Eine Entität ist ein einzelnes, unterscheidbares Objekt der Wirklichkeit, etwa die Schülerin Mara oder der Kurs Klavier. Gleichartige Entitäten bilden einen Entitätstyp (Schueler, Kurs). Ein Attribut ist eine Eigenschaft, die alle Entitäten des Typs haben (name, geburtsjahr), mit einem Wertebereich wie Text oder ganze Zahl. Ein Attribut, das jede Entität eindeutig kennzeichnet, ist ein Schlüsselattribut. Fehlt ein natürlicher Schlüssel, führt man eine Nummer ein: sid, kid, lid.

Ein Beziehungstyp verbindet Entitätstypen, etwa "Lehrkraft leitet Kurs". Die Kardinalität nennt, mit wie vielen Entitäten des anderen Typs eine Entität verbunden sein kann:

• 1:1: höchstens ein Partner auf jeder Seite (Person und Personalausweis).
• 1:n: Eine Entität des ersten Typs hat viele Partner, jede des zweiten nur einen (eine Lehrkraft, viele Kurse).
• m:n: Auf beiden Seiten gibt es viele Partner (Schüler und Kurse).

Die Optionalität sagt, ob eine Entität an der Beziehung teilnehmen muss oder auch ohne Partner vorkommen kann. Jeder Kurs hat eine Lehrkraft (Kurs: muss), eine neue Lehrkraft leitet vielleicht noch keinen Kurs (Lehrkraft: kann). Ein ER-Diagramm (Entity-Relationship) zeichnet das mit Rechtecken für Entitätstypen, Ellipsen für Attribute (Schlüssel unterstrichen) und Rauten für Beziehungstypen. Wir beschreiben es als Tabelle.

Im Relationenmodell besteht eine Datenbank aus Relationen, das sind Tabellen. Jede Zeile ist ein Tupel, jede Spalte ein Attribut. Eine Relation ist eine Menge von Tupeln: Die Reihenfolge ist unwichtig, kein Tupel steht doppelt. Ein Relationenschema nennt Namen und Attribute. Den Primärschlüssel unterstreicht man, einen Fremdschlüssel kennzeichnet man hier mit FK.

Ein Schlüsselkandidat ist eine minimale Attributmenge, die jedes Tupel eindeutig bestimmt: Lässt man ein Attribut weg, ist sie nicht mehr eindeutig. Aus den Kandidaten wählt man den Primärschlüssel, bei mehreren Attributen heißt er zusammengesetzt. Ein Fremdschlüssel verweist auf den Primärschlüssel einer anderen Relation. Zu jedem seiner Werte muss es dort ein Tupel geben, oder er ist leer (NULL). Das ist die referenzielle Integrität.

• Jeder Entitätstyp wird eine Relation, das Schlüsselattribut der Primärschlüssel.
• 1:n: Die Relation der n-Seite bekommt einen Fremdschlüssel auf die 1-Seite, ebenso die Beziehungsattribute. Muss die n-Seite einen Partner haben, ist der Fremdschlüssel NOT NULL, sonst darf er NULL sein.
• m:n: Es entsteht eine eigene Relation mit je einem Fremdschlüssel pro Seite und den Beziehungsattributen. Die Fremdschlüssel bilden zusammen den Primärschlüssel, wenn ein Paar nur einmal vorkommen darf (sonst gehört ein weiteres Attribut dazu).
• 1:1: Eine der beiden Relationen bekommt einen Fremdschlüssel, der dort eindeutig ist (UNIQUE). Müssen beide Seiten einen Partner haben, kann man beide Typen in einer Relation vereinen.

Redundanz heißt: Dieselbe Tatsache steht mehrfach in der Datenbank. Sie führt zu Anomalien:

• Änderungsanomalie: Eine Kopie wird geändert, die anderen bleiben.
• Einfügeanomalie: Eine Tatsache lässt sich nicht eintragen, weil eine andere fehlt.
• Löschanomalie: Mit einer Tatsache geht eine andere verloren.

Die Ursache ist meist eine funktionale Abhängigkeit: $A \to B$ gilt, wenn jeder Wert von A genau einen Wert von B festlegt, etwa $\text{kid} \to \text{titel}$. Kommt ein Wert von A mehrmals vor, steht der zugehörige Wert von B jedes Mal erneut da.

Die Normalisierung (in einigen Ländern nur im Leistungskurs) zerlegt Relationen schrittweise so, dass die Abhängigkeiten sauber sind. Die Zerlegung muss verlustfrei sein: Verbindet man die Teile wieder, entsteht das Original. Ein Nichtschlüsselattribut kommt in keinem Schlüsselkandidaten vor.

• 1. Normalform (1NF): Alle Attributwerte sind atomar, nicht weiter zerlegbar. Eine Zelle "Klavier, Chor" verletzt sie.
• 2. Normalform (2NF): 1NF, und jedes Nichtschlüsselattribut hängt vom ganzen Primärschlüssel ab, nicht nur von einem Teil. Das kann nur bei zusammengesetztem Schlüssel verletzt sein.
• 3. Normalform (3NF): 2NF, und kein Nichtschlüsselattribut hängt von einem anderen Nichtschlüsselattribut ab (keine transitive Abhängigkeit).

Ein Datenbankmanagementsystem (DBMS) ist die Software, die eine Datenbank verwaltet, zum Beispiel SQLite, PostgreSQL oder MariaDB. Es speichert Daten dauerhaft, nimmt Abfragen in SQL entgegen, prüft Schlüssel und Fremdschlüssel, bedient mehrere Nutzer gleichzeitig, setzt Zugriffsrechte durch und sichert die Daten. Anwendungen sprechen nur mit dem DBMS, nicht mit den Dateien.