeit, komplex strukturierte Daten (= komplexe Ob
jekte) effizient in Datenbanken zu verwalten, entstanden in jiingster Zeit verstarkt
verallgemeinerte relationale und objektorientierte Datenmodelle. In ihnen sollen die
Vorteile der direkten Modellierung komplex strukturierter Objekte mit den en von de
skriptiven Anfragesprachen kombiniert werden. Urn aile Moglichkeiten des logischen
Datenbankdesigns, die diese Modelle bieten, voll ausnutzen zu konnen, ist es erfor
derlich, daB in den entsprechenden Datenbanksystemen klar zwischen dem logischen
und dem physischen Datenbankschema unterschieden wird. Geschieht dies nicht und
werden, wie heute noch weit verbreitet, die physischen Speicherungsstrukturen un
mittelbar aus der logischen Struktur der Daten abgeleitet, wird in vielen Fallen der
logische Datenbankentwurf von reinen Performanziiberlegungen gepragt sein, womit
viele Vorteile der neuen Systeme verlorengehen wiirden.
Diese haufig unterschatzte Problematik adressiert dieses Buch. Ausgehend yom "ex
tended non first normal form" (= eNF2) Datenmodell wird untersucht, wie hierar
chisch strukturierte Objekte (= eNF2-Tabellen) flexibel auf physische Speicherungs
strukturen abgebildet und wie Sekundarindexe zum assoziativen Zugriff auf diese ein
gesetzt werden konnen. In einer generellen Einordnung des Buchs wird dargelegt, daB
solche Objekte sowohl als logisches Schema in verallgemeinerten relationalen Syste
men als auch als internes Schema in objektorientierten System en dienen konnen. Da-
8 Vorwort
nach werden verschiedene Variant en der physischen Speicherung von eNF2-Tabellen
diskutiert und eine Datendefinitionssprache zur Beschreibung der gewahlten Struk
tur entwickelt. AuBerdem wird ausgefiihrt, wie die Auswertung komplexer Anfragen
durch Pfadindexe unterstiitzt werden kann und wie die Anfragen formal zu transfor
mieren sind. Des weiteren werden Methoden entwickelt, urn unter Einbezug der jewei
ligen Speicherungsstrukturen die Kosten alternativer Ausfiihrungsplane zu schatzen
und den giinstigsten auszuwahlen. Das Buch liefert damit die Grundlagen, urn ver
allgemeinerte relationale oder objektorientierte Datenbank-Management-Systeme zu
realisieren, in denen das logische und das physische Datenbankdesign klar voneinan
der getrennt sind. Dabei beschrankt es sich nicht auf rein theoretische Betrachtungen,
sondern zeigt auch auf, wie die entwickelten Konzepte zu implementieren sind.
Erste, teilweise jedoch noch recht spezielle Losungsansatze entstanden wahrend mei
nes Aufenthalts als Gastwissenschaftler am Wissenschaftlichen Zentrum Heidelberg
der IBM Deutschland GmbH. Die allgemeingiiltigen, in vielen Systemen umsetzba
ren Konzepte, wie sie letztendlich hier prasentiert werden, wurden dann von mir in
meiner Zeit als Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universitat Ulm im Rahmen
meiner Dissertation entwickelt und evaluiert.
Mein ganz besonderer Dank gebiihrt in diesem Zusammenhang meinem Betreuer und
Abteilungsleiter Herrn Prof. Dr. P. Dadam. Durch seine stetige Motivation, keine
Speziallosungen zu verfolgen, sondern allgemeine Losungen zu such en, hat er ent
scheidend mit zum Entstehen dieses Buchs beigetragen. Ebenfalls herzlich bedanken
mochte ich mich bei Herrn Prof. Dr. M. H. Scholl. Er hat nicht nur das Zweitgutachten
iibernommen, sondern durch seine stete Gesprachsbereitschaft geholfen, Anforderun
gen objektorientierter Datenbanksysteme in meinen Konzepten zu beriicksichtigen.
Bedanken mochte ich mich ebenso bei meinen ehemaligen Kollegen am Wissenschaft
lichen Zentrum Heidelberg. Insbesondere sei hier Herr Prof. Dr. K. Kiispert genannt.
Die zahlreichen Diskussionen mit ihm und die hierbei entstandenen Losungsideen
bildeten letztlich den Grundstein meiner Arbeiten.
Natiirlich gilt mein Dank auch und vor allem meinen Arbeitskollegen an der Uni
versiUit VIm. Namentlich bedanken mochte ich mich an dieser Stelle fUr die sehr
freundschaftliche Zusammenarbeit bei Herrn A. Dyballa, Herrn Dr. K. GaBner und
Herrn Dr. C. Kalus, die mit mir quasi von der Stunde Null an der Abteilung an
gehorten. Insbesondere gilt mein Dank hierbei Herrn A. Dyballa und seiner Frau,
mit denen mich heute eine iiber das berufliche MaB hinausgehende private Freund
schaft verbindet. Ausdriicklich danken mochte ich aber auch Herrn R. Seifert fUr die
sehr gute technische Betreuung unserer Rechner und seiner stets kurzfristigen Losung
auftretender Probleme.
AbschlieBend mochte ich meiner Mutter danken. Sie hat mir stets Mut zugesprochen,
wenn ich das GefUhl hatte, es geht nicht mehr weiter. Ihr sei dieses Buch gewidmet.
Hamburg, im Juni 1997 Ullrich KeBler
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 13
1.1 Motivation . ...... 13
1.2 Ziele und Einordnung . 16
1.3 Aufbau des Buchs . . . 22
2 Uberblick tiber Datenmodelle und Systeme 24
2.1 Das relationale Datenmodell 24
2.2 Hierarchische Datenmodelle 29
2.2.1 Das NF2-Datenmodell 29
2.2.2 Das eNF2-Datenmodell . 31
2.2.3 XSQL - Eine Erweiterung des relationalen Modells 36
2.2.4 IMS - ein hierarchisches Datenbanksystem 37
2.3 Ne tzwerkdatenmodelle ........ 39
2.3.1 Das CODASYL-Datenmodell 40
2.3.2 Das Molekiil-Atom-Datenmodell . 41
2.4 Objektorientierte Datenmodelle ..... 43
2.4.1 Smalltalk-basierte Datenbanksysteme 44
2.4.2 Das objektorientierte Datenbanksystem O 46
2
2.4.3 Das objektorientierte Datenmodell GOM . 48
2.4.4 COCOON - ein mengenorientiertes Objektmodell 49
2.4.5 Persistente C++ Systeme .. 51
2.5 DASDBS - Ein Speicher kern-System 53
10 Inhaltsverzeichnis
3 Flexible Speicherungsstrukturen fiir hierarchische Objekte 55
3.1 Begriindung und Alternativen . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Uberblick iiber Speicherungs- und Clusterungsstrukturen 58
3.3 Benutzerdefinierte Speicherungsstrukturen . . . . . . . . 67
3.3.1 Anker-Records und Record-Typnamen . . . . . . 70
3.3.2 Speicherungsstrukturen fUr Mengen- und Listenkonstruktoren 71
3.3.3 Speicherungsstrukturen fiir Tupelkonstruktoren 73
3.3.4 Definition bekannter Speicherungsstrukturen 76
3.4 Benutzerdefinierte Clusterungsstrukturen .. . 79
3.4.1 Cluster und Segmente ........ . 80
3.4.2 Definition objektiibergreifender Cluster 80
3.4.3 Definition objektbezogener Cluster 81
3.4.4 Vergleich mit bekannten Verfahren 83
3.5 Komplexes Beispiel 84
3.6 Zusammenfassung. 86
4 Pfadindexe zur Auswertung von Pradikaten 88
4.1 Einfiihrung .................. . 88
4.2 Uberblick iiber Methoden des Indexeinsatzes . 91
4.2.1 Indexeinsatz in relationalen Systemen . 91
4.2.2 Indexeinsatz in anderen System en 93
4.3 Pfadindexe fUr eNF2-Tabellen . . . 101
4.3.1 Definition von Pfadindexen 102
4.3.2 Zugriffsoperationen fUr Pfadindexe 107
4.4 Auswertung von Pradikaten mit Pfadindexen . 114
4.4.1 Das Grundprinzip ........... . 114
4.4.2 Auswertung von Selektionspradikaten . 118
4.4.2.1 Indexeinsatz bei unabhiingiger Variablenbindung 120
4.4.2.2 Indexeinsatz bei abhiingiger Variablenbindung 124
4.4.3 Auswertung von Existenzpradikaten . . . . . . . . . 128
4.4.4 Einsatz mehrerer Indexzugriffe in einer Teilanfrage 133
4.4.5 Zugriff auf eNF2-Relationen ..... 136
4.4.6 AusfUhrung von Verbundoperationen 140
4.4.7 Komplexes Beispiel 145
4.5 ZusammenfasRung ..... 146