Datenbanken: Implementierungstechniken:
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2011
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IMAGE 1
INHALTSVERZEICHNIS
VORWORT V
INHALTSVERZEICHNIS IX
1 AUFGABEN UND PRINZIPIEN VON DATENBANKSYSTEMEN 1
1.1 WIEDERHOLUNG DER DATENBANK-GRUNDBEGRIFFE 2
1.1.1 ARCHITEKTUR EINES DATENBANKSYSTEMS 2
1.1.2 NEUN FUNKTIONEN NACH CODD 5
1.1.3 DATENBANKMODELLE UND DATENDEFINITION 6
1.1.4 ANFRAGE-UND AENDERUNGSOPERATIONEN 9
1.1.5 SPRACHEN UND SICHTEN 11
1.2 WANN KOMMT WAS? 12
1.2.1 OPTIMIERER 13
1.2.2 DATEIORGANISATION UND ZUGRIFFSPFADE 14
1.2.3 TRANSAKTIONEN 17
1.2.4 RECOVERY UND DATENSICHERHEIT 18
1.3 VERTIEFENDE LITERATUR 18
1.4 UEBUNGEN 19
2 ARCHITEKTUR VON DATENBANKSYSTEMEN 21
2.1 BETRACHTETE FRAGESTELLUNGEN 22
2.2 SCHICHTENMODELL EINES RELATIONALEN DBMS 24
2.3 HARDWARE UND BETRIEBSSYSTEM 27
2.4 PUFFERVERWALTUNG 29
2.5 SPEICHERSYSTEM 31
2.6 ZUGRIFFSSYSTEM 33
2.7 DATENSYSTEM 37
2.8 KATALOG UND DATA DICTIONARY 37
2.9 VERTIEFENDE LITERATUR 40
2.10 UEBUNGEN 41
IX
BIBLIOGRAFISCHE INFORMATIONEN HTTP://D-NB.INFO/1014629934
DIGITALISIERT DURCH
IMAGE 2
VERWALTUNG DES HINTERGRUNDSPEICHERS 43
3.1 SPEICHERMEDIEN 44
3.1.1 SPEICHERHIERARCHIE 44
3.1.2 CACHE, HAUPTSPEICHER UND SEKUNDAERSPEICHER 47
3.1.3 DIE MAGNETPLATTE 48
3.1.4 FLASH-LAUFWERKE 51
3.1.5 SPEICHERKAPAZITAET, GESCHWINDIGKEIT UND KOSTEN 55 3.2
SPEICHER-ARRAYS: RAID 57
3.2.1 ZIELE VON RAID-SYSTEMEN 57
3.2.2 RAID-LEVELS 58
3.3 SICHERUNGSMEDIEN: TERTIAERSPEICHER 64
3.3.1 OPTISCHE PLATTEN 65
3.3.2 BAENDER 65
3.3.3 JUKEBOXES UND ROBOTER 66
3.3.4 LANGZEITARCHIVIERUNG 67
3.4 VERWALTUNG DES HINTERGRUNDSPEICHERS 68
3.4.1 BETRIEBSSYSTEMDATEIEN 69
3.4.2 ABBILDUNG DER KONZEPTUELLEN EBENE AUF INTERNE STRUKTU- REN 70
3.4.3 EINPASSEN VON DATENSAETZEN AUF BLOECKE 71
3.4.4 MODELL DES SEKUNDAERSPEICHERS 73
3.5 SEITEN, SAETZE UND ADRESSIERUNG 73
3.5.1 STRUKTUR DER SEITEN 74
3.5.2 SATZTYPEN 75
3.5.3 ADRESSIERUNG VON DATENSAETZEN 81
3.5.4 ALTERNATIVE SPEICHERMODELLE: DSM UND PAX 83
3.6 KOMPRESSION VON DATEN 86
3.7 SPEICHERORGANISATION UND PHYSISCHE DATENDEFINITION IN SQL- SYSTEMEN
93
3.8 VERTIEFENDE LITERATUR 96
3.9 UEBUNGEN 99
PUFFERVERWALTUNG 101
4.1 EINORDNUNG UND MOTIVATION 102
4.2 SUCHE VON SEITEN UND SPEICHERZUTEILUNG 105
4.2.1 SUCHEN EINER SEITE 105
4.2.2 SPEICHERZUTEILUNG IM PUFFER 106
4.3 SEITENERSETZUNGSSTRATEGIEN 106
4.3.1 MERKMALE GAENGIGER STRATEGIEN 109
4.3.2 KONKRETE SEITENERSETZUNGSSTRATEGIEN 110
4.3.3 FAZIT 122
4.4 VERTIEFENDE LITERATUR 124
4.5 UEBUNGEN 124
INHALTSVERZEICHNIS
IMAGE 3
DATEIORGANISATION UND ZUGRIFFSSTRUKTUREN 127
5.1 KLASSIFIKATION DER SPEICHERTECHNIKEN 128
5.1.1 PRIMAERSCHLUESSEL VS. SEKUNDAERSCHLUESSEL 129
5.1.2 PRIMAERINDEX VS. SEKUNDAERINDEX 130
5.1.3 DATEIORGANISATIONSFORM VS. ZUGRIFFSPFAD 131
5.1.4 DUENN BESETZTER VS. DICHT BESETZTER INDEX 133
5.1.5 GECLUSTERTER VS. NICHT-GECLUSTERTER INDEX 135
5.1.6 SCHLUESSELZUGRIFF VS. SCHLUESSELTRANSFORMATION 136 5.1.7
EIN-ATTRIBUT- VS. MEHR-ATTRIBUT-INDEX 137
5.1.8 EINDIMENSIONALE VS. MEHRDIMENSIONALE ZUGRIFFSSTRUKTUR 137 5.1.9
NACHBARSCHAFTSERHALTENDE VS. STREUENDE ZUGRIFFSSTRUKTUR 139 5.1.10
STATISCHE VS. DYNAMISCHE ZUGRIFFSSTRUKTUR 139
5.1.11 BEISPIELE FUER KLASSIFIKATIONEN 140
5.1.12 ALTERNATIVE KLASSIFIKATIONEN VON ZUGRIFFSVERFAHREN . . . 140
5.1.13 ANFORDERUNGEN AN SPEICHERTECHNIKEN 141
5.2 SEQUENZIELLE UND INDEXIERTE DATEIEN 143
5.2.1 HEAP-ORGANISATION 143
5.2.2 SEQUENZIELLE SPEICHERUNG 147
5.2.3 INDEXSEQUENZIELLE DATEIORGANISATION 148
5.2.4 INDEXIERT-NICHTSEQUENZIELLER ZUGRIFFSPFAD 153
5.3 SUCHBAEUME 157
5.3.1 B-BAEUME 158
5.3.2 B-BAEUME UND VARIANTEN IN DATENBANKEN 166
5.3.3 B-BAEUME IN DER PRAXIS 173
5.4 HASHVERFAHREN 176
5.4.1 GRUNDPRINZIPIEN VON HASHVERFAHREN 176
5.4.2 HASHVERFAHREN FUER DATENBANKEN 178
5.5 CLUSTER-BILDUNG 182
5.5.1 INDEX-ORGANISIERTE TABELLEN 183
5.5.2 CLUSTER FUER VERBUNDANFRAGEN 184
5.6 PARTITIONIERUNG 187
5.6.1 FRAGMENTIERUNG UND ALLOKATION IN VERTEILTEN DATENBAN- KEN . 188
5.6.2 FORMEN DER HORIZONTALEN PARTITIONIERUNG 190
5.6.3 BEREICHSPARTITIONIERUNG 191
5.6.4 HASH-PARTITIONIERUNG 192
5.7 VERTIEFENDE LITERATUR 193
5.8 UEBUNGEN 194
SPEZIELLE INDEXSTRUKTUREN 197
6.1 DYNAMISCHES HASHING 198
6.1.1 HASHFUNKTIONEN MIT ERWEITERBAREM BILDBEREICH 198 6.1.2 LINEARES
HASHEN 199
IMAGE 4
6.1.3 ERWEITERBARES HASHEN 202
6.1.4 SPIRALHASHEN 205
6.1.5 KOMBINIERTE METHODEN 208
6.2 MEHRDIMENSIONALE SPEICHERTECHNIKEN 209
6.2.1 MEHRDIMENSIONALE BAUMVERFAHREN 210
6.2.2 MEHRDIMENSIONALES HASHEN 215
6.2.3 GRID-FILE 220
6.2.4 UB-BAUM 226
6.3 GEOMETRISCHE ZUGRIFFSSTRUKTUREN 228
6.3.1 PROBLEME UND AUFGABEN 229
6.3.2 EIGNUNG KLASSISCHER SUCHBAEUME UND INDEXSTRUKTUREN . 232 6.3.3
PRINZIPIEN NACHBARSCHAFTSERHALTENDER SUCHBAEUME . . . 233 6.3.4 R-BAEUME
UND VARIANTEN 236
6.3.5 RECHTECKSPEICHERUNG DURCH PUNKTDATENSTRUKTUREN . . . 243 6.3.6
KLASSIFIZIERUNG UND VERGLEICH 250
6.4 HOCHDIMENSIONALE DATEN 251
6.4.1 HOCHDIMENSIONALE FEATURE-VEKTOREN 251
6.4.2 OPERATIONEN AUF FEATURE-VEKTOREN 252
6.4.3 METRIKEN FUER ABSTAENDE 254
6.4.4 NAECHSTER-NACHBAR-SUCHE IN R-BAEUMEN 256
6.4.5 DERX-BAUM 259
6.4.6 ALTERNATIVEN ZU BAUMVERFAHREN 261
6.5 BITMAP-INDEXE 263
6.5.1 VOR- UND NACHTEILE VON BITMAP-INDEXEN 264
6.5.2 VARIANTEN VON BITMAP-INDEXEN 265
6.5.3 IMPLEMENTIERUNG VON BITMAP-INDEXEN 266
6.6 INDEXIERUNG VON TEXTEN 267
6.6.1 EIGNUNG VON B-BAEUMEN: PROBLEME UND PRAEFIX-B-BAUM . 267 6.6.2
DIGITALE BAEUME 268
6.6.3 INVERTIERTE LISTEN 273
6.7 RELATIONENUEBERGREIFENDE INDEXE 274
6.7.1 VERBUNDINDEXE 274
6.7.2 MULTI-JOIN-INDEXE 276
6.7.3 PFADINDEXE 278
6.7.4 ZUGRIFFSUNTERSTUETZUNGSRELATIONEN 279
6.7.5 ZUGRIFFSPFADE FUER BERECHNETE WERTE 280
6.8 Y E R T I E F E N DE LITERATUR 281
6.9 UEBUNGEN 282
BASISALGORITHMEN FUER DATENBANKOPERATIONEN 285
7.1 BENOETIGTE GRUNDALGORITHMEN 286
7.1.1 PARAMETER FUER KOSTENBESTIMMUNG 286
7.1.2 GRUNDANNAHMEN 288
XII INHALTSVERZEICHNIS
IMAGE 5
7.1.3 HAUPTSPEICHERALGORITHMEN . 288
7.1.4 ZUGRIFFE AUF DATENSAETZE . 289
7.1.5 EXTERNE UND INTERNE SORTIERALGORITHMEN * 290
7.2 NAVIGATIONSOPERATIONEN: SCANS * 293
7.2.1 ARTEN VON SCANS * 294
7.2.2 OPERATIONEN AUF SCANS * 295
7.2.3 SCAN-SEMANTIK . 298
7.3 UNAERE OPERATIONEN: SELEKTION, PROJEKTION UND GRUPPIERUNG . * 299
7.3.1 SELEKTION * 299
7.3.2 PROJEKTION * 301
7.3.3 AGGREGATFUNKTIONEN UND GRUPPIERUNG * 302
7.4 BINAERE OPERATIONEN: MENGENOPERATIONEN * 305
7.4.1 TECHNIKEN FUER BINAERE OPERATOREN * 306
7.4.2 KLASSEN BINAERER OPERATOREN * 307
7.4.3 VEREINIGUNG MIT DUPLIKATELIMINIERUNG * 308
7.5 BERECHNUNG VON VERBUNDEN * 310
7.5.1 NESTED-LOOPS-VERBUND * 310
7.5.2 MERGE-TECHNIKEN * 312
7.5.3 HASHVERBUND . 315
7.5.4 VERGLEICH DER TECHNIKEN * 319
7.6 OPERATIONEN FUER SPEZIELLE ANWENDUNGEN * 320
7.6.1 CUBE-BERECHNUNG . 320
7.6.2 SKYLINE-OPERATOR * 327
7.7 VERTIEFENDE LITERATUR * 332
7.8 UEBUNGEN * 334
8 OPTIMIERUNG VON ANFRAGEN 335
8.1 GRUNDPRINZIPIEN DER OPTIMIERUNG * 336
8.2 MOTIVIERENDE BEISPIELE . 337
8.3 PHASEN DER ANFRAGEBEARBEITUNG * 342
8.4 ANFRAGEUEBERSETZUNG UND -VEREINFACHUNG * 345
8.4.1 PARSEN UND ANALYSIEREN DER ANFRAGE * 345
8.4.2 UEBERSETZUNG IN RELATIONENALGEBRA * 346
8.4.3 AUFLOESUNG VON SICHTEN * 348
8.4.4 STANDARDISIERUNG UND VEREINFACHUNG VON AUSDRUECKE^ . 348 8.4.5
ENTSCHACHTELN VON ANFRAGEN * 350
8.5 LOGISCHE OPTIMIERUNG . 354
8.5.1 ALGEBRAISCHE OPTIMIERUNG * 355
8.5.2 VERBUNDOPTIMIERUNG MIT TABLEAUS * 366
8.6 PHYSISCHE OPTIMIERUNG . 380
8.6.1 PLANOPERATOREN UND PLANREPRAESENTATION * 380
8.6.2 PLANGENERIERUNG UND SUCHSTRATEGIEN . 390
8.7 KOSTENMODELLE UND KOSTENABSCHAETZUNG * 394
XM
IMAGE 6
8.7.1 KOMPONENTEN VON KOSTENMODELLEN 394
8.7.2 HISTOGRAMME 400
8.7.3 KOSTENABSCHAETZUNGEN AM BEISPIEL 407
8.7.4 STATISTIKEN IN DBMS 411
8.8 STRATEGIEN ZUR KOSTENBASIERTEN PLANAUSWAHL 413
8.8.1 GREEDY-SUCHE 414
8.8.2 DYNAMISCHE PROGRAMMIERUNG 415
8.8.3 ANFRAGEDEKOMPOSITION 420
8.8.4 ITERATIVE IMPROVEMENT UND SIMULATED ANNEALING . . . 422 8.8.5
OPTIMIERUNG MIT GENETISCHEN ALGORITHMEN 425
8.9 BEEINFLUSSUNG VON ANFRAGEOPTIMIERERN 429
8.9.1 AUSGABE VON PLAENEN 429
8.9.2 OPTIMIZER HINTS 432
8.10 VERTIEFENDE LITERATUR 435
8.11 UEBUNGEN 436
9 TRANSAKTIONSMODELLE 439
9.1 TRANSAKTIONEN IM MEHRBENUTZERBETRIEB 439
9.2 TRANSAKTIONSEIGENSCHAFTEN 441
9.3 PROBLEME IM MEHRBENUTZERBETRIEB 443
9.3.1 INKONSISTENTES LESEN: NONREPEATABLE READ 443
9.3.2 LESEN INKONSISTENTER ZUSTAENDE 444
9.3.3 ABHAENGIGKEITEN VON NICHT FREIGEGEBENEN DATEN: DIRTY READ 444
9.3.4 DAS PHANTOM-PROBLEM 446
9.3.5 VERLOREN GEGANGENE AENDERUNGEN: LOST UPDATE 447 9.3.6
INTEGRITAETSVERLETZUNG DURCH MEHRBENUTZER-ANOMALIE . . 447 9.3.7
CURSOR-REFERENZEN 448
9.3.8 PROBLEMKLASSIFIKATION 449
9.4 SERIALISIERBARKEIT 450
9.4.1 EINFUEHRUNG IN DIE SERIALISIERBARKEITSTHEMATIK 450 9.4.2 DER
BEGRIFF DES SCHEDULES 455
9.4.3 GRUNDLEGENDE DEFINITIONEN 458
9.4.4 DAS KONZEPT DER SERIALISIERBARKEIT 460
9.4.5 SICHTSERIALISIERBARKEIT 460
9.4.6 KONFLIKTSERIALISIERBARKEIT 463
9.4.7 GRAPHBASIERTER TEST AUF KONFLIKTSERIALISIERBARKEIT . . . . 466
9.4.8 ABGESCHLOSSENHEITSEIGENSCHAFTEN 468
9.5 TRANSAKTIONSABBRUCH UND FEHLERSICHERHEIT 471
9.5.1 RUECKSETZBARKEIT 471
9.5.2 VERMEIDUNG KASKADIERENDER ABBRUCHE 472
9.5.3 STRIKTHEIT 473
9.5.4 OPERATIONEN FUER DEN TRANSAKTIONSABBRUCH 474
XIV INHALTSVERZEICHNIS
IMAGE 7
9.6 MEHRVERSIONEN-SERIALISIERBARKEIT 475
9.7 AUSNUTZUNG SEMANTISCHER INFORMATIONEN 485
9.7.1 VERTAUSCHBARKEIT VON OPERATIONEN 485
9.7.2 KOMPENSIERENDE AKTIONEN 489
9.8 VERTIEFENDE LITERATUR 490
9.9 UEBUNGEN 491
10 TRANSAKTIONSVERWALTUNG 495
10.1 DER SCHEDULER 495
10.2 SPERRMODELLE 498
10.2.1 SPERRDISZIPLIN 498
10.2.2 VERKLEMMUNGEN 499
10.2.3 LIVELOCK-PROBLEM 500
10.3 SPERRPROTOKOLLE 501
10.3.1 NOTWENDIGKEIT VON SPERRPROTOKOLLEN 501
10.3.2 ZWEI-PHASEN-SPERRPROTOKOLL 502
10.3.3 STRIKTES ZWEI-PHASEN-SPERRPROTOKOLL 504
10.3.4 AGGRESSIVE UND KONSERVATIVE PROTOKOLLE 504
10.4 SPERRGRANULATE 505
10.4.1 HIERARCHISCHES SPERREN 506
10.4.2 BAUMPROTOKOLLE FUER SPERREN IN INDEXSTRUKTUREN 510 10.5
NICHTSPERRENDE VERFAHREN ZUR SYNCHRONISATION 512
10.5.1 ZEITMARKENVERFAHREN 513
10.5.2 SERIALISIERBARKEITSGRAPHENTESTER 516
10.5.3 OPTIMISTISCHE VERFAHREN 517
10.6 MEHRVERSIONEN-SYNCHRONISATION 519
10.6.1 BEGRENZUNG DER ANZAHL DER VERSIONEN 520
10.6.2 SYNCHRONISATION VON MV-SCHEDULES 521
10.7 COMMIT-PROTOKOLLE 526
10.7.1 VERTEILTES COMMIT 527
10.7.2 DAS ZWEI-PHASEN-COMMIT-PROTOKOLL 527
10.7.3 LINEARES 2PC 531
10.7.4 VERTEILTES 2PC 531
10.7.5 HIERARCHISCHES 2PC 532
10.7.6 DAS DREI-PHASEN-COMMIT-PROTOKOLL 533
10.8 TRANSAKTIONEN IN SQL-DBMS 536
10.8.1 AUFWEICHUNG VON ACID IN SQL-92: ISOLATIONSEBENEN . 536 10.8.2
EXPLIZITE SPERREN IN SQL 539
10.9 VERTIEFENDE LITERATUR 540
10.10 UEBUNGEN 541
XV
IMAGE 8
11 WIEDERHERSTELLUNG UND DATENSICHERUNG 543
11.1 BETEILIGTE SYSTEMKOMPONENTEN 544
11.2 FEHLERKLASSIFIKATION UND RECOVERY-KLASSEN 546
11.2.1 FEHLERKLASSIFIKATION 546
11.2.2 FEHLERKATEGORIEN UND ZUGEHOERIGE RECOVERY-MASSNAHMEN 549 11.3
PROTOKOLLIERUNGSARTEN 550
11.3.1 AUFBAU DES LOGBUCHS 550
11.3.2 PHYSISCHES VS. LOGISCHES LOGBUCH 552
11.3.3 SICHERUNGSPUNKTE 557
11.4 RECOVERY-STRATEGIEN 561
11.4.1 SEITENERSETZUNGSSTRATEGIEN 561
11.4.2 PROPAGIERUNGSSTRATEGIEN 562
11.4.3 EINBRINGSTRATEGIEN 563
11.4.4 KONKRETE RECOVERY-STRATEGIEN 563
11.4.5 WIEDERANLAUF NACH EINEM FEHLERFALL 566
11.4.6 DAS REDO-PROTOKOLL ALS KONKRETE REALISIERUNG 567 11.4.7 ABBRUCHE
IM RECOVERY-PROZESS 568
11.5 DAS ARIES-VERFAHREN 569
11.5.1 VORGEHENSWEISE IN ARIES 569
11.5.2 GRUNDPRINZIPIEN UND DATENSTRUKTUREN 570
11.5.3 PHASEN DES WIEDERANLAUFS 571
11.6 SCHATTENSPEICHERVERFAHREN 573
11.7 BACKUP-STRATEGIEN UND ARCHIVIERUNG 575
11.7.1 BACKUPS UND ARCHIVIERUNG 576
11.7.2 SPIEGELUNG VON DATENBANKEN 577
11.8 VERTIEFENDE LITERATUR 578
11.9 UEBUNGEN 578
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 580
TABELLENVERZEICHNIS 589
LISTE DER CODEFRAGMENTE 591
SACHINDEX 593
SCHLUESSELWORTINDEX 605
LITERATURVERZEICHNIS 609
XVI INHALTSVERZEICHNIS |
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