Relationale Datenbank: Aufbau und Normalisierung

Eine relationale Datenbank ordnet Daten in Tabellen. Eine Tabelle beschreibt eine Art von Gegenständen oder Vorgängen. Ein Datensatz ist eine Zeile mit zusammengehörigen Angaben. Ein Attribut ist eine benannte Spalte, etwa Ort. In jeder Zeile steht dort der zugehörige Attributwert.

Ein Primärschlüssel kennzeichnet jeden Datensatz eindeutig. Er kann aus einer Spalte oder mehreren Spalten bestehen. Seine Werte beziehungsweise Wertekombinationen dürfen nicht doppelt vorkommen. Kein Bestandteil darf fehlen. Namen eignen sich ohne weitere Regeln schlecht dafür, weil verschiedene Gegenstände denselben Namen haben können.

Ein Fremdschlüssel stellt einen Bezug zu einem Datensatz her. In unseren Beispielen verweist er auf den Primärschlüssel einer anderen Tabelle. Sein Wert darf mehrfach vorkommen: Mehrere Fächer können beispielsweise zum selben Spind gehören. Bei einem Schlüssel aus mehreren Spalten gehören auch zum passenden Fremdschlüssel entsprechend mehrere Spalten.

Ein Relationenschema beschreibt den Aufbau einer Tabelle. Wir schreiben den Tabellennamen und dahinter die Spaltennamen in Klammern. Spind(SpindNr, Ort) ist ein solches Schema. „Nr“ bedeutet Nummer. Die Schlüssel nennen wir jeweils ausdrücklich dazu. Diese Schreibweise beschreibt einen Entwurf; sie ist kein ausführbarer Programmcode.

Eine Beziehung beschreibt, wie Datensätze verschiedener Tabellen zusammengehören. 1:N heißt Eins-zu-viele. Ein Datensatz der Eins-Seite kann mit mehreren Datensätzen der N-Seite verbunden sein. In unserem Abteilungsmodell gehört jeder Mitarbeiter genau zu einer Abteilung. Eine Abteilung kann mehrere Mitarbeiter haben.

Für eine 1:N-Beziehung übernimmst du den Primärschlüssel der Eins-Seite als Fremdschlüssel in die Tabelle der N-Seite. So steht AbteilungNr in Mitarbeiter. Dieselbe AbteilungNr darf dort mehrfach vorkommen. Eine Liste von Mitarbeiternummern in einer Zelle der Abteilungstabelle ist dafür nicht der passende Aufbau.

N:M heißt Viele-zu-viele. Beide Buchstaben stehen für mögliche Anzahlen, nicht für festgelegte Zahlen. Im Kursmodell kann ein Teilnehmer mehrere Kurse besuchen. Ein Kurs kann mehrere Teilnehmer haben. Die Schreibweisen 1:N und N:M legen allein noch nicht fest, ob eine Zuordnung verpflichtend ist.

Eine N:M-Beziehung erhält eine eigene Verbindungstabelle. Sie enthält die Schlüssel beider Seiten als Fremdschlüssel. Dadurch entstehen zwei 1:N-Beziehungen. Wenn jedes Paar höchstens einmal erfasst wird, können die beiden Fremdschlüssel gemeinsam den Primärschlüssel bilden. Jeder einzelne Wert darf sich wiederholen, die Kombination nicht.

Referentielle Integrität bedeutet, dass Verweise zwischen Tabellen gültig bleiben. Für unsere Verweise auf Primärschlüssel gilt: Jeder eingetragene Fremdschlüsselwert muss zu einem vorhandenen Datensatz der Zieltabelle passen. Ein Verweis auf eine nicht vorhandene Nummer ist fehlerhaft.

Ein leerer Fremdschlüssel ist davon zu unterscheiden. Er kann zulässig sein, wenn die Beziehung freiwillig ist und der Entwurf einen fehlenden Wert erlaubt. Ist die Zuordnung verpflichtend, darf der Fremdschlüssel nicht leer bleiben. Ein leerer Wert ist keine erfundene Zielnummer.

Das Datenbanksystem muss die Prüfung durchsetzen. Wir betrachten hier ein Modell mit aktivierter Prüfung nach jedem abgeschlossenen Änderungsschritt. Ohne zusätzliche Weitergaberegel wird eine Änderung abgewiesen, wenn danach ein Verweis ohne Ziel übrig bliebe. Das betrifft etwa das Eintragen einer unbekannten Zielnummer oder das Löschen eines noch verwendeten Zieldatensatzes. Das System wählt dabei keinen anderen Zieldatensatz als Ersatz aus.

Zusätzlich eingerichtete Weitergaberegeln können das Verhalten ändern. Eine Änderungsweitergabe passt verweisende Fremdschlüssel an eine geänderte Zielnummer an. Eine Löschweitergabe entfernt zusammen mit dem Zieldatensatz auch die darauf verweisenden Datensätze. Solche Regeln sind zusätzliche Einstellungen; sie folgen nicht schon aus dem Vorhandensein eines Fremdschlüssels.

Normalisierung ordnet Angaben passenden Tabellen zu. Sie verringert vermeidbare Mehrfachspeicherung und damit widersprüchliche Änderungen. Eine Normalform ist eine festgelegte Stufe dieser Ordnung. Du prüfst die Stufen nacheinander. Dabei sollen Angaben und ihre Zuordnungen erhalten bleiben. Normalisierung prüft aber nicht, ob du von Anfang an alle benötigten Angaben erfasst hast.

Du brauchst dafür feste Modellregeln. Eine funktionale Abhängigkeit bedeutet: Ein bestimmter Wert oder eine bestimmte Wertekombination legt einen anderen Wert eindeutig fest. Solche Regeln folgen aus der beschriebenen Aufgabe. Du darfst sie nicht aus wenigen zufällig passenden Beispielzeilen ableiten. Wir betrachten ein einfaches Modell, in dem die genannten Schlüssel jeweils die einzigen minimalen eindeutigen Spaltenkombinationen sind. Minimal heißt: Du kannst keine Schlüsselspalte weglassen, ohne die eindeutige Kennzeichnung zu verlieren.

Unser Werkstattplan erfasst ausschließlich Termine, bei denen mindestens ein Gerät genutzt wird. Ein Termin kann mehrere Geräte nutzen, ein Gerät kann bei mehreren Terminen vorkommen. Jedes Gerät wird je Termin höchstens einmal eingetragen. GerätNr legt Gerätename und RaumNr fest. Jedes Gerät ist im Modell fest einem Raum zugeordnet. RaumNr legt Raumname fest. Die Kombination aus TerminNr und GerätNr legt die Nutzungsdauer in Minuten fest. Gerätenamen und Raumnamen dürfen mehrfach vorkommen. Es gelten diese Abhängigkeiten und ihre Folgerungen, keine weiteren Eindeutigkeitsregeln.

Die erste Normalform verlangt für unseren Entwurf einen einzelnen Wert je Zelle statt einer Liste. Die Ausgangstabelle Plan(TerminNr, Geräteliste) enthält pro Termin eine Liste der genutzten Geräte samt Angaben. Du machst daraus je Kombination von Termin und Gerät eine Zeile. Es entsteht Nutzung(TerminNr, GerätNr, Gerätename, RaumNr, Raumname, Minuten). Der Primärschlüssel ist (TerminNr, GerätNr).

Die zweite Normalform setzt die erste voraus. In unserem Modell muss jede Nichtschlüsselspalte vom gesamten Schlüssel abhängen, nicht schon von einem Teil. Eine Nichtschlüsselspalte gehört nicht zum Primärschlüssel. Gerätename, RaumNr und Raumname stehen bereits durch GerätNr fest. Sie gehören daher in Gerät(GerätNr, Gerätename, RaumNr, Raumname). In Nutzung(TerminNr, GerätNr, Minuten) bleibt die Dauer, weil sie zur ganzen Kombination gehört. GerätNr wird dort Fremdschlüssel auf Gerät.

Die dritte Normalform setzt die zweite voraus. In unserem einfachen Modell soll keine Nichtschlüsselspalte über eine andere Nichtschlüsselspalte bestimmt werden. In Gerät legt RaumNr den Raumnamen fest. Deshalb lagerst du diese Zuordnung in Raum(RaumNr, Raumname) aus. Übrig bleibt Gerät(GerätNr, Gerätename, RaumNr), mit RaumNr als Fremdschlüssel. Die Endtabellen sind Nutzung, Gerät und Raum. Ihre Primärschlüssel sind die Kombination (TerminNr, GerätNr), GerätNr und RaumNr.