к оглавлению к алгоритмизации СУБД ЯиМП 3GL 4GL 5GL технологии прогр.

Объектно-ориентированное программирование

Объектно-ориентированные СУБД

Что такое SQL?
Язык SQL в системе клиент-сервер
Объектно-ориентированная парадигма
Структура объектной модели
Целостность данных в ОО-СУБД
Средства манипулирования данными
Подведем некоторые итоги
Объектно-ориентированные СУБД
Стандарт ODMG
Объектные расширения реляционных СУБД
К объектным базам данных
Язык SQL-3 - объектно-ориентированный SQL

Язык SQL. Формирование запросов к базе данных
Литература по ОО-СУБД

Объектно-ориентированная (объектная) СУБД - система управления базами данных, основанная на объектной модели данных. Эта система управления обрабатывает данные как абстрактные объекты, наделённые свойствами и использующие методы взаимодействия с другими объектами окружающего мира.

Термин "объект" в программной индустрии впервые был введен в языке Simula (1967 г.) и означал какой-либо аспект моделируемой реальности. Сейчас под объектом понимается "нечто, имеющее четко определенные границы" (определение известного американского специалиста Г.Буча). Объекты, обладающие одинаковыми свойствами, составляют классы (например, курица, пингвин и чайка - объекты класса "птицы"). Обычно класс описывается как новый тип данных, а объекты (экземпляры класса) - определенные на его основе переменных.

Объектно-ориентированная парадигма

Сразу же необходимо заметить, что общепринятого определения "объектно-ориентированной модели данных" не существует. Сейчас можно говорить лишь о неком "объектном" подходе к логическому представлению данных и о различных объектно-ориентированных способах его реализации.

Мы знаем, что любая модель данных должна включать три аспекта: структурный, целостный и манипуляционный. Посмотрим, как они реализуются на основе объектно-ориентированная парадигмы программирования:

Структура объектной модели

Структура объектной модели описываются с помощью трех ключевых понятий:

инкапсуляция - каждый объект обладает некоторым внутренним состянием (хранит внутри себя запись данных), а также набором методов - процедур, с помощью которых (и только таким образом) можно получить доступ к данным, определяющим внутреннее состояние объекта, или изменить их. Таким образом, объекты можно рассматривать как самостоятельные сущности, отделенные от внешнего мира. Пример:

  Class Point {              // вводим новый тип данных - объект "точка"
     X,Y : int;                // данные объекта - координаты точки
     .........
     Point(X : int, Y : int);  // конструктор объекта - процедура, вызываемая при 
                               // определении переменной на базе объекта и 
                               // присваивающая значения его данным
     .........
     Draw();                   // метод "нарисовать точку"
     Erase();                  // метод "стереть точку"
     Move(newX,newY);          // метод "переместить точку" (изменяет данные объекта)
     int GetX();               // метод "получить значение поля X"
     int GetY();               // метод "получить значение поля Y"
     .........
                               // все методы должны быть описаны, например
                               // реализация метода Move:
     
     Move(newX : int, newY : int) {
       X=newX;                 // запись новых данных в объект
       Y=newY;                 //
     }
   }                           // конец описания объекта

   Begin                       // основная процедура программы
 
     Point A(0,0);             // создать новый объект и присвоить ему данные

     for i=1 to 100            // создать цикл
         A.Draw();             // нарисовать точку 
         A.Hide();             // стереть точку
         A.Move(i,i*10);       // присвоить экземпляру объекта новые данные
     endfor;                   // 

     print(A.GetX(),A.GetY()); // получить и напечатать данные объекта

   End.

Из этого примера видно, что мы не можем напрямую обратиться к данным объекта, а должны вызывать метод Move для изменения его данных и GetX, GetY для считывания значений этих данных. Т.е. объект скрывает свою внутренню структуру, именно это свойство и называется "инкапсуляцией".

наследование - подразумевает возможность создавать из классов объектов новые классы объекты, которые наследуют структуру и методы своих предков, добавляя к ним черты, отражающие их собственную индивидуальность. Наследование может быть простым (один предок) и множественным (несколько предков).

Пример:

  Class Circle extend Point {   // создаем новый объект "окружность", наследующий
                                  // свойства объекта "точка"
  Radius : int;                   // добавляем новое поле "радиус", поля X и Y наследуются
                                  // от родительского объекта
  .............
  Circle(X:int,Y:int,Radius:int); // конструктор нового объекта
  .............
  Draw();                         // переопределяем некоторые методы
  Hide();                         // родительского объекта, метод Move наследуется
  .............
  ChangeRadius(Radius);           // вводим новый метод "изменить радиус"
  .............
  GetRadius();                    // вводим новый метод "получить значение радиуса"
                                  // методы GetX и GetY наследуются от родительского
                                  // объекта
  }

полиморфизм - различные объекты могут по разному реагировать на одинаковые внешние события в зависимости от того, как реализованы их методы.

Пример:
```
 Begin
  Point A(100,100);
  Circle B(200,200,50);

  A.Draw();        // рисует точку
  B.Draw();        // рисует окружность
 End.
```

Целостность данных в ОО-СУБД

Для поддержания целостности объектно-ориентированный подход предлагает использовать следующие средства:

автоматическое поддержание отношений наследования
возможность объявить некоторые поля данных и методы объекта как "скрытые", не видимые для других объектов; такие поля и методы используются только методами самого объекта
создание процедур контроля целостности внутри объекта

Средства манипулирования данными

К сожалению, в объектно-ориентированном программировании отсутствуют общие средства манипулирования данными, такие как реляционная алгебра или реляционное счисление. Работа с данными ведется с помощью одного из объектно-ориентированных языков программирования общего назначения, обычно это SmallTalk, С++ или Java.

Подведем некоторые итоги

В объектно-ориентированных базах данных, в отличие от реляционных, хранятся не записи, а объекты. ОО-подход представляет более совершенные средства для отображения реального мира, чем реляционная модель:

естественное представление данных. В реляционной модели все отношения принадлежат одному уровню, именно это осложняет преобразование иерархических связей модели "сущность-связь" в реляционную модель. ОО-модель можно рассматривать послойно, на разных уровнях абстракции.
имеется возможность определения новых типов данных и операций с ними.

В то же время, ОО-модели присущ и ряд недостатков:

осутствуют мощные непроцедурные средства извлечения объектов из базы. Все запросы приходится писать на процедурных языках, проблема их оптимизации возлагается на программиста.
вместо чисто декларативных ограничений целостности (типа явного объявления первичных и внешних ключей реляционных таблиц с помощью ключевых слов PRIMARY KEY и REFERENCES) или полудекларативных триггеров для обеспечения внутренней целостности приходится писать процедурный код.

Очевидно, что оба эти недостатка связаны с отсутствием развитых средств манипулирования данными. Эта задача решается двумя способами - расширение ОО-языков в сторону управления данными (стандарт ODMG), либо добавление объектных свойств в реляционные СУБД (SQL-3, а также так называемые объектно-реляционных СУБД).

Объектно-ориентированные СУБД

Появление объектно-ориентированных СУБД вызвано потребностями программистов на ОО-языках, которым были необходимы средства для хранения объектов, не помещавшихся в оперативной памяти компьютера. Также важна была задача сохранения состояния объектов между повторными запусками прикладной программы. Поэтому, большинство ООСУБД представляют собой библиотеку, процедуры управления данными которой включаются в прикладную программу. Примеры реализации ООСУБД как выделеного сервера базы данных крайне редки.

В качестве примера рассмотрим объектно-ориентированную СУБД ObjectStore, которая обеспечивает долговременное хранение в базе данных объектов, созданных программами на языках С++ и Java. Вся работа с объектами ведется обычными средствами включающего ОО-языка. При этом СУБД как бы расширяет виртуальную память операционной системы. Происходит это следующим образом. Когда прикладная программа обращается к объекту, то ищет его по адресу в оперативной памяти. Нужная страница оперативной памяти может быть вытеснена в виртуальную память (область хранения неиспользуемых страниц оперативной памяти на диске). Если объекта с таким адресом в виртуальной памяти не существует, то операционная система генерирует ошибку. СУБД эту ошибку перехватывает и извлекает объект из базы данных.

ObjectStore поддерживает транзакции (в данный момент времени может существовать только одна транзакция), допускает методы доступа: хеш-таблица для несортированных данных и B-дерево для сортированных, также возможно использование SQL.

Бесплатную копию ObjectStore можно получить с веб-сервера компании Object Design Inc.

Стандарт ODMG

ODMG (Object Data Management Group) - консорциум поставщиков ООБД и других заинтересованных организаций, созданный в 1991 г. Его задачей является разработка стандарта на хранение объектов в базах даннных. В настоящее время опубликован вторая версия стандарта, которую так и называют ODMG 2.0. Рассмотрим кратко основные положения этого документа.

Стандарт на хранение объектов ODMG 2.0 разработан на основе трех существующих стандартов: управление базами данных (SQL), объекты (стандарты OMG - Object Management Group) и стандарты на объектно-ориентированные языки программирования (С++, Smalltalk, Java).

ODMG добавляет возможности взаимодействия с базами данных в объектно-ориентированные языки программирования: определяются средства долговременного хранения объектов и расширяется семантика языка, вносятся операторы управления данными. Стандарт состоит из нескольких частей:

Объектная модель
-
унифицированная основа всего стандарта. Она расширяет объектную модель консорциума OMG (см. параграф 6.3.1) за счет введения таких свойств как связи и транзакции для обеспечения функциональности, требуемой при взаимодействии с базами данных. Ключевые концепции объекной модели ODMG:
- наделение объектов такими свойствами как атрибуты и связи
- методы объектов (поведение)
- множественное наследование
- идентификаторы объектов (ключи)
- определение таких совокупностей объектов как списки, наборы, массивы и т.д.
- блокировка объектов и изоляция доступа
- операции над базой данных
Язык описания объектов (ODL - Object Defifnition Language) - средство определения схемы базы данных (по аналогии с DDL в реляционных СУБД). ODL является расширением IDL (Interface Definition Language - язык описания интерфейсов) модели OMG и предоставляет средства для определения объектных типов, их атрибутов, связей и методов. ODL создает слой абстрактных описаний так, что схема базы данных становится независима как от языка программирования, так и от СУБД. ODL рассматривает только описание объектных типов данных, не вдаваясь в детали реализации их методов. Это позволяет переносить схему БД между различными ODMG-совместимыми СУБД и языками программирования, а также транслировать ее в другие DDL.
Язык объектных запросов, OQL, Object Query Language - SQL - подобный декларативный язык, который предоставляет эффективные средства для извлечения объектов из базы данных, включая высокоуровневые примитивы для наборов объектов и объектных структур. Синтаксис опретора SELECT, определенный SQL-92, является подмножеством OQL, это гарантирует, что SELECT-утверждения, выполняемые над реляционными таблицами, сохранят работоспособность и с наборами объектов ODMG. OQL-запросы могут вызываться из ОО-языка, точно также из OQL-запросов могут делаться обращения к процедурам, написанным на OO-языке. OQL предоставляет средства обеспечения целостности объектов (вызов объектных методов и использование собственных операторов изменения данных).
Связывание с ОО-языками - Стандарт связывания с С++, Smalltalk и Java определяет Object Manipulation Language (OML) - язык манипулирования объектами, который расширяет базовые ОО-языки средствами манипулирования и хранения объектов. Также включаются OQL, средства навигации и поддержка транзакций. Каждый ОО-язык имеет свой собственный OML, поэтому разработчик остается в одной языковой среде, ему нет необходимости разделять средства программмирования и доступа к данным.

Более подробно содержание стандарта ODMG (более ранней его версии) рассмотрено в статье Л.А.Калиниченко Стандарт систем управления объектными базами данных ODMG-93: краткий обзор и оценка состояния. СУБД N 1, 1996.

Объектные расширения реляционных СУБД. Язык SQL-3

Попытки совместить средства манипулирования данными реляционной модели и способы описания внешнего мира объектно-ориентированной модели получили развитие в языке SQL-3. (см. статью Д.Бича К объектным базам данных, опубликованную в журнале "Открытые системы" N 4 за 1994 г.). Здесь мы рассмтотрим только предлагаемые способы определения данных.

Разработчики SQL-3 считают, что харакетристики объекта определяется описанием строки таблицы. Поэтому, вводится специальная возможность описания нового типа данных:

   Create type Address (
        number char (6),
        street char (30),
        aptno integer,
        city char (30),
        state char (2),
        zip integer
   );

На основе нового типа могут быть определены таблицы, например:

        Create table Addresses of Address;

Новые типы допускается использовать и для определения столбцов (т.е. игнорируется требование атомарности атрибутов реляционной модели):

      Сreate table People of new type Person (
             name char (30),
             address Address,
             birthdate date,
      );

Наследование определяется с помощью фразы under.

     Create type Employee under Person (
         empno char(10),
         dept ref(Department)
     );

Здесь атрибут dept является ссылкой на объект, хранящийся в таблице Department. Т.е. в понятиях реляционной модели в этом столбце должен быть записан внешний ключ, указывающий на на одну из строк таблицы Department. На самом деле, в SQL-3 предполагается, что каждый объект имеет уникальный идентификатор - OID, именно он используется при создании ссылок на объекты.

Также в операторе CREATE TABLE можно определить и методы доступа к вновь созданным типам данных:

 Create table People of new type Person (
     name char(30),
     address Address,
     birthdate date
     function age(:р ref(Person)) return date;
     begin
        current_age:=:р.birthdate-current_date;
        return current_age;
     end;
 );

В этом примере задана функция age, которая вычисляет текущий возраст объекта типа Person, хранимого в таблице People. К данной функции можно обращаться из оператора SELECT.

Здесь свойства SQL-3 рассмотрены весьма кратко. Более полное представление о них можно получить из указанной статьи Д.Бича, а также из литературы, посвященной возможностям СУБД Oracle 8, которая подерживает данный язык.

Заметим, что К.Дейт придерживается мнения, что областью определения объекта надо считать не строку, а столбец реляционной таблицы. Подробнее об этом см. в его книге.

Еще один подход к объединению свойств реляционной модели и объектно-оринетированного программирования обсуждается в следующем параграфе.

Литература по ОО-СУБД

М. Аткинсон, Ф. Бансилон, Д. ДеВитт, К. Диттрих, Д. Майер, С. Здоник Манифест систем объектно-ориентированных баз данных. СУБД N 4, 1995
А. Ю. Медников Объектно-ориентированные базы данных сегодня или завтра? Открытые системы N 4, 1994
Ким Вон Технология объектно-ориентированных баз данных. Открытые системы N 4, 1994
В. Пржиялковский Новые одежды знакомых СУБД: Объектная реальность, данная нам. СУБД N4, 1997
С. Кузнецов Объектно-ориентированные базы данных - основные концепции, организация и управление: краткий обзор.

к оглавлению к алгоритмизации СУБД ЯиМП 3GL 4GL 5GL технологии прогр.

Знаете ли Вы, что абстракция - это процесс изменения уровня детализации программы. Когда мы абстрагируемся от проблемы, мы предполагаем игнорирование ряда подробностей с тем, чтобы свести задачу к более простой.

НОВОСТИ ФОРУМА

Рыцари теории эфира