Veritabanı Yönetim
Sistemleri

CENG208 Veritabanı Yönetim Sistemleri dersi, öğrencilere veritabanı dünyasının temellerini kapsamlı biçimde öğretmeyi hedefler. Ders boyunca ilişkisel veri modeli, SQL, sorgulama teknikleri, normalizasyon, işlem yönetimi ve güvenlik gibi kritik konular ele alınır.

Bir veritabanı (database), bir bilgisayarda depolanan veri koleksiyonudur. Bu veriler birbirinden bağımsız değil; mantıksal olarak ilişkili ve anlamlı biçimde organize edilmiş kayıtlardır.

Gerçek hayatta veritabanları çok farklı alanlar için kullanılır. Bunların başlıcaları şunlardır:

• Çalışan kayıtları (Employee records) — insan kaynakları sistemleri
• Tıbbi kayıtlar (Medical records) — hastane bilgi sistemleri
• Satış kayıtları (Sales records) — e-ticaret ve perakende sistemleri

Bir üniversite veritabanı örneğinde beş tür kayıt bulunur: STUDENT (öğrenci), DEPT (bölüm), COURSE (ders), SECTION (ders şubesi) ve ENROLL (kayıt/not). Bu kayıtlar veritabanının kavramsal resmini oluşturur; ancak bu resim, kayıtların nasıl depolandığını ya da nasıl erişildiğini göstermez.

İyi tasarlanmış bir veritabanı sisteminin yerine getirmesi gereken beş temel gereksinim vardır. Bu gereksinimler, gerçek dünyadaki uygulamaların ihtiyaçlarından doğmuştur:

• Kalıcı olmalı (Must be persistent): Veriler, program kapandıktan sonra da kaybolmamalıdır. Elektrik kesilse bile veri bütünlüğü korunmalıdır.
• Çok büyük olabilir (Can be very large): Gerçek dünya veritabanları milyarlarca kayıt içerebilir. Sistem bu ölçekte de verimli çalışmalıdır.
• Paylaşımlıdır (Get shared): Birden fazla kullanıcı ya da uygulama aynı anda aynı veriye erişebilir. Bu erişimler güvenli ve tutarlı olmalıdır.
• Doğru tutulmalıdır (Must be kept accurate): Veritabanı yanlış ya da tutarsız veri içermemelidir. Kısıtlamalar ve denetimler bu doğruluğu sağlar.
• Kullanılabilir olmalıdır (Must be usable): Veri kolayca sorgulanabilir, güncellenebilir ve yönetilebilir olmalıdır. Kullanıcılar karmaşık altyapı detaylarıyla uğraşmak zorunda kalmamalıdır.

Veritabanlarının kalıcı olması gerektiğinden, kayıtların bir yerde fiziksel olarak tutulması şarttır. En basit yaklaşım, kayıtları düz metin dosyalarında (text files) saklamaktır.

Bu yöntemde her kayıt türü için ayrı bir dosya oluşturulur. Her kayıt bir metin satırı olarak yazılır ve değerler sekmelerle (TAB) ayrılır. Örneğin STUDENT tablosunun metin dosyasındaki bir satır şu şekilde görünür:

1[TAB]joe[TAB]2004[TAB]10[RET]2[TAB]amy[TAB]2004[TAB]20[RET]...

Bu dezavantajlar, özellikle büyük ölçekli ve paylaşımlı veritabanlarında kabul edilemez düzeye ulaşır. Bu nedenle günümüzde gerçek bir Veritabanı Yönetim Sistemi (DBMS) kullanmak kaçınılmazdır.

Bir veritabanı birden fazla şekilde ifade edilebilir; bu farklı ifade biçimleri veri modelleri ve şemalar kavramlarını ortaya çıkarır.

İki temel veri modeli karşılaştırıldığında aralarındaki fark netleşir:

Bu iki model, farklı soyutlama düzeylerinde çalışır. Aynı sorgu için yazılması gereken kod miktarına bakıldığında fark çarpıcı biçimde ortaya çıkar:

public static List<String> getStudents1997() {
    List<String> result = new ArrayList<>();
    FileReader rdr = new FileReader("students.txt");
    BufferedReader br = new BufferedReader(rdr);
    String line = br.readLine();
    while (line != null) {
        String[] vals = line.split("\t");
        String gradyear = vals[2];
        if (gradyear.equals("1997"))
            result.add(vals[1]);
        line = br.readLine();
    }
    return result;
}

SELECT SName FROM STUDENT WHERE GradYear = 1997

SQL kodu yalnızca ne istediğini belirtir; veriyi nasıl getireceğini söylemez. Bu, ilişkisel modelin en güçlü özelliklerinden biridir.

Kavramsal şema verinin "ne" olduğunu tanımlarken, fiziksel şema veritabanının "nasıl" uygulandığını tanımlar. Kavramsal şemalar, tüm uygulama detaylarını dışarıda bıraktıkları için fiziksel şemalardan çok daha kolay anlaşılır ve manipüle edilir.

Kavramsal şemalar elbette fiziksel şemalardan daha kullanışlıdır. Peki kavramsal düzeyde yazılan bir SQL sorgusu nasıl çalıştırılır? Bu noktada veritabanı kataloğu (database catalog) devreye girer.

Bu bağımsızlığın sağladığı üç temel fayda vardır:

• Kullanım kolaylığı: Uygulama detaylarıyla uğraşmaya gerek yoktur. SQL ile istediğinizi ifade edersiniz, sistem nasıl getireceğini bilir.
• Sorgu optimizasyonu: Sistem, sorguyu otomatik olarak en verimli şekilde çalıştırır. Programcı performans optimizasyonu yapmak zorunda kalmaz.
• Fiziksel şema değişikliklerinden izolasyon: Diskteki dosya yapısı değişse bile kullanıcı bunu fark etmez; uygulamaları etkilenmez.

Fiziksel bağımsızlık, kullanıcıları fiziksel detaylardan ayırır. Mantıksal bağımsızlık ise bir adım ileri giderek her kullanıcıya kendi özelleştirilmiş "bakış açısını" sunar.

Örneğin dekanlık ofisi sürekli öğrenci transkriptleriyle ilgileniyor olabilir. Kavramsal şemadaki tablolara erişmek yerine, onlara daha uygun olan şu iki tablo sunulabilir:

Mantıksal veri bağımsızlığının faydaları:

• Her kullanıcı kişiselleştirilmiş bir harici şema alır; ihtiyacı olan veriyi ihtiyacı olan biçimde görür.
• İhtiyacı olmayan veriyi görmez — bu hem kullanım kolaylığı hem de güvenlik sağlar.
• Kavramsal şema değişse bile kullanıcı etkilenmez.
• Kullanıcılar yalnızca kendi şemalarına yönelik ayrıcalıklar alır; bu daha güçlü bir güvenlik modeli sunar.
• Harici şemalar hassas verileri yetkisiz kullanıcılardan gizlemek için kullanılabilir.

Bir veritabanı sistemi üç farklı soyutlama düzeyinde çalışır. Bu mimari ANSI/SPARC üç şema mimarisi olarak bilinir ve günümüz tüm DBMS sistemlerinin temelini oluşturur:

Bu üç düzey arasındaki dönüşümü (mapping) veritabanı sistemi otomatik olarak yönetir. Kullanıcı harici şemasında bir sorgu yazar → sistem bunu kavramsal şemaya çevirir → oradan da fiziksel şemada gerçekleştirir.

İlişkisel bir veritabanı sisteminde tüm veriler tablolar (tables) halinde düzenlenir. Tablolar, ilişkisel modelin temel yapı taşlarıdır.

• Her tablo sıfır ya da daha fazla kayıt (record / tuple / row) ve bir ya da daha fazla alan (field / attribute / column) içerir.
• Her kayıt, her alan için bir değere sahiptir.
• Her alanın belirli bir tipi (type) vardır: sayısal, metin, tarih/saat vb.
• Ticari veritabanı sistemleri INTEGER, VARCHAR, DATE, FLOAT gibi pek çok türü destekler.

Üniversite veritabanının şeması (tip bilgileri göz ardı edilirse) şu şekilde yazılır:

Null değerlerin ortaya çıkmasının iki temel nedeni vardır:

• Veri toplama tamamlanmamış olabilir: Bir öğrencinin mezuniyet yılı henüz belirlenmemişse bu alan null olarak kalır.
• Veri geç gelebilir: Bir sınav notu henüz girilmemişse not alanı geçici olarak null olacaktır.

Veritabanında bir kaydı bulmak için o kaydı benzersiz biçimde tanımlayan alan değerleri belirtilmelidir. Ancak her alan kombinasyonu bu benzersizliği garanti etmez. Bu nedenle anahtar (key) kavramı geliştirilmiştir.

Örnekler üzerinden açıklayalım:

Birincil anahtar seçiminde dikkat edilmesi gerekenler:

• Olabildiğince doğal ve anlaşılması kolay olmalıdır.
• ID numaraları sıklıkla birincil anahtar olarak kullanılır, çünkü basit ve sezgiseldir.
• Birincil anahtar alanları asla null değer içeremez.

Üniversite veritabanındaki yabancı anahtar ilişkileri:

Örneğin: STUDENT tablosundaki MajorId = 20 ise, DEPT tablosunda DId = 20 olan bir kayıt mutlaka var olmalıdır. Aksi hâlde veritabanı geçersiz bir duruma düşer ve referans bütünlüğü ihlal edilmiş olur.

Dört önemli kısıtlama türü vardır:

Bütünlük kısıtlamaları (integrity constraints), organizasyonun "iş kurallarını" veritabanı düzeyinde kodlar. İki temel amaca hizmet eder:

• Hatalı veri girişini tespit etmek: Örneğin mezuniyet yılı 1800 girilirse sistem reddeder.
• Organizasyonun kurallarını uygulamak: Örneğin bir öğrenci aynı dersi iki kez alamaz.

Bütünlük kısıtlaması kapsamı bakımından üç farklı düzeyde tanımlanabilir:

• Tek bir kayıt düzeyinde: "Bir öğrencinin mezuniyet yılı en az 1863 olmalıdır."
• Tablo düzeyinde: "Bir profesör yılda en fazla iki şube öğretebilir."
• Veritabanı düzeyinde: "Bir öğrenci bir dersi birden fazla kez alamaz."

Şimdi tüm bu kısıtlamaların SQL'deki gerçek karşılığına bakalım:

CREATE TABLE STUDENT (
    SId       INT          NOT NULL,        -- null değer kısıtı
    SName     VARCHAR(10)  NOT NULL,        -- null değer kısıtı
    MajorId   INT,                             -- null olabilir
    GradYear  INT,                             -- null olabilir

    PRIMARY KEY (SId),                      -- anahtar kısıtı
    FOREIGN KEY (MajorId) REFERENCES DEPT  -- referans bütünlüğü
        ON UPDATE CASCADE                    -- DEPT güncellenince cascade
        ON DELETE SET NULL,                  -- DEPT silinince null yap
    CHECK (SId > 0),                       -- bütünlük kısıtı
    CHECK (GradYear >= 1863)               -- bütünlük kısıtı
);

Yabancı anahtar bildiriminde ON DELETE ve ON UPDATE ile belirtilen dört aksiyon türü:

• CASCADE: Referans alınan kayıt silindiğinde/güncellendiğinde, aynı işlemi yabancı anahtar içeren tüm kayıtlara da uygular.
• SET NULL: Yabancı anahtar değerlerini null yapar.
• SET DEFAULT: Yabancı anahtar değerlerini varsayılan değere (DEFAULT) çeker.
• NO ACTION: Etkilenen yabancı anahtar kaydı varsa işlemi reddeder (hata döndürür).