XML (Extensible Markup Language) ist eine Auszeichnungssprache zur Darstellung hierarchisch strukturierter Daten im Format einer Textdatei, die sowohl von Menschen als auch von Maschinen lesbar ist. Im Endeffekt kann man damit Daten auf gemeinsam nutzbare Weise definieren und speichern. Es unterstützt den Informationsaustausch zwischen Computersystemen wie Websites, Datenbanken und Anwendungen von Drittanbietern. Vordefinierte Regeln erleichtern die Übertragung von Daten als XML-Dateien über ein beliebiges Netzwerk, da der Empfänger diese Regeln verwenden kann, um die Daten genau und effizient zu lesen. Dazu aber im Anschluss etwas mehr und vor allem etwas genauer.
Eine wirklich kurze Zeitreise
Die Extensible Markup Language wurde vom World Wide Web Consortium (W3C) am 10. Februar 1998 veröffentlicht. Die aktuelle Fassung ist die fünfte Ausgabe vom 26. November 2008. Alle bisherigen und aktuellen Publikationen kann man hier einsehen.
Was ist XML nun wirklich und was tut es?
Es ist eine Metasprache, auf deren Basis durch strukturelle und inhaltliche Einschränkungen anwendungsspezifische Sprachen definiert werden. Diese Einschränkungen werden entweder durch eine Document Type Definition (DTD) oder durch ein XML Schema ausgedrückt. Beispiele für XML-Sprachen sind: RSS, MathML, GraphML, XHTML, XAML, Scalable Vector Graphics (SVG), GPX, aber auch das XML-Schema selbst. Auf diese Sprachen gehe ich in zukünftigen Sprachen ein. Besonders SVG hat einen Großteil meiner persönlichen Entwicklung geprägt.
Die Standardzeichenkodierung eines XML-Dokumentes ist UTF-8. XML-bearbeitende Systeme müssen die Kodierungen UTF-8 und UTF-16 beherrschen. XML-Dokumente, die UTF-8 oder UTF-16 verwenden, können in allen Texteditoren, die diese Kodierungen unterstützen, angezeigt und bearbeitet werden. Damit sind so ziemlich alle „Browser“ gemeint 😉
Wenn das XML-Dokument Binärdaten enthalten soll, müssen diese Daten zu Text konvertiert bzw. umkodiert werden. Dazu kann z. B. die Base64-Kodierung verwendet werden.
Das Element
Die essenzielle Struktureinheit eines XML-Dokumentes ist das Element. Elemente können Text wie auch weitere Elemente als Inhalt enthalten. Elemente bilden die Knoten des Strukturbaumes eines XML-Dokumentes. Der Name eines Elementes kann in Dokumenten ohne Dokumenttypdefinition (DTD) frei gewählt werden. In XML-Dokumenten mit DTD muss der Name eines Elementes in der DTD deklariert sein und das Element muss sich in einer zugelassenen Position innerhalb des Strukturbaumes gemäß DTD befinden. In der DTD wird u. a. der mögliche Inhalt eines jeden Elementes definiert. Elemente sind die Träger der Information in einem XML-Dokument.
Tag
Für die Auszeichnung von Elementen werden Tags verwendet. Auf den ersten Blick sehen XML-Tags fast wie HTML-Tags aus. Start-Tags beginnen mit < und End-Tags mit </. Bei beiden folgt anschließend der Name des Elements, und sie werden beide durch > geschlossen. Anders als bei den HTML-Tags können Sie jedoch neue Tags erzeugen. Um eine Person zu beschreiben, benutzt man die Tags <person> und </person>. Um ein Tier zu beschreiben, verwendet man die Tags <tier> und </tier>. Die Namen der Tags spiegeln im Allgemeinen die Art des Inhalts innerhalb des Elements wider und nicht die Art und Weise, wie der Inhalt formatiert wird.
Wohlgeformtheit
Ein XML-Dokument ist „wohlgeformt“ (well-formed), wenn es alle Regeln einhält.
Die Regeln
- Das Dokument besitzt genau ein Wurzelelement. Als Wurzelelement wird dabei das jeweils äußerste Element bezeichnet, z. B. <html> in XHTML.
- Alle Elemente mit Inhalt besitzen einen Start- und einen Endtag (z. B. <eintrag>Eintrag 1</eintrag>). Elemente ohne Inhalt können mit einem Leertag gekennzeichnet werden (z. B. <eintrag />).
- Die Start- und Endtags sind ebenentreu-paarig verschachtelt. Dies bedeutet, dass alle Elemente geschlossen sind, bevor die End-Auszeichner des entsprechenden Elternelements oder die Beginn-Auszeichner eines Geschwisterelements erscheinen.
- Ein Element darf nicht mehrere Attribute mit demselben Namen besitzen.
- Attributwerte müssen in Anführungszeichen stehen („…“ oder ‚…‘).
- Die Start- und Endtags sind Case sensitive, also beachten die Groß- und Kleinschreibung (z. B. <eintrag></Eintrag> ist ungültig).
Gültigkeit (Validität)
Verwendet man es für den Datenaustausch, ist es von Vorteil, wenn das Format mittels einer Grammatik (z. B. einer Dokumenttypdefinition oder eines XML-Schemas) definiert ist. Der Standard definiert ein XML-Dokument als gültig (oder englisch valid), wenn es wohlgeformt ist, den Verweis auf eine Grammatik enthält und das durch die Grammatik beschriebene Format einhält.
Parser
Programme oder Programmteile, die XML-Daten auslesen, interpretieren und ggf. auf Gültigkeit prüfen, nennt man XML-Parser. Prüft der Parser die Gültigkeit, so ist er ein validierender Parser. Darauf gehe ich aber in einem zukünftigen Beitrag genauer ein.
Wie sieht die Extensible Markup Language eigentlich aus?
<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="yes"?>
<verzeichnis>
<titel>Städteverzeichnis</titel>
<eintrag>
<stichwort>München</stichwort>
<eintragstext>München ist der Sitz von ...</eintragstext>
</eintrag>
<eintrag>
<stichwort>Donauwörth</stichwort>
<eintragstext>Donauwörth ist eine Stadt, die ...</eintragstext>
</eintrag>
</verzeichnis>XML-Dokumente besitzen einen physischen und einen logischen Aufbau.
Der physische Aufbau
- Die Dokument-Entität (Document entity) enthält das Hauptdokument.
- Weitere mögliche Entitäten sind über Entitätenreferenzen (&name; für das Dokument bzw. %name; für die Dokumenttypdefinition) eingebundene Zeichenketten, eventuell auch ganze Dateien, sowie Referenzen auf Zeichenentitäten zur Einbindung einzelner Zeichen, die über ihre Nummer referenziert wurden (&#Dezimalzahl; oder &#xHexadezimalzahl;).
- Eine XML-Deklaration wird verwendet, um die Version, Zeichenkodierung und eine mögliche Verarbeitbarkeit ohne DTD zu spezifizieren.
- Eine DTD wird verwendet, um Entitäten sowie den erlaubten logischen Aufbau zu spezifizieren. Die Verwendung einer DTD kann in der Deklaration abgewählt werden.
Der logische Aufbau
Der logische Aufbau entspricht einer Baumstruktur und ist damit hierarchisch organisiert. Es gibt folgende Baumknoten:
- Elemente, deren physische Auszeichnung mittels eines passenden Paars aus Starttag <Tagname> und End-Tag </Tagname> oder eines Leertags <Tagname/> erfolgen kann.
- Attribute als bei einem Starttag oder Leertag geschriebene zusätzliche Eigenschaften der Elemente in der Syntax Attributname=Attributwert.
- Verarbeitungsanweisungen <?Zielname Daten?> (engl. Processing Instructions).
- Kommentare <!– Kommentar-Text –>.
- Text, der als normale Zeichendaten oder in Form eines CDATA-Abschnittes <![CDATA[ beliebiger Text]]> auftreten kann.
Ein XML-Dokument muss genau ein Element auf der obersten Ebene enthalten. Unterhalb dieses Dokumentelements können weitere Elemente und Texte verschachtelt werden.
Was ist DTD
Wie vorher kurz ausgeschrieben und angeschnitten, handelt es sich dabei um die Dokumenttypdefinition und beschreibt die Struktur sowie Grammatik von Dokumenten. Sie ist Systembestandteil von XML und per Standard aktiviert.
Werden Dokumente mit Bezug zu einer externen Dokumenttypdefinition oder mit einer integrierten Dokumenttypdefinition erstellt, prüft der Parser das Dokument bereits beim Öffnen (Lesen). Ein Dokument auf Basis einer Dokumenttypdefinition ist stets ein valides Dokument. Die Übereinstimmung des Dokumentinhaltes mit den Regeln der Dokumenttypdefinition steht im Vordergrund. Die technische Lesbarkeit, also auch das Lesen von nicht validen Dokumenten ist nachrangig. Das ist für Volltextdokumente (erzählende Dokumente, engl. narrative documents) vorgesehen und der Haupteinsatzzweck.
Dokumente ohne DTD sind eher für den beliebigen Datenaustausch geeignet. Der Parser prüft diese Dokumente nur nach den Regeln der Wohlgeformtheit. Die technische Lesbarkeit steht hier an erster Stelle. Das Prüfen und Auslesen der eigentlichen Informationen wird mit nachgelagerten Prozessen realisiert.
Lesbarkeit
Wie zu Beginn erwähnt, können alle Webbrowser wie Apple Safari, Google Chrome, Microsoft Edge, Mozilla Firefox, Opera usw. XML-Dokumente mit Hilfe des eingebauten Parsers direkt visualisieren. Dadurch werden keine zusätzlichen PlugIns oder der Gleichen benötigt.
Klassifizierung von XML-Dokumenten
XML-Dokumente lassen sich anhand ihrer Bestimmung und ihres Strukturierungsgrades in dokumentzentrierte und datenzentrierte Dokumente unterteilen. Die Grenze zwischen diesen Dokumentenarten ist fließend. Mischformen können als semistrukturiert bezeichnet werden.
Dokumentzentriert
Das Dokument ist an ein Textdokument angelehnt, dass für den menschlichen Leser größtenteils auch ohne die zusätzliche Metainformation verständlich ist. XML-Elemente werden hauptsächlich zur semantischen Markierung von Passagen des Dokuments genutzt.
Das Dokument ist nur schwach strukturiert. Aufgrund der schwachen Strukturierung ist eine maschinelle Verarbeitung schwierig.
Datenzentriert
Das Dokument ist hauptsächlich für die maschinelle Verarbeitung bestimmt. Es folgt einem Schema, das Entitäten eines Datenmodells beschreibt und definiert, in welcher Beziehung die Entitäten zueinanderstehen und welche Attribute die Entitäten haben. Das Dokument ist somit stark strukturiert und für den unmittelbaren menschlichen Gebrauch weniger geeignet.
Semistrukturiert
Semistrukturierte Dokumente stellen eine Art Mischform dar, die stärker strukturiert ist als dokumentzentrierte Dokumente, aber schwächer als datenzentrierte Dokumente.
Es ist typisch für datenzentrierte XML-Dokumente, dass Elemente entweder Elementinhalte oder Textinhalte haben. Der sogenannte gemischte Inhalt (Mixed Content), bei dem Elemente sowohl Text als auch Childs (Kind-Elemente) enthalten, ist für die anderen XML-Dokumente typisch.
Verarbeitungskriterien der Extensible Markup Language
Grundsätzlich sind drei Aspekte beim Zugriff auf ein XML-Dokument von Bedeutung:
- Wie erfolgt der Zugriff auf die XML-Datei: sequenziell oder wahlfrei?
- Wie ist der Ablauf beim Zugriff auf die Daten gestaltet: „Push“ oder „Pull“? (Push bedeutet, dass die Ablaufkontrolle des Programms beim Parser liegt. Pull bedeutet, dass die Ablaufkontrolle im Code, der den Parser aufruft, implementiert ist.)
- Wie erfolgt das Baumstrukturmanagement der XML-Daten: hierarchisch oder verschachtelt?
Programmgesteuerter Zugriff auf XML-Dokumente
Das Einlesen von XML-Dokumenten erfolgt auf unterster Ebene über eine spezielle Programmkomponente, einem XML-Prozessor, auch XML-Parser genannt. Er stellt eine Programmierschnittstelle (API) zur Verfügung, über die die Anwendung auf das XML-Dokument zugreift. Ich habe zwar in einem vorherigen Beitrag über die REST API geschrieben, doch werde ich definitiv die Programmierschnittstelle explizit nochmals ein einem Beitrag thematisieren.
Die XML-Prozessoren unterstützen dabei drei grundlegende Verarbeitungsmodelle
- DOM: Ein DOM-API repräsentiert ein XML-Dokument als Baumstruktur und gewährt wahlfreien Zugriff auf die einzelnen Bestandteile der Baumstruktur. DOM erlaubt außer dem Lesen von den Dokumenten auch die Manipulation der Baumstruktur und das Zurückschreiben der Baumstruktur in ein XML-Dokument. Aus diesem Grund ist DOM sehr speicherintensiv.
- SAX: Ein SAX-API repräsentiert ein XML-Dokument als sequentiellen Datenstrom und ruft für im Standard definierte Ereignisse vorgegebene Rückruffunktionen (callback function) auf. Eine Anwendung, die SAX nutzt, kann eigene Unterprogramme als Rückruffunktionen registrieren und auf diese Weise die Daten auswerten.
- Pull-API: Eine XML-Pull-API verarbeitet Daten sequenziell und bietet sowohl ereignisbasierte Verarbeitung als auch einen Iterator an. Es ist hoch speichereffizient und ggf. leichter zu programmieren als das SAX-API, da die Ablaufkontrolle beim Programm und nicht beim Parser liegt.
Weitere Verarbeitungsmodelle sind das Data-Binding, welches die XML-Daten als Datenstruktur direkt für einen Programmzugriff bereitstellt. Die XML-Daten werden per Unmarshalling (Dies ist der Prozess der Umwandlung einer Art von Darstellung auf niedrigerer Ebene, oft ein „Drahtformat“, in eine Struktur auf höherer Ebene (Objekt).) direkt in z. B. Objekte gewandelt. Und die Nicht-extrahierende-XML-API, bei der die Daten auf Byte-Ebene sehr effizient verarbeitet sind.
Oftmals greift der Anwendungscode nicht direkt auf die Parser-API zu. Stattdessen wird es weiter gekapselt, so dass der Anwendungscode mit nativen Objekten / Datenstrukturen arbeitet, welche sich auf darauf abstützen. Beispiele für solche Zugriffsschichten sind JAXB in Java, der Data Binding Wizard in Delphi oder das XML Schema Definition Toolkit in .Net. Die Umwandlung von Objekten in die Extensible Markup Language ist üblicherweise bidirektional möglich. Diese Umwandlung bezeichnet man als Serialisierung oder Marshalling.
Transformation und Darstellung von XML-Dokumenten
Ein XML-Dokument kann mittels geeigneter Transformationssprachen wie XSLT oder DSSSL in ein anderes Dokument transformiert werden. Oftmals dient die Transformation zur Überführung eines Dokuments aus einer Extensible Markup Language in eine andere Extensible Markup Language, beispielsweise zur Transformation nach XHTML, um das Dokument in einem Webbrowser anzuzeigen.
Warum XML?
Unterstützung von und bei Transaktionen
Wenn ein Unternehmen eine Ware oder Dienstleistung an ein anderes Unternehmen verkauft, müssen die beiden Unternehmen Informationen wie Kosten, Spezifikationen und Lieferpläne austauschen. Man kann damit alle erforderlichen Informationen elektronisch teilen und komplexe Geschäfte automatisch abschließen, ohne dass ein menschliches Eingreifen erforderlich ist.
Aufrechterhaltung der Datenintegrität
Man kann damit Daten zusammen mit der Beschreibung der Daten übertragen und so den Verlust der Datenintegrität verhindern. Folglich kann man so die Datengenauigkeit überprüfen, automatische Anpassungen der Datenpräsentation für verschiedene Benutzer vornehmen und Daten konsistent über mehrere Plattformen hinweg speichern
Sucheffizienz verbessern
Computerprogramme wie Suchmaschinen können die Dateien damit effizienter und präziser sortieren und kategorisieren als andere Arten von Dokumenten. Beispielsweise kann das Wort mark (markieren) entweder ein Substantiv oder ein Verb sein. Basierend auf XML-Tags können Suchmaschinen mark für relevante Suchergebnisse genau kategorisieren. Somit hilft es, die natürliche Sprache für Maschinen effizienter interpretierbar zu machen.
Flexible Anwendungen entwerfen
Man kann damit auch das eigene Anwendungsdesign bequem aktualisieren oder ändern. Viele Technologien, insbesondere neuere Technologien, verfügen dafür über eine integrierte Schnittstelle bzw. Unterstützung. So kann man automatisch Datendateien lesen und verarbeiten, sodass die Änderungen stattfinden können, ohne gleich die gesamte Datenbank neu formatieren zu müssen.