Объектно-ориентированные модели данных. Объектно-ориентированная модель

06.04.2004 Сиха Багуи

Разработка систем объектно-ориентированных баз данных началась в середине 80-х годов в связи с необходимостью удовлетворения требований приложений, отличных от тех, которые обслуживались и обслуживаются системами реляционных баз данных. Рассмотрим достижения технологии объектно-ориентированных баз данных, а также проблемы, которые сообществу разработчиков еще предстоит решить для того, чтобы технология объектно-ориентированных баз данных смогла получить такое же широкое распространение, как и технология реляционных баз данных.

Разработка систем объектно-ориентированных баз данных (так называемые технологии баз данных пятого поколения) началась в середине 80-х годов в связи с необходимостью удовлетворения требований приложений, отличных от тех приложений обработки данных, которые характерны для систем реляционных баз данных (технология баз данных четвертого поколения). Попытки использования технологий реляционных баз данных в таких сложных приложениях, как автоматизированное проектирование (computer aided design, CAD); автоматизированное производство (computer aided manufacturing, CAM); технология программирования; системы, основанные на знаниях, и мультимедийные системы, обнажили ограничения систем реляционных баз данных (РБД) . В условиях, когда появилось новое поколение приложений баз данных, возникли потребности, которые лучшим образом удовлетворялись при применении объектно-ориентированных баз данных (ООБД).

Предлагалось много определений объектной ориентации и объектно-ориентированных баз данных , но мы будем определять объектно-ориентированные базы данных как базы, в которых объектная ориентация сочетается с возможностями баз данных. Объектная ориентация дает возможность более непосредственно представлять и моделировать проблемы реального мира, а функциональность баз данных требуется для обеспечения стабильности данных и многопользовательского параллельного доступа к информации приложений.

В настоящее время на рынке представлено свыше 25 систем ООБД. Среди них - система GemStone компании Servio, ONTOS компании Ontos, ObjectStore компании Object Design и многие другие . Кроме того, системы управления реляционными базами данных, разработанные компаниями Oracle, Microsoft, Borland, Informix, включали объектно-ориентированные средства. Многие из этих продуктов появились еще во второй половине 80-х годов, и сегодня, по прошествии почти полутора десятилетий разработки они все еще не вступили в пору зрелости; в этом - одна из причин того, что по сей день мировой рынок реальных приложений не торопится принимать системы ООБД. Среди современных ООБД почти нет полностью оперившихся систем, сопоставимых с современными системами реляционных баз данных. Обсудим основные достижения и проблемы, связанные с нынешним состоянием ООБД.

Модель ООБД

Причиной появления систем объектно-ориентированных баз данных была потребность в более адекватном представлении и моделировании сущностей реального мира, поскольку ООБД обеспечивают гораздо более развитую модель данных, нежели традиционные - реляционные базы данных. Парадигма ООБД основывается на ряде базовых понятий, таких как объект, идентифицируемость, класс, наследование, перегрузка и отложенное связывание .

В объектно-ориентированной модели данных любая сущность реального мира представляется всего одним понятием - объектом . С объектом ассоциируется состояние и поведение. Состояние объекта определяется значениями его свойств - атрибутов . Значениями свойства могут являться примитивные значения (такие, как строки или целые числа) и непримитивные объекты. Непримитивный объект, в свою очередь, состоит из набора свойств. Следовательно, объекты можно рекурсивно определять в терминах других объектов. Поведение объекта определяется с помощью методов, которые оперируют над состоянием объекта.

У каждого объекта имеется определяемый системой уникальный идентификатор . Объекты, обладающие одними и теми же свойствами и поведением, группируются в классы . Объект может быть экземпляром только одного класса или нескольких классов .

Классы организуются в иерархии классов. Подкласс наследует свойства и методы суперкласса; кроме того, подклассы могут обладать индивидуальными свойствами и методами. В некоторых системах, например, ORION , у класса можется более одного суперкласса (множественное наследование) , тогда как в других системах число суперклассов ограничено одним (одиночное наследование) .

В большинстве моделей допускается перегрузка унаследованных свойств и методов. Перегрузка состоит в замене домена свойств новым доменом или в замене одной реализации метода другой его реализацией .

Достоинства модели ООБД

Объектно-ориентированные базы данных позволяют представлять сложные объекты более непосредственным образом, нежели реляционные системы. Остановимся на некоторых имеющихся достижениях в области ООБД. Системы ООБД позволяют пользователям определять абстракции; облегчают проектирование некоторых связей; устраняют потребность в определяемых пользователями ключах; поддерживают новый набор предикатов сравнения; в некоторых случаях устраняют потребность в соединениях; в некоторых ситуациях обеспечивают более высокую производительность, нежели системы, основанные на реляционной модели; обеспечивают поддержку версий и длительных транзакций. Наконец, разработана объектная алгебра - хотя, возможно, пока и не столь детально, как реляционная алгебра.

Определение пользовательских абстракций

Объектно-ориентированные базы данных предоставляют возможность определять новые абстракции и управлять реализацией таких абстракций. Эти новые абстракции могут соответствовать структурам данных, требуемым в сложных задачах, новым абстрактным типам данных. Иначе говоря, современные пакеты ООБД дают пользователю возможность создания нового класса с атрибутами и методами, иметь классы, наследующие атрибуты и методы от суперклассов, создавать экземпляры класса, каждый из которых обладает уникальным объектным идентификатором, извлекать эти экземпляры по одному или группами, а также загружать и выполнять методы . Кроме того, ООБД позволяют определять объекты как совокупности других объектов, причем для совокупностей допускается несколько уровней вложенности. Свойства тоже могут иметь сложную структуру и определяться с помощью конструктора коллекций. Более того, они могут иметь в качестве значений не примитивные объекты, что дает возможность формировать глубоко вложенные объектные структуры.

Многозначные свойства используются в объектно-ориентированных моделях данных для выражения сложных структур данных. В реляционной модели это достигается с помощью дополнительных отношений и соединений.

Примером пакета ООБД, обладающего всеми упомянутыми возможностями, может служить ENCORE . Модель данных в ENCORE базируется главным образом на абстракции данных. ENCORE допускает подтипизацию (наследование), инкапсуляцию, сложные структуры, идентификацию объектов и отложенное связывание методов. Кроме того, ENCORE обеспечивает возможность связывания объектов с помощью свойств. В системе ENCORE свойство p связывает объект x с набором объектов S без какого-либо указания того, каким образом вычисляется эта связь. Ее можно вычислить путем прямого указания идентификатора набора S (или идентификаторов его членов) или с помощью установления соответствий значений других свойств, как в соединении.

Облегченное проектирование некоторых связей

В объектно-ориентированных базах данных поддерживается средство инверсных связей для выражения взаимных ссылок между двумя объектами (бинарная связь). Такая система обеспечивает ссылочную целостность путем установления соответствующей обратной ссылки сразу же после создания прямой ссылки. Существует даже возможность автоматического распространения удалений через эти ссылки . Примером пакета ООБД, обеспечивающего автоматическое поддержание инверсных связей, является ObjectStore .

Отсутствие потребности в определяемых пользователями ключах

В модели ООБД имеется понятие идентификаторов объектов, автоматически генерируемых системой и гарантированно уникальных для каждого объекта. Это обстоятельство в сочетании с тем, что в модели ООБД устраняется потребность в определяемых пользователями ключах, дает объектно-ориентированным базам данных и другие преимущества. Во-первых, идентификатор объекта не может быть модифицирован приложением. Во-вторых, понятие идентифицируемости объекта влечет отдельное и согласованное понятие идентичности, не зависимое от того, каким образом производится доступ к объекту или как объект моделируется с помощью описательных данных . Следовательно, два объекта не являются идентичными, если они имеют различные идентификаторы объектов; при этом объекты могут иметь одинаковые структуры, а все их свойства - одни и те же значения. В модели РБД, где идентификация объектов осуществляется через определяемые пользователями ключи, такие объекты считались бы одним и тем же объектом .

Наличие предикатов сравнения

В РБД сравнение всегда базируется лишь на значениях. В этой модели два кортежа являются одной сущностью, если все их ключевые атрибуты имеют одинаковые значения. Однако в модели ООБД были разработаны и определены иные типы сравнения .

Равенство объектов на основе их идентичности. Два объекта, S1 и S2 равны, если они являются одним и тем же объектом (т.е. имеют один и тот же идентификатор объекта).
Равенство объектов на основе значений. Это можно определить в два захода - (a) два примитивных объекта равны, если имеют одно и то же значение; (b) два не примитивных объекта равны, если они имеют одинаковое число свойств, и для каждого свойства pi объекта S1 существует свойство pj объекта S2, равное ему по значению.
Равенство свойств на основе значений.
Равенство свойств на основе их идентичности.

Меньшая потребность в соединениях

Возможность навигации по структурам объектов и проистекающие из этого путевые выражения в терминах атрибутов объектов дают нам возможность по-новому взглянуть на проблему соединений в ООБД. Реляционное соединение - это механизм, сопоставляющий два отношения на основе значений соответствующих пар атрибутов в этих отношениях. Поскольку в ООБД два класса могут иметь соответствующие пары атрибутов, в этой модели все еще может сохраняться необходимость в реляционном соединении (или явном соединении). Например, допустим, у нас имеются классы Student и School, причем в каждом из этих классов имеются атрибуты Name и Age. Хотя домены атрибутов Name и Age класса School могут не совпадать с доменами атрибутов Name и Age класса Student, мы можем захотеть связать эти классы на основе значений этих атрибутов (скажем, найти всех учащихся, чей возраст меньше возраста школы, которую посещает данный учащийся ).

Но, как уже отмечалось, поддержка путевых выражений может существенно сократить потребность в соединении классов по сравнению с ситуацией в РБД . Имеются даже ситуации, в которых потребность в реляционном объединении может быть полностью устранена. Например, когда доменом атрибута класса A является класс B, выборка идентификаторов объектов некоторого класса, которые хранятся как значения атрибута другого класса, устраняет потребность в неявном соединении объектов.

Таким образом, в объектно-ориентированных базах данных неявные соединения, порождаемые иерархической вложенностью объектов, отличаются от явных объединений. Последние напоминают реляционные соединения: два объекта сравниваются явным образом по значениям атрибутов или объектных идентификаторов. Более того, все явные соединения (основанные на сравнении значений или идентификаторов) не могут быть выражены на реляционном языке запросов, поскольку в РБД любой предикат может содержать только атомарные атрибуты .

Выигрыш в производительности

Современные ООБД не являются полностью оперившимися системами баз данных по сравнению с современными РБД, ООБД обладают несколькими особенностями, обеспечивающими их выигрыш в производительности.

В ООБД значение атрибута объекта X, доменом которого является другой объект Y, - это идентификатор объекта Y. Следовательно, если приложение уже извлекло объект X и теперь хотело бы извлечь объект Y, то СУБД может извлечь объект Y, отыскав его идентификатор. Если этот идентификатор представляет собой физический адрес объекта, то данный объект может быть извлечен непосредственно; если же идентификатор является логическим адресом, то объект путем нахождения соответствующего элемента хэш-таблицы (в предположении, что в системе поддерживается хэш-таблица, отображающая идентификатор объекта в физический адрес). В РБД это могло бы не получиться так просто, поскольку в РБД не поддерживаются идентификаторы объектов.
Вторая особенность ООБД, обеспечивающая выигрыш в производительности, состоит в том, что в большинстве ООБД при загрузке объекта в память хранимые в этом объекте идентификаторы объектов преобразуются в указатели по памяти. Поскольку в РБД не хранятся идентификаторы объектов, в них невозможно сохранять указатели по памяти на другие кортежи. Отсутствие возможности навигации по объектам, содержащимся в памяти, является принципиальным свойством РБД, и вытекающее из этого снижение производительности не может быть компенсировано простым увеличением объема буферной памяти. Так что при выполнении приложений, которые предполагают многократную навигацию по загруженным в память связанным объектам, ООБД могут существенно превзойти РБД по производительности .
Кроме того, даже если ООБД не проиндексированы, может оказаться удобным выполнять произвольные запросы, соответствующие структуре объектов, путем последовательного сканирования, т.е. использовать ссылочные пути между объектами. Когда запрос формулируется в направлении, не поддерживаемом ссылками, этот запрос будет обрабатываться путем последовательного сканирования . Однако запросы, формулируемые на основании таких связей объектов, которые не моделируются напрямую с помощью ссылок, выполняются неэффективно.

Поддержка версий и длительных транзакций

В РБД не поддерживаются ни работа с версиями, ни длительные транзакции. Такая поддержка имеется в некоторых ООБД, хотя и с ограниченными возможностями .

Объектная алгебра

Объектная алгебра не столь подробно разработана и не является столь же зрелой, как реляционная алгебра. Но как бы то ни было, такая алгебра существует, и в ней определяются пять фундаментальных операций, сохраняющих объекты: union, difference, select, generate и map . На основе этих фундаментальных операций могут быть определены другие операции, например, intersection. Правила преобразований для логической оптимизации выражений объектной алгебры с сохранением эквивалентности выводятся в и . В то время как операции union, difference и map производят, главным образом, отображение «один к одному», операции select и generate производят отображение «один ко многим». Сохранение объектов означает, что алгебраические операции возвращают объекты, принадлежащие к ранее определенным классам базы данных, и не создают новых объектов. Оператор union возвращает объекты, содержащиеся во множестве P или во множестве Q, или в обоих множествах. Оператор difference возвращает набор объектов, принадлежащих множеству P, но не множеству Q. select возвращает подмножество введенного множества. generate генерирует объекты из тех, что принадлежат входному множеству. map возвращает множество объектов, образующихся в результате каждого применения последовательности методов .

Недостатки модели ООБД

Ожидалось, что объектно-ориентированные методы позволят технологии баз данных сделать своего рода квантовый переход. Однако, несмотря на указанные выше достижения, ООБД так и не смогли оказать значительного влияния на положение дел в этой области. И в модели, и технологии ООБД до сих пор сохраняются слабые места.

В объектно-ориентированных базах данных отсутствуют базовые средства, к которым пользователи систем баз данных привыкли и поэтому ожидают видеть. Среди прочего, можно отметить: отсутствие интероперабельности между РБД и ООБД; минимальную оптимизацию запросов; отсутствие стандартной алгебры запросов; отсутствие средств обеспечения запросов; отсутствие поддержки представлений; проблемы с безопасностью; отсутствие поддержки динамических изменений определений классов; ограниченная поддержка ограничений целостности; ограниченные возможности настройки производительности; недостаточная поддержка сложных объектов; ограниченная интеграция с существующими объектно-ориентированными системами программирования; ограниченный выигрыш в производительности.

Отсутствие интероперабельности между РБД и ООБД

Чтобы ООБД смогли оказать значительное влияние на рынок баз данных, необходимо выполнить ряд условий.

Превратить ООБД в полностью оперившиеся системы баз данных, обладающих достаточной совместимостью с РБД. Требуется некий путь миграции, чтобы обеспечить сосуществование существующих ныне и новых продуктов, а также плавный переход от первых ко вторым.
Предложить средства разработки приложений и средства доступа к объектно-ориентированным базам данных.
Унифицировать архитектуры РБД и ООБД.
Унифицировать модели данных РБД и ООБД.

Недостаточность средств для оптимизации запросов

Одной из самых значительных проблем в ООБД является оптимизация декларативных запросов. Оптимизацию запросов к ООБД затрудняет дополнительная сложность самой объектно-ориентированой модели данных . Эта дополнительная сложность обусловлена рядом факторов.

Возможность определения пользователями новых типов и классов с помощью наследования и облегчает, и осложняет оптимизацию запросов. Примером, в котором эта возможность помогает оптимизации, может служить запрос, включающий пересечение множеств Employees («сотрудники») и Supervisors («инспекторы»). Если Employee является суперклассом класса Supervisor, то оптимизатор может исходить из того, что Supervisors является собственным подмножеством Employees и упростить процедуру пересечения множеств. Пример, в котором дополнительные типы данных ограничивают возможности оптимизации, может служить объединение множеств Students и Employees; суперклассом для обоих классов является класс Person. Если бы мы захотели найти всех инспекторов студентов и служащих, мы бы сначала произвели объединение, а применили бы supervisor() .
Запросы могут базироваться на операциях над коллекциями, но виды оптимизации, затрагивающие множества (или мультимножества, или списки и т.п.), нужно сочетать с оптимизацией над типами объектов, содержащихся в этих множествах. Объектно-ориентированный оптимизатор запросов должен быть в состоянии применять процедуры оптимизации, характерные для данных типов, а также процедуры оптимизации, учитывающие связи между объектами разных типов .
Сложность обработки запросов в ООБД усугубляется наличием сложных объектов, методов и инкапсуляции. Сложные объекты порождают путевые выражения, которые усложняют обработку запросов. Создание индексов для путевых выражений, особенно при наличии в выражениях произвольных методов, усложняет обработку запросов. Проблема еще более осложняется, если методы обладают побочными эффектами. Еще одна проблема, связанная с путевыми выражениями, состоит в том, что они навязывают порядок вызовов методов путевого выражения, и этот порядок может быть весьма неэффективным. Например, путевое выражение Orders.part.name лучше вычислять справа налево, если имеется много заказов (Orders) и мало деталей (Parts), но если деталей много, а заказов мало - выражение лучше вычислять слева направо. Кроме того, иногда путевые выражения более эффективно обрабатываются с использованием Join. Рассмотрим, например, запрос с путевым выражением s.comp.name, где s принадлежит множеству Students (студенты). Могло бы оказаться более эффективно (если число компаний, comp, невелико) сначала вычислить название (Name) для каждой компании (Company) и сохранить результат в кортеже. Тогда вычисление выражения от студента до названия компании включало бы соединение множества Students с множеством кортежей путем сопоставления свойства comp класса student со значением атрибута Company некоторого кортежа.
В языках запросов к ООБД поддерживается использование вложенных структур, которые опять-таки могут существенно усложнить процесс оптимизации, поскольку превращают его из локальной проблемы в проблему глобальную, поскольку требуется глобальное знание всего выражения запроса.
Когда объекты обладают идентифицируемостью, возникает вопрос, а что же понимается под равенством двух объектов . Этот вопрос переносится в язык, где операции сравнения по равенству используются в предикатах, и где необходимо принимать решение о создании новых объектов при выполнении запроса. Оптимизатор объектно-ориентированных моделей должен быть в состоянии решать проблемы, связанные с созданием новых объектов и с альтернативными определениями равенства.

Перечисленные проблемы указывают на то, что оптимизация объектно-ориентированных запросов является чрезвычайно сложной задачей, и эта область все еще находится в стадии исследований. В сегодняшних системах объектно-ориентированных баз данных предлагаются довольно простые стратегии оптимизации. Более пристального внимания требует также проблема оптимизации соединений.

Отсутствие стандартной алгебры запросов

Еще один серьезный недостаток ООБД состоит в отсутствии стандартов алгебры запросов. Это обстоятельство тоже затрудняет оптимизацию запросов. Для ООБД было предложено несколько разных формальных языков запросов, основанных на алгебрах и исчислениях . Эти алгебры и исчисления отличаются в нескольких отношениях, и по выразительности, и по поддержке оптимизирующих правил перезаписи. Почти все эти алгебры базируются на переменных, т.е. используют переменные для хранения промежуточных результатов. KOLA, один из пакетов ООБД, является чисто функциональным продуктом; переменные в нем не используются. В автор утверждает, что именно благодаря отсутствию переменных алгебра KOLA позволяет строить более мощные системы правил.

В РБД существует близкое соответствие между алгебраическими операциями и низкоуровневыми примитивами физической системы . Это строгое соответствие достигается за счет отображений между отношениями и файлами, а также между кортежами и записями. Однако в ООБД нет аналогичного интуитивного соответствия между операциями объектной алгебры и примитивами физических систем. При всяком обсуждении генерации плана выполнения тоже необходимо, прежде всего, определить низкоуровневые примитивы манипулирования объектами .

Отсутствие средств обеспечения запросов

В большинстве ООБД не хватает средств обеспечения запросов . В тех же немногих системах, где имеются достаточные соответствующие средства, язык запросов не совместим с ANSI SQL. Среди этих средств обеспечения запросов нет вложенных подзапросов, запросов с множествами (union, intersection, difference), агрегатных функций и GROUP BY, соединения нескольких классов - возможностей, полностью поддерживаемых в РБД .

Кроме того, отсутствует стандарт для объектных запросов, хотя надо сказать, что предпринимались попытки разработать объектный язык SQL . SQL3, вероятно, задерживается на несколько лет .

Отсутствие поддержки представлений

В ООБД не поддерживаются представления. Хотя по этому поводу было выдвинуто несколько предложений , не удалось придти к единому мнению относительно того, как механизм представлений должен функционировать в ООБД. Разработка объектно-ориентированного механизма представлений осложняется такими свойствами модели, как идентифицируемость объектов. Что такое идентификатор объекта в представлении? С другой стороны, высказывается точка зрения, согласно которой возможность инкапсуляции данных и наследования позволяет обойтись без явных определений представлений .

Проблемы с безопасностью

В РБД поддерживается авторизация, тогда как в большинстве ООБД она отсутствует . РБД предоставляют пользователям передавать и изымать права на чтение или изменение определений и кортежей в отношениях и представлениях. ООБД смогут получить более широкое распространение в области бизнеса лишь в том случае, если эта функция в них будет усовершенствована.

В некоторых системах ООБД пользователи должны явным образом устанавливать и снимать блокировки. Системы РБД автоматически устанавливают и снимают блокировки при обработке пользовательских запросов и операторов обновления.

Отсутствие поддержки динамических изменений определений классов

В дополнение к тому, что для ООБД до сих пор не разработана единая стандартная модель данных, в большинстве ООБД не допускаются динамические изменения схемы баз данных, таких как добавление к классу нового атрибута или метода, добавление к классу нового суперкласса, удаление суперкласса класса, добавление нового класса и удаление класса. РБД позволяют пользователю динамически изменять схему базы данных с помощью команды ALTER; к отношению может быть добавлен новый столбец, отношение может быть удалено, а в некоторых случаях имеется возможность удаления столбца из отношения .

В большинстве ООБД отсутствует и автоматическое управление расширениями классов. Если требуется расширение класса, пользователь должен определить для него коллекцию и следить за тем, чтобы в ней своевременно фиксировались все вставки и удаления .

Ограниченная поддержка ограничений целостности

Отсутствуют механизмы объявления ключевых свойств атрибутов (например, атрибут класса не может быть объявлен первичным ключом класса), или ограничений уникальности, явных ограничений целостности, а также пред- и постусловий методов . Хотя все это можно сделать с использованием методов, явные ограничения были бы удобнее для пользователей, порождали бы меньше ошибок и были бы более доступными для проверки и модификации.

Ограниченные возможности настройки производительности

В большинстве ООБД имеются лишь ограниченные средства параметризованной настройки производительности. В РБД инсталляторам предоставляется возможность настраивать производительность системы путем задания большого числа параметров, устанавливаемых системным администратором. Эти параметры включают число буферов памяти, объем свободного пространства, резервируемого в странице данных для будущей вставки данных и т.д. .

Недостаточная поддержка сложных объектов

Полная функциональность сложных объектов все еще не поддерживается. Можно осуществлять навигацию по ссылкам и кодировать операции с применением этих ссылок, но отсутствуют предопределенные родовые операции, в которых используются различные виды семантики ссылок. Считается, что все ссылки указывают на независимые объекты, а семантика особых связей внутри сложных объектов скрыта в операциях, предоставляемых пользователями .

Ограниченная интеграция с объектно-ориентированными системами программирования

Трудно переписывать объектно-ориентированные программы для управления стабильными данными. Здесь возникает ряд проблем: конфликты по именам; необходимость переделывать иерархии классов; склонность ООБД к перегрузке системных операций .

Ограниченный выигрыш в производительности

Если бы всем приложениям баз данных требовались только поиск объектов базы данных через идентификаторы объектов и быстрая работа с объектами в основной памяти с использованием указателей, то ООБД действительно превосходили бы РБД по производительности на два-три порядка . Однако для большинства приложений, которым требуется доступ к объектам через идентификаторы, нужны также и возможности доступа к базе данных и ее обновления, обеспечиваемые в РБД. В число этих возможностей входят массовая загрузка базы данных; создание, обновление и удаление индивидуальных объектов (по одному); извлечение из класса одного или более объектов, удовлетворяющих определенным условиям поиска; соединение нескольких классов; фиксация транзакций и т.д. При выполнении таких приложений ООБД не имеют никаких преимуществ в производительности по сравнению с РБД.

В числе средств, пока что не поддерживаемых в ООБД, также можно назвать триггеры, средства управления метаданными , а также ограничения целостности, такие как UNIQUE и NULL .

***

Из-за указанных слабостей ООБД не смогли оправдать возлагавшихся на них ожиданий: обеспечить все важные средства, желательные для целевых приложений. Применительно к большинству современных систем термин «ООБД» используется неправильно. Почти все современные ООБД - не столько системы баз данных, сколько системы стабильного хранения данных для некоторого объектно-ориентированного языка программирования . Так что, хотя объектно-ориентированная модель данных во многих отношениях богаче реляционной модели, объектно-ориентированная модель еще не вполне вступила в период зрелости. На сегодняшний день недостатков в системах ООБД явно больше, чем достоинств.

Литература

S. Abiteboul, A. Bonner, «Objects and views». ACM SIGMOD Int. Conf. On Management of Data, 1991.
M. Atkinson, et al., «Object-Oriented Database System Manifesto». Building an Object-Oriented Database System: The Story of O2. Morgan Kaufman, 1992.
F. Bancilhon, «Object oriented database systems». 7th ACM SIGART/SIGMOD Conf., 1988.
J. Banerjee, et al., «Data model issues for object oriented applications». ACM Trans. On Office Information Systems, Jan 1987.
J. Banerjee, W. Kim, K.C. Kim, «Queries in object oriented databases». IEEE Data Engineering Conf., Feb. 1988.
D. Beech, «Foundation for evolution and relational to object databases». Proc. Extended Data Base Technology, Mar. 1988.
E. Bertino, M. Negri, G. Pelagatti, L. Sbattella, «Object-Oriented Query Languages: Notion and Issues». IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, Mar. 1992.
A.W. Brown, Object-Oriented Databases, Applications in Software Engineering. New York: McGraw-Hill, 1991.
R.G.G. Cattell, Object Data Management, Object-Oriented and Extended Relational Database Systems. Addison-Wesley, 1991.
M. Cherniack, «Form(ers) over Function(s): KOLA Query Algebra». Technical Report, Brown University, Dec. 1995.
S. Cluet, et al., «Reloop, Algebra based query language for an object-oriented database system». 1st Int. Conf. On Deductive and Object Oriented Databases, Dec. 1989.
I.F. Cruz, DOODLE: Visual language for object-oriented databases. ACM SIGMOD Int. Conf. On Management of Data, 1992.
U. Dayal, «Queries and views in object-oriented data model». 2nd Int. Work. On Database Programming Languages, June 1989.
K.A. Dittrich, K.R. Dittrich, «Where Object-Oriented DBMSs Should Do Better: A Critique Based on Early Experiences». Modern Database Systems: Object Model, Interoperability and Beyond, ACM Press, Addison Wesley, 1995.
U. Erlingsson, «Object-Qriented Query Optimization», unpublished manuscript.
L. Fegaras, D. Maier, «Towards an Effective Calculus for Object Query Languages». ACM SIGMOD Int. Conf. on Management of Data, San Jose, California, May 1995.
L. Fegaras, D. Maier, T. Sheard, «Specifying Rule-based Query Optimizers in a Reflective Framework». 3rd Int. Conf. on Deductive and Object-Oriented Databases, Phoenix, Arizona, Dec. 1993.
S. Heiler, S. Zdonik, «Object Views: Extending the vision». 6th Int. Conf. On Data Engineering, 1990.
J.G. Hughes, Object-Oriented Databases. New York: Prentice-Hall, 1991.
S. Khoshafian, «Insight Into Object-Oriented Databases». Information and Software Technology, Apr. 1990.
S. Khoshafian, Object-Oriented Databases, New York: John Wiley & Sons, 1993.
S. Khoshafian, G. Copeland, «Object identity». 1st Int. Conf. On Object-Oriented Programming Systems, Languages, and Applications, Oct. 1986.
W. Kim, «Foundation for object-oriented databases». MCC Tech. Rep., N. ACA-ST-248-88, Aug. 1988.
W. Kim, Introduction to Object-Oriented Databases. MIT Press, 1991.
W. Kim, «Object-Oriented Database Systems: Promises, Reality, and Future». Modern Database Systems: Object Model, Interoperability and Beyond, ACM Press, Addison Wesley, 1995.
T.W. Leung, et al, «Aqua Data Model and Algebra». Technical Report CS-93-09, Brown University, Mar. 1993.
G. Mitchell, S.B. Zdonik, U. Dayal, «Object-Oriented Query Optimization - What?s the Problem?» Technical Report CS-91-41, Brown University, June 1991.
E.A. Rudensteiner, «Multiview: Methodology for supporting multiple views in object-oriented databases». 18th Int. Conf. On Very Large Databases, 1992.
M. Scholl, H. Schek, «Relational object model». 3rd Int. Conf. On Database Theory, LNCS, vol. 470, Springer Verlag, 1990.
P.G. Selinger, et al, «Access path selection in a relational database management system». ACM SIGMOD Int. Conf. On Management of Data, 1979.
M. Stefik, D.G. Bobrow, «Object-oriented programming: Themes and variations». The AI Mag., Jan. 1986.
M. Stonebraker, et al, «Third-Generation Data Base System Manifesto». Committee for Advanced DBMS Function, University of California, Berkeley, 1990.
D.D. Straube, M.T. Ozsu, «Queries and query processing in object-oriented database systems». ACM Transactions on Information Systems, Oct. 1990.
D.D. Straube, M.T. Ozsu, «Execution Plan Generation for Object-Oriented Data Model». 2nd Int. Conf. on Deductive and Object-Oriented Databases, Munich, Germany, Dec. 1991.
S.Y.W. Su, M. Guo, H. Lam, «Association Algebra: Mathematical Foundation for Object-Oriented Databases». IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, Oct. 1993.
S.B. Zdonik, D. Maier, eds., Readings in Object-Oriented Database Systems, Morgan Kauffman, 1989.
S.B. Zdonik, P. Wegner, «Language and Methodology for Object-Oriented Database Environments». Hawaii Int. Conf. on System Sciences, Jan. 1986.

Сиха Багуи ([email protected]) - лектор факультета компьютерных наук университета Западной Флориды. Соавтор трех книг, посвященных базам данных: Learning SQL: A Step-by-Step Guide Using Oracle, Learning SQL: A Step-by-Step Guide Using Access (Addison Wesley) и Database Design Using Entity Relationship Diagrams (CRC Press).

Translated from «Achievements and Weaknesses of Object-Oriented Databases» by Sikha Bagui in Journal of Object Technology (JOT), vol. 2, no. 4, July-August 2003, pages 29-41. Translated into Russian for Otkrytye Systemy under special permission of the original publisher. Copyright JOT, 2003. Original article at http://www.jot.fm/issues/issue_2003_07/column2 .

От редактора перевода

ООБД - зрелость или упадок?

Сергей Кузнецов

В области объектно-ориентированных баз данных на протяжении последних нескольких лет наблюдается поразительное затишье, которое одни склонны воспринимать как упадок технологии, а другие - как переход технологии в зрелое и устойчивое состояние. По моим наблюдениям, подобное затишье временами ведет к возникновению заблуждений и даже мифов у людей, близких к ИТ, но не являющихся специалистами в области баз данных. Одно из таких заблуждений состоит в том, что человек принимает сложившийся у него в голове набор терминов (объект, атрибут, метод, класс, наследование и т.д.) за общепризнанную объектно-ориентированную модель данных.

Этим объясняется наше решение опубликовать перевод довольно рядовой статьи Сиха Багуи. Такая публикация оправданна хотя бы тем, что она прерывает это затишье и показывает, прежде всего, что область ООБД не только не вступила в пору зрелости, но продолжает оставаться конгломератом разнородных и путаных идей, которые объединяются скорее на уровне лозунгов, а не технологии.

Статья основывается на анализе 36 публикаций, посвященных объектно-ориентированным базам данных и изданных в период 1986-1995 годов. Поэтому часто используемая характеристика «современные» ООБД не совсем справедлива. Цитаты, иногда подаваемые в настоящем времени, порой выглядят довольно подозрительно.

Конечно же, в многочисленных источниках использовалась разная терминология, и в этом отношении их обзор обладает исключительной пестротой. Кроме того, многие из статей достаточно сложны с технической точки зрения, и их цитирование без обеспечения контекста только затрудняет понимание. Наиболее яркий пример - подраздел про разработку объектной алгебры. Первые три «фундаментальные» операции - union, difference, select - интуитивно понятны (хотя в действительности у авторов оригинальной статьи допускается не очень очевидный вариант выборки в форме полусоединения), но две последние - generate и map - являются сложно определяемыми и неочевидными операциями.

Хочу отметить еще одну странную особенность статьи Багуи. До 2001 года существовал международный консорциум Object Data Management Group, который опубликовал три версии предложений по стандартизации объектно-ориентированной модели данных; последняя версия - ODMG 3.0 была опубликована в 2000 году . Это единственный документ, в котором предлагается сравнительно согласованная терминология и, в некоторой степени, объектно-ориентированная модель данных. Жаль, что Багуи не пользуется этим материалом.

Заметим, что в журнале «СУБД» публиковались статья, посвященная первому варианту стандарта, ODMG-93 . Краткий обзор стандарта ODMG 3.0 можно найти в . Также можно рекомендовать перевод Манифеста систем объектно-ориентированных баз данных и очень симпатичный обзор технологии ООБД .

Литература

The Object Data Standard: ODMG 3.0. R.G.G. Cattel, D.K. Barry, eds., Morgan Kauffmann, 2000.
Л.А. Калиниченко, . // СУБД, № 1, 1996.
С.Д. Кузнецов. «Три манифеста баз данных: ретроспектива и перспективы». Доклад на конференции «Базы данных и информационные технологии XXI века», Москва, сентябрь 2003, http://www.citforum.ru/database/articles/manifests .
М. Аткинсон и др., // СУБД, № 4, 1995.
Арк Андреев, Дмитрий Березкин, Роман Самарев, . // Открытые системы, № 3, 2001.

Объектно-ориентированная модель данных

Объектно-ориентированная модель данных является расширением положений объектно-ориентированного программирования (в то время как реляционная модель возникла на основе теории множеств, именно как модель данных). Группой управления Объектно-ориентированных БД разработан стандарт ODMG-93 (Object DataBase Management Group). Этот стандарт полностью еще не реализован.

Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Видимая структура объекта определяется свойствами его класса. Класс включает в себя объекты, при этом структура и поведение объектов одного класса одинаковы. Каждый объект, а именно экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Свойства объектов - или стандартный тип, например, string, или конструируемый пользователем тип class. Поведение объектов задается с помощью методов. Метод – это некая операция, которую можно применить к объекту.

В качестве примера рассмотрим БД «БИБЛИОТЕКА» (рис.4.4). Для каждого объекта определены свойства, их типы и значения. В БД:

«БИБЛИОТЕКА» – родитель (предок) для «АБОНЕМЕНТ», «КАТАЛОГ», «ВЫДАЧА»;

«КАТАЛОГ» – родитель для «КНИГА».

«КНИГА» – различные объекты могут иметь одного или разных родителей. Если один и тот же родитель (один автор), то инвентарные номера разные, но isbn, УДК, название и автор – одинаковы.

Логическая структура объектно-ориентированной БД похожа на иерархическую, основное отличие – в методах манипулирования данными. Над БД можно производить такие действия как логические операции, усиленные объектно-ориентированными методами инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором определено. Так, если в «КАТАЛОГ» добавлено свойство телефон автора книги, то получаются аналогично в «АБОНЕМЕНТ» и «КАТАЛОГ». Смысл свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано.

Наследование ,наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа «КНИГА», являющимся потомками «КАТАЛОГ», можно приписать свойства родителя isbn, УДК, название и автор.

Полиформизм означает способность одного и того же программного кода работать с разнотипными данными. Иными словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы – процедуры и функции – с одинаковыми именами. Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Для БД «БИБЛИОТЕКА» это означает, что объекты класса «КНИГА», имеющие разных родителей из класса «КАТАЛОГ» может иметь разный набор свойств, т.е. программы работы с объектом класса «КНИГА» может содержать полиморфный код. В классе у метода нет тела, т. е. не определено, какие конкретно действия он должен выполнить. Каждый подкласс выполняет нужные операции. Инкапсуляция скрывает детали реализации от всех объектов вне данной иерархии.

Достоинствамиобъектно-ориентированноймодели в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов, отсутствие ограниченности в структурах хранения данных. В объектно-ориентированной БД может храниться не только структура, но и поведенческие аспекты данных. С использованием объектно-ориентированного подхода могут создаваться и БД с большими объемами семантической информации, такие как мультимедийные и специализированные для конкретных предметных областей (географические, проектные и др.).

К недостаткам данного подходаможно отнести высокую понятийную сложность, неудобство обработки данных и низкую скорость выполнения запросов.

В 90-е годы были созданы прототипы действующих объектно-ориентированных БД. Это POET (POET SoftWare), JASMINE (COMPUTER ASSOCIATES), IRIS, ORION, POSTGRES.

Тема 5

Реляционный подход при построении информационно-логической модели: основные понятия

Реляционная модель данных. Основные понятия

Как было отмечено в разделе предыдущей лекции, реляционная модель в настоящее время является одной из наиболее распространенных моделей на рынке БД. Основу этой модели составляет набор взаимосвязанных таблиц (отношений).

Основные теоретические идеи реляционной модели были изложены в работах по теории отношений американского логика Чарльза Содерса Пирса (1839-1914) и немецкого логика Эрнста Шредера (1841-1902), а также американского математика Эдгара Кодда.

В работах Пирса и Шредера было доказано, что множество отношений замкнуто относительно некоторых специальных операций, совместно образующих абстрактную алгебру. Это важнейшее свойство отношений было использовано в реляционной модели для разработки языка манипулирования данными.

В 1970 г. появилась статья Э.Кодда о представлении данных, организованных в виде двумерных таблиц, называемых отношениями. Коддом впервые были введены основные понятия и ограничения реляционной модели как основы хранения данных, и показана возможность обработки данных с помощью традиционных операций над множествами и специальных введенных реляционных операций.

Основные понятия реляционной модели даны в табл. 3.1.

Объектами реляционной модели в основном являются таблицы (отношения). Целостность данных обеспечивается внешними и первичными ключами (см. п. «Реляционная целостность данных»).

Операторы в реляционной модели – это набор инструкций, которые обеспечивают выборку и манипуляцию над данными.

Таблица 5.1. Элементы реляционной модели

Термин реляционной модели	Описание

База данных (БД)	Набор таблиц и других объектов, необходимых для абстрактного представления выбранной предметной области
Схема БД	Набор заголовков таблиц, взаимосвязанных друг с другом
Отношение	Таблица – совокупность объектов реального мира, которые характеризуются общими свойствами и характеристиками (поля таблицы)
Заголовок отношения	Заголовок таблицы – названия полей (столбцов) таблицы
Тело отношения	Тело таблицы – совокупность значений для всех объектов реального мира, которая представима в виде записей таблицы (строки таблицы)
Схема отношения	Строка заголовков столбцов таблицы («шапка» таблицы)
Атрибут отношения	Наименование столбца таблицы (поле таблицы)
Кортеж отношения	Строка таблицы (запись) – однозначное представление объекта реального мира, созданное с использованием значений полей таблицы
Домен	Множество допустимых значений атрибута
Значение атрибута	Значение поля в записи (кортеже)
Первичный ключ	Один или несколько (в случае составного ключа) атрибутов, которые единственным образом определяют значение кортежа (значение строки таблицы)
Внешний ключ	Атрибут таблицы, значения которого соответствуют значениям первичного ключа в другой связанной (родительской, первичной) таблице. Внешний ключ может состоять как из одного, так и из нескольких атрибутов (составной внешний ключ). Если число атрибутов внешнего ключа меньше, чем количество атрибутов соответствующего первичного ключа, то он называется усеченным (частичным) внешним ключом
Степень (арность) отношения	Количество столбцов таблицы
Мощность отношения	Количество строк (кортежей) таблицы
Экземпляр отношения	Множество записей (кортежей) для данной таблицы (отношения). С течением времени экземпляр может изменяться. Поскольку обычная БД в текущий момент времени работает только с одной версией отношения, то такой экземпляр отношения называется текущим
Тип данных	Тип значений элементов таблицы
Базовое отношение	Отношение, содержащие один или несколько столбцов, характеризующих свойства объекта, а также первичный ключ
Производное отношение	Не является базовым отношением, т.е. не характеризует свойства объекта и используется для обеспечения связей между другими таблицами, может не содержать первичного ключа. Если первичный ключ задан, то он состоит из внешних ключей, связанных с первичными ключами базового отношения
Связь	Устанавливает взаимосвязь между совпадающими значениями в ключевых полях – первичным ключом одной таблицы и внешним ключом другой
Связь «один-к-одному» (1:1)	При использовании этого вида связи запись в одной таблице может иметь не более одной связанной с нею записи в другой таблице. В обеих таблицах ключевые поля должны быть первичными. Используется для разделения таблиц с многочисленными полями или по требованию защиты данных
Связь «один-ко-многим» (1:M)	При использовании этого вида связи каждой записи одной таблицы может соответствовать несколько записей второй, но каждой записи второй таблицы соответствует лишь одна запись первой таблицы. В первой таблицы обязательно должен быть задан первичный ключ, во второй – внешний
Связь «многие-ко-многим» (N:M)	При данном типе связи одной записи в первой таблице может соответствовать несколько записей второй таблицы, но и одной записи второй таблицы может соответствовать несколько записей первой. Уникальность ключей для таких таблиц не требуется. В процессе проектирования схемы БД такие связи преобразуют. Для этого необходимо ввести вспомогательное отношение, позволяющее заменить связь «многие-ко-многим» на две связи типа «один-ко-многим»

Структура данных реляционной модели предполагает представление предметной области рассматриваемой задачи в виде набора взаимосвязанных отношений.

В каждой связи одно отношение может выступать как основное (базовое, родительское), а другое – в роли подчиненного (производного, дочернего). Для поддержания этих связей оба отношения должны содержать набор атрибутов, по которым они связаны: в основном отношении это – первичный ключ отношения (однозначно определяет кортеж основного отношения); в подчиненном отношении должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом, т.е. определяет множество кортежей производного отношения., связанных с единственным кортежем основного отношения.

Множество взаимосвязанных друг с другом таблиц образуют схему БД .

Итак, отношение R представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные.

Математически N -арное отношение R – это множество декартова произведения D 1 ×D 2 ×…×D n множеств (доменов) D 1 , D 2 ,…,D n (n ≥1), необязательно различных:

R D 1 ×D 2 ×…×D n ,

где D 1 ×D 2 ×…×D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется из своего домена.

Домен представляет собой семантическое понятие, которое можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных, имеющих определенный смысл.

Свойства домена :

Домен имеет уникальное имя (в пределах БД),

Определен на некотором простом типе данных или на другом домене,

Может иметь некоторое логическое условие, позволяющее описать подмножество данных, допустимых для этого домена,

Несет определенную смысловую нагрузку.

Основное значение доменов состоит в том, что они ограничивают сравнения: нельзя сравнивать значения из различных доменов, даже если они имею одинаковый тип данных.

Атрибут отношения представляет собой пару вида

<Имя_атрибута: Имя_домена> (либо <A:D >).

Имена атрибутов в пределах отношения уникальны. Часто имена атрибутов совпадают с именами соответствующих доменов.

Отношение R, определенное на множестве доменов, содержит две части: заголовок и тело.

Заголовок отношения – фиксированное кол-во атрибутов отношения, описывающее декартово произведение доменов, на котором задано отношение:

(<A 1: D 1 >, <A 2: D 2 >, …, <A n: D n >).

Заголовок статичен: не меняется во время работы с БД, Если в отношении изменены, добавлены, удалены атрибуты, то получается уже другое отношение. Даже при сохраненном имени.

Тело отношения содержит множество кортежей отношения.

Каждый кортеж представляет собой множество пар вида:

<Имя_атрибута: Значение атрибута>:

R (<A 1:Val 1 >, <A 2:Val 2 >, …, <A n: Val n >).

Таких, что значение Val i атрибута A i принадлежит домену D i .

Тело отношения представляет собой набор кортежей, т. Е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может изменяться во время работы с базой данных, т. К. кортежи с течением времени могут изменяться, добавляться и удаляться.

Отношение обычно записывается в виде:

R (<A 1: D 1 >, <A 2: D 2 >, …, <A n: D n >),

либо сокращенно: R (A 1 , A 2 , …, A n ) или R .

Схема отношения представляет собой набор заголовков отношения, входящих в базу данных, т. Е. перечень имен атрибутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:

S R = (A 1 , A 2 , …, A n ), A i D i , i = 1,..., n .

Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена, то они называются θ-сравнимыми, где θ - множество допустимых операций сравнений, заданных для данного домена.

Например, если домен содержит числовые данные, то для него допустимы все операции сравнения: θ == {=, <>,>=,<=,<,>}. Однако и для доменов, содержащих символьные данные, могут быть заданы не только операции сравнения по равенству и неравенству значений. Если для данного домена задано лексикографическое упорядочение, то он также имеет полное множество операций сравнения.

Схемы двух отношений называются эквивалентными , если они имеют одинаковую степень, и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, т. Е. атрибуты, принимающие значения из одного домена.

Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:

Наличие одинакового количества атрибутов;

Наличие атрибутов с одинаковыми наименованиями;

Наличие в отношениях одинаковых строк с учетом того, что порядок атрибутов может различаться;

Отношения такого рода есть различные изображения одного и того же отношения.

Свойства отношений непосредственно следуют из приведенного ранее определения отношения. В этих свойствах в основном и состоят различия между отношениями реляционной модели данных и простыми таблицами:

Уникальность имени отношения. Имя одного отношения должно отличаться от имен других отношений.

Уникальность кортежей. В отношении нет одинаковых кортежей. Действительно, тело отношения есть множество кортежей и, как всякое множество, не может содержать неразличимые элементы. Таблицы в отличие от отношений могут содержать одинаковые строки. Каждая ячейка отношения содержит только атомарное (неделимое) значение.

Неупорядоченность кортежей. Кортежи не упорядочены (сверху вниз), т. К. тело отношения есть множество, а множество не упорядочено (для сравнения - строки в таблицах упорядочены). Одно и то же отношение может быть изображено разными таблицами, в которых строки идут в различном порядке.

Неупорядоченность атрибутов. Атрибуты не упорядочены (слева направо).

Уникальность имени атрибута в пределах отношения. Каждый атрибут имеет уникальное имя в пределах отношения, значит, порядок атрибутов не имеет значения (для сравнения - столбцы в таблице упорядочены). Это свойство несколько отличает отношение от математического определения отношения. Одно и то же отношение может быть изображено разными таблицами, в которых столбцы идут в различном порядке.

Атомарность значений атрибутов. Все значения атрибутов атомарны. Это следует из того, что лежащие в их основе атрибуты имеют атомарные значения, т. Е. с каждым триибутом связана какая-то область значений (отдельный элементарный тип), значения атрибутов берутся из одного и того же домена. Схема и кортежи отношения - множества, а не списки, поэтому порядок их представления не имеет значения. Для сравнения - в ячейки таблицы можно поместить различную информацию: массивы, структуры, другие таблицы и т. Д.

Замечание:

Из свойств отношения следует, что не каждая таблица может быть отношением. Для того чтобы некоторая таблица задавала отношение, необходимо, чтобы таблица имела простую структуру (содержала только строки и столбцы, причем в каждой строке должно быть одинаковое количество полей), в таблице не должно быть одинаковых строк, любой столбец таблицы должен содержать данные только одного типа, все используемые типы данных должны быть простыми.

Следует отметить, что реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений, которые называются схемой реляционной базы данных .

В объектно-ориентированной модели при представлении данных имеется возможность идентифицировать отдельные записи базы данных. Между записями и функциями их обработки устанавливаются взаимосвязи с помощью механизмов, подобных соответствующим средствам в объектно-ориентированных языках программирования.

Рассмотрим упрощенную модель объектно-ориентированной БД. Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом или типом, конструируемым пользователем (определяется как class). Значение свойства типа class есть объект, являющийся экземпляром соответствующего класса. Каждый объект-экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Объект-экземпляр класса принадлежит своему классу и имеет одного родителя. Родовые отношения в БД образуют связную иерархию объектов. Пример логической структуры объектно-ориентированной БД библиотечного дела приведен на рис. 2.9. Здесь объект типа Библиотека является родительским для объектов-экземпляров классов Абонент, Каталог и Выдача. Различные объекты типа Книг а могут иметь одного или разных родителей. Объекты типа Книга, имеющие одного и того же родителя, должны различаться, по крайней мере, инвентарным номером (уникален для каждого экземпляра книги), но имеют одинаковые значения свойств isb n , удк, названи е и автор.

Логическая структура объектно-ориентированной БД внешне похожа на структуру иерархической БД. Основное различие между ними состоит в методах манипулирования данными.

Для выполнения действий над данными в рассматриваемой модели БД применяются логические операции, усиленные объектно-ориентированными механизмами инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором оно определено. Наследование , наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта.

Основным достоинством объектно-ориентированной модели данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. Объектно-ориентированная модель данных позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определять функции их обработки.

Недостатками объектно-ориентированной модели являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов.

К объектно-ориентированным СУБД относятся POET , Jasmine , Versant , O 2, ODB — Jupiter , Iris , Orion , Postgres .

Постреляционная модель

Классическая реляционная модель предполагает неделимость данных, хранящихся в полях записей таблиц. Постреляционная модель представляет собой расширенную реляционную модель, снимающую ограничение неделимости данных. Модель допускает многозначные поля – поля, значения которых состоят из подзначений. Набор значений многозначных полей считается самостоятельной таблицей, встроенной в основную таблицу.

На рис. 2.6 на примере информации о накладных и товарах для сравнения приведено представление одних и тех же данных с помощью реляционной (а) и постреляционной (б) моделей. Из рисунка видно, что по сравнению с реляционной моделью в постреляционной модели данные хранятся более эффективно, а при обработке не потребуется выполнять операцию соединения данных из двух таблиц.

Накладные Накладные-товары

N накладной	Покупатель	N накладной	Количество

Накладные

N накладной	Покупатель	Количество

Рис. 2.6. Структуры данных реляционной и постреляционной моделей

Поскольку постреляционная модель допускает хранение в таблицах ненормализованных данных, возникает проблема обеспечения целостности и непротиворечивости данных. Эта проблема решается включением в СУБД соответствующих механизмов.

Достоинством постреляционной модели является возможность представления совокупности связанных реляционных таблиц одной постреляционной таблицей. Это обеспечивает высокую наглядность представления информации и повышение эффективности ее обработки.

Недостатком постреляционной модели является сложность решения проблемы обеспечения целостности и непротиворечивости хранимых данных.

Рассмотренная постреляционная модель данных поддерживается СУБД uniVers . К числу других СУБД, основанных на постреляционной модели данных, относятся также системы Bubba и Dasdb .

Многомерная модель

Многомерный подход к представлению данных появился практически одновременно с реляционным, но интерес к многомерным СУБД стал приобретать массовый характер с середины 90-х годов. Толчком послужила в 1993 году статья Э. Кодда. В ней были сформулированы 12 основных требований к системам класса OLAP (OnLine Analytical Processing – оперативная аналитическая обработка), важнейшие из которых связаны с возможностями концептуального представления и обработки многомерных данных.

В развитии концепций информационных систем можно выделить следующие два направления:

Системы оперативной (транзакционной) обработки;

Системы аналитической обработки (системы поддержки принятия решений).

Реляционные СУБД предназначались для информационных систем оперативной обработки информации и в этой области весьма эффективны. В системах аналитической обработки они показали себя несколько неповоротливыми и недостаточно гибкими. Более эффективными здесь оказываются многомерные СУБД.

Многомерные СУБД являются узкоспециализированными СУБД, предназначенными для интерактивной аналитической обработки информации. Основные понятия, используемые в этих СУБД: агрегируемость, историчность и прогнозируемость.

Агрегируемость данных означает рассмотрение информации на различных уровнях ее обобщения. В информационных системах степень детальности представления информации для пользователя зависит от его уровня: аналитик, пользователь, управляющий, руководитель.

Историчность данных предполагает обеспечение высокого уровня статичности собственно данных и их взаимосвязей, а также обязательность привязки данных ко времени.

Прогнозируемость данных подразумевает задание функций прогнозирования и применение их к различным временным интервалам.

Многомерность модели данных означает не многомерность визуализации цифровых данных, а многомерное логическое представление структуры информации при описании и в операциях манипулирования данными.

По сравнению с реляционной моделью многомерная организация данных обладает более высокой наглядностью и информативностью. Для иллюстрации на рис. 2.7 приведены реляционное (а) и многомерное (б) представления одних и тех же данных об объемах продаж автомобилей.

Основные понятия многомерных моделей данных: измерение и ячейка.

Измерение – это множество однотипных данных, образующих одну из граней гиперкуба. В многомерной модели измерения играют роль индексов, служащих для идентификации конкретных значений в ячейках гиперкуба.

Ячейка – это поле, значение которого однозначно определяется фиксированным набором измерений. Тип поля чаще всего определен как цифровой. В зависимости от того, как формируются значения некоторой ячейки, она может быть переменной (значения изменяются и могут быть загружены из внешнего источника данных или сформированы программно) либо формулой (значения, подобно формульным ячейкам электронных таблиц, вычисляются по заранее заданным формулам).

Рис. 2.7. Реляционное и многомерное представление данных

В примере на рис. 2.7 б каждое значение ячейки Объем продаж однозначно определяется комбинацией временного измерения Месяц продаж и модели автомобиля. На практике зачастую требуется большее количество измерений. Пример трехмерной модели данных приведен на рис. 2.8.

Рис. 2.8. Пример трехмерной модели

В существующих многомерных СУБД используются две основных схемы организации данных: гиперкубическая и поликубическая.

В поликубической схеме предполагается, что в БД может быть определено несколько гиперкубов с различной размерностью и с различными измерениями в качестве граней. Примером системы, поддерживающей поликубический вариант БД, является сервер Oracle Express Server .

В случае гиперкубической схемы предполагается, что все ячейки определяются одним и тем же набором измерений. Это означает, что при наличии нескольких гиперкубов в БД, все они имеют одинаковую размерность и совпадающие измерения.

Основным достоинством многомерной модели данных является удобство и эффективность аналитической обработки больших объемов данных, связанных со временем.

Недостатком многомерной модели данных является ее громоздкость для простейших задач обычной оперативной обработки информации.

Примерами систем, поддерживающими многомерные модели данных, является Essbase , Media Multi - matrix , Oracle Express Server , Cache . Существуют программные продукты, например Media / MR , позволяющие одновременно работать с многомерными и с реляционными БД.

Объектно-ориентированная модель

Стандартизированная объектно-ориентированная модель описана в рекомендациях стандарта ODMG -93 (Object Database Management Group – группа управления объектно-ориентированными базами данных).

Рассмотрим упрощенную модель объектно-ориентированной БД. Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом или типом, конструируемым пользователем (определяется как class). Значение свойства типа class есть объект, являющийся экземпляром соответствующего класса. Каждый объект-экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Объект-экземпляр класса принадлежит своему классу и имеет одного родителя. Родовые отношения в БД образуют связн ую ие рархию объектов. Пример логической структуры объектно-ориентированной БД библиотечного дела приведен на рис. 2.9. Здесь объект типа Библиотека является родительским для объектов-экземпляров классов Абонент , Каталог и Выдача . Различные объекты типа Книг а могут иметь одного или разных родителей. Объекты типа Книга , имеющие одного и того же родителя, должны различаться, по крайней мере, инвентарным номером (уникален для каждого экземпляра книги), но имеют одинаковые значения свойств isb n , удк , названи е и автор .

Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором оно определено. Так, если в объект типа Каталог добавить свойство, задающее телефон автора книги и имеющее название телефон , то мы получим одноименные свойства у объектов Абонент и Каталог . Смысл такого свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано.

Наследование , наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа Книга , являющимся потомками объекта типа Каталог , можно приписать свойства объекта-родителя: isbn , удк , название и автор . Если необходимо расширить действие механизма наследования на объекты, не являющиеся непосредственными родственниками (например, между двумя потомками одного родителя), то в их общем предке определяется абстрактное свойство типа abs . Так, определение абстрактных свойств билет и номер в объекте Библиотека приводит к наследованию этих свой ств вс еми дочерними объектами Абонент , Книга и Выдач а. Не случайно, поэтому значения свойства билет классов Абонент и Выдача , показанных на рис. 2.9, являются одинаковыми – 00015.

Полиморфизм в объектно-ориентированных языках программирования означает способность одного и того же программного кода работать с разнотипными данными. Другими словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы (процедуры или функции) с одинаковыми именами. Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Применительно к рассматриваемому примеру полиморфизм означает, что объекты класса Книга , имеющие разных родителей из класса Каталог , могут иметь разный набор свойств. Следовательно, программы работы с объектами класса Книга могут содержать полиморфный код.

Поиск в объектно-ориентированной БД состоит в выяснении сходства между объектом, задаваемым пользователем, и объектами, хранящимися в БД.

Рис. 2.9. Логическая структура БД библиотечного дела

Основным достоинством объектно-ориентированной модели данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. Объектно-ориентированная модель данных позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определять функции их обработки.

Недостатками объектно-ориентированной модели являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов.

К объектно-ориентированным СУБД относятся POET , Jasmine , Versant , O 2, ODB - Jupiter , Iris , Orion , Postgres .

При наличии большого количества экспериментальных проектов (и даже коммерческих систем) отсутствует общепринятая объектно-ориентированная модель данных, и не потому, что нет ни одной разработанной полной модели, а по причине отсутствия общего согласия о принятии какой-либо модели. На самом деле, имеются и более конкретные проблемы, связанные с разработкой декларативных языков запросов, выполнением и оптимизацией запросов, формулированием и поддержанием ограничений целостности, синхронизацией доступа и управлением транзакциями и т.д.

Объектно-ориентированная модель (рис. 3) позволяет создавать, хранить и использовать информацию в форме объектов. Любой объект при своем создании получает генерируемый системой уникальный идентификатор, который связан с объектом все время его существования и не меняется при изменении состояния объекта.

Рис.3. Объектно-ориентированная модель данных

Каждый объект имеет состояние и поведение. Состояние объекта - набор значений его атрибутов. Поведение объекта - набор методов (программный код), оперирующих над состоянием объекта. Значение атрибута объекта - это тоже некоторый объект или множество объектов. Состояние и поведение объекта инкапсулированы в объекте; взаимодействие объектов производится на основе передачи сообщений и выполнении соответствующих методов.

Множество объектов с одним и тем же набором атрибутов и методов образует класс объектов. Объект должен принадлежать только одному классу (если не учитывать возможности наследования). Допускается наличие примитивных предопределенных классов, объекты-экземпляры которых не имеют атрибутов: целые, строки и т.д. Класс, объекты которого могут служить значениями атрибута объектов другого класса, называется доменом этого атрибута.

Допускается порождение нового класса на основе уже существующего класса - наследование. В этом случае новый класс, называемый подклассом существующего класса (суперкласса), наследует все атрибуты и методы суперкласса. В подклассе, кроме того, могут быть определены дополнительные атрибуты и методы. Различаются случаи простого и множественного наследования. В первом случае подкласс может определяться только на основе одного суперкласса, во втором случае суперклассов может быть несколько. Если в языке или системе поддерживается единичное наследование классов, набор классов образует древовидную иерархию. При поддержании множественного наследования классы связаны в ориентированный граф с корнем, называемый решеткой классов. Объект подкласса считается принадлежащим любому суперклассу этого класса.

Наиболее широкое применение объектно-ориентированные базы данных нашли в таких областях, как системы автоматизированного конструирования/производства (CAD/CAM), системы автоматизированной разработки программного обеспечения (CASE), системы управления составными документами, т.е. в областях не традиционных для баз данных. Примерами объектно-ориентированных СУБД являются – POET, Jasmine, Versant, Iris , Orion.

2.2.4.Реляционная модель данных

В 1970 году американский математик Кодд Е.Ф. опубликовал революционную по своему содержанию статью, предложив использовать для обработки данных теорию множеств. Он утверждал, что данные нужно связывать в соответствии с их логическими взаимоотношениями (например, объединение, пересечение), а не физическими указателями. Он предложил простую модель данных, в которой все данные сведены в таблицы, состоящие из строк и столбцов, имеющих уникальные имена. Эти таблицы получили название реляций (relatio - отношение), а модель – реляционной моделью данных, построенной на понятии математических отношений и ее иногда называют также моделью Кодда. Предложения Кодда были настолько эффективны для систем баз данных, что за эту модель он был удостоен престижной премии Тьюринга в области теоретических основ вычислительной техники.

В реляционных базах все данные хранятся в простых таблицах, разбитых на строки (их называют записями) и столбцы (их называют полями), на пересечении которых расположена информация о данных. В общем виде это может быть представлено как на рис. 4.

Рис.4. Таблица реляционной БД.

У каждого столбца есть свое имя. Например, в таблице «Товар на складе» (рис. 5.) имена полей такие: Идентификатор , Товар , Название группы , Группа , Единица измерения , Цена закупочная , Цена реализации , Наличие на складе .

Рис. 5. Таблица «Товар на Складе»

Все значения в одном столбце имеют один тип. Таким образом, поля – это различные характеристики (иногда говорят – атрибуты) объекта. Значения полей в одной строке относятся к одному объекту, а различные поля отличаются именами.

Каждая запись различается уникальным ключом записи, которые бывают двух типов: первичный и вторичный.

Первичный ключ – это одно или несколько полей, однозначно идентифицирующих запись. Если первичный ключ состоит из одного поля, он называется простым, если из нескольких полей – составным ключом.

Вторичный ключ – это поле, значение которого может повторяться в нескольких записях файла, то есть он не является уникальным.

Внешний ключ подчиненной таблицы - это вторичный ключ данного отношения, который, в то же время, выполняет функции первичного ключа в главной таблице. Если по значению первичного ключа может быть найден один единственный экземпляр записи, то по значению внешнего ключа несколько (рис.6).

Рис.6. Пример использование внешнего ключа

Как правило, реляционная база данных состоит из нескольких таблиц, т.к. объединить в одной таблице все сведения, необходимые сотрудникам (пользователям БД) какой-либо организации для решения задач, не представляется возможным.

Средством эффективного доступа по ключу к записи файла является индексирование. При индексировании создается дополнительный файл, который содержит в упорядоченном виде все значения ключа файла данных. Для каждого ключа в индексном файле содержится указатель на соответствующую запись файла данных. С помощью указателя на запись в файле данных осуществляется прямой доступ к этой записи.

Для работы с реляционными базами данных в настоящее время обычно используется язык структурированных запросов (Structured Query Language - SQL). Это язык, применяемый для создания, модификации и управления данными. Язык SQL не является алгоритмическим языком программирования. Это информационно-логический язык, он основывается на реляционной алгебре и подразделяется на три части:

· операторы определения данных;

· операторы манипуляции данными (Insert, Select, Update, Delete);

· операторы определения доступа к данным.

В 1986 году язык SQL был принят в качестве стандарта ANSI (Американский Национальный Институт Стандартов) языков реляционной базы данных. Сегодня данная база рассматривается в качестве стандарта для современных информационных систем.

Таким образом, таблица является основным типом структуры данных реляционной модели. Структура таблицы определяется совокупностью столбцов. В каждой строке таблицы содержатся по одному значению в соответствующем столбце. В таблице не может быть двух одинаковых строк, общее число строк не ограничено. Столбец – это элемент данных, каждый столбец имеет имя. Один или несколько атрибутов, значения которых однозначно идентифицируют строку таблицы, являются ключом таблицы.

Достоинствами реляционной модели являются:

Простота и доступность понимания конечным пользователем - единственной информационной конструкцией является таблица;

При проектировании реляционной БД применяются строгие правила, базирующие на математическом аппарате;

Полная независимость данных. При изменении структуры изменения, которые требуют произвести в прикладных программах, минимальны;

Для построения запросов и написания, прикладных программ нет необходимости знания конкретной организации БД во внешней памяти.

Недостатками реляционной модели являются:

Относительно низкая скорость доступа и большой объем внешней памяти;

Трудность понимания структуры данных из-за появления большого количества таблиц в результате логического проектирования;

Далеко не всегда предметную область можно представить в виде совокупности таблиц.

Реляционные базы данных в настоящее время получили наибольшее распространение. Сетевые и иерархические модели считаются устаревшими, объектно-ориентированные модели пока не стандартизированы и не получили широкого распространения.