Полиморфизм в объектно ориентированных бд. Объектно-ориентированная модель баз данных
В объектно-ориентированной модели (ООМ) при представлении данных имеется возможность идентифицировать отдельные записи базы. Между записями базы данных и функциями их обработки устанавливаются взаимосвязи с помощью механизмов, подобных соответствующим средствам в объектно-ориентированных языках программирования.
Стандартная ООМ описана в рекомендациях стандарта ODMG-93 (Object Database Management Group – группа управления объектно-ориентированными базами данных). Реализовать в полном объеме рекомендации ODMG-93 пока не удается. Для иллюстрации ключевых идей рассмотрим несколько упрощенную модель объектно-ориентированной БД.
Структура ОО БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом (например, строковым - string) или типом, конструируемым пользователем (определяется как class).
Значением свойства типа string является строка символов. 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 связанную иерархию объектов.
Пример логической структуры ОО БД библиотечного дела приведен на рис. 3.14. Здесь объект типа БИБЛИОТЕКА является родительским для объектов-экземпляров классов АБОНЕНТ, КАТАЛОГ и ВЫДАЧА. Различные 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 isbn, удк, название и автор .
Рис.3.14. Логическая структурабазы данныхбиблиотечного дела
Логическая структура ОО БД внешне похожа на структуру иерархической БД. Основное отличие между ними состоит в методах манипулирования данными. Для выполнения действий над данными в ООМ БД применяются логические операции, усиленные объектно-ориентированными механизмами инкапсуляции, наследования и полиморфизма. Ограниченно могут применяться операции, подобные командам SQL (например, для создания БД).
Создание и модификация БД сопровождается автоматическим формированием и последующей корректировкой индексов (индексных таблиц), содержащих информацию для быстрого поиска данных.
Рассмотрим кратко понятия инкапсуляции, наследования и полиморфизма применительно к ООМ БД.
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 котором 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 свойств всеми дочерними объектами АБОНЕНТ, КНИГА и ВЫДАЧА. Не случайно поэтому значения свойства билет классов АБОНЕНТ и ВЫДАЧА, показанных на рисунке, будут 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 нашей ОО БД 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 ОО БД состоит в выяснении сходства между объектом, задаваемым пользователем, и объектами, хранящимися в БД. Определяемый пользователем объект, называемый объектом-целью (свойство объекта имеет тип goal), в общем случае может представлять собой подмножество всей хранимой в БД иерархии объектов. Объект-цель, а также результат выполнения запроса могут храниться в самой базе. Пример запроса о номерах читательских билетов и именах абонентов, получивших в библиотеке хотя бы одну книгу, показан на рис. 3.15.
Основным достоинством ООМ данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. ООМ данных позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определить функции их обработки.
Недостатком ООМ являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов.
Рис.3.15. Фрагмент базы данных с объектом-целью
Вновь обратимся к задаче Заказы, представленной в виде реляционной модели данных на рис. 3.8, и рассмотрим ее в терминах объектно-ориентированной базы данных. Всего в примере три класса: «Клиенты », «Заказы » и «Товары ». Объектами класса «Клиенты » являются конкретные клиенты; свойства класса - № клиента, Имя клиента Город, Статус и т.п. Методы класса – «Создать заказ », «Оплатить счет » и т.п. Метод – это некоторая операция, которую можно применить к объекту; метод – это то, что должен делать объект. Класс, соответствующий таблице «Сведения о заказе », не требуется. Данные таблицы могут быть частью класса «Заказы ». Наличие в классе «Клиенты » метода «Создать заказ » приводит к взаимодействию с объектами классов «Заказы » и «Товары ». При этом пользователю не надо знать об этом взаимодействии объектов. Пользователь лишь обращается к объекту «Заказы » и использует метод «Создать заказ ». Факт воздействия на другие базы данных может быть скрыт от пользователя. Если метод «Создать заказ », в свою очередь, обращается к методу «Проверить кредитоспособность клиента », то этот факт также может быть скрыт от пользователя. В реляционных базах данных для выполнения тех же функций требуется писать процедуры на языке Visual Basic for Application (VBA).
В 90-е годы существовали экспериментальные прототипы ОО систем управления базами данных. В настоящее время такие систем получили широкое распространение. В частности, к ним относятся следующие СУБД: POET (POET Software), Jasmine (Computer Associates), Versant (Versant Technologies), O2 (Ardent Software), ODB-Jupiter (научно-производственный центр «Интелтек Плюс»), а также Iris, Orion и Postgres.
Основные понятия
Определение 1
Объектно-ориентированная модель представления данных дает возможность идентификации отдельных записей базы.
Записи базы данных и функции их обработки связаны механизмами, подобными соответствующим средствам, которые реализуются в объектно-ориентированных языках программирования.
Определение 2
Графическим представлением структуры объектно-ориентированной базы данных является дерево, узлы которого представляют объекты.
Стандартный тип (например, строковый – string ) или тип, созданный пользователем (class ), описывает свойства объектов .
На рисунке 1 объект БИБЛИОТЕКА является родителем для объектов-экземпляров классов КАТАЛОГ , АБОНЕНТ и ВЫДАЧА. У разных объектов типа КНИГА может быть один или разные родители. У объектов типа КНИГА, которые имеют одного и того же родителя, должны быть по крайней мере разные инвентарные номера (уникальные для каждого экземпляра книги), но одинаковые значения свойств автор , название , удк и isbn .
Логические структуры объектно-ориентированной и иерархической базы данных внешне похожи. Отличаются они в основном методами манипулирования данными.
При выполнении действий над данными в объектно-ориентированной модели используются логические операции, которые усилены инкапсуляцией, наследованием и полиморфизмом. С некоторым ограничением можно применять операции, которые подобны командам SQL (например, при создании БД).
При создании и модификации БД выполняется автоматическое формирование и последующая корректировка индексов (индексных таблиц), которые содержат информацию для осуществления быстрого поиска данных.
Определение 3
Цель инкапсуляции – ограничение области видимости имени свойства границами того объекта, в котором оно определено.
Например, если в объект КАТАЛОГ добавлено свойство, которое задает телефон автора и имеет название телефон , то одноименные свойства получатся у объектов КАТАЛОГ и АБОНЕНТ. Смысл свойства определяется тем объектом, в который оно инкапсулировано.
Определение 4
Наследование , обратно инкапсуляции, отвечает за распространение области видимости свойства относительно всех потомков объекта.
Например, всем объектам КНИГА, которые являются потомками объекта КАТАЛОГ, могут быть приписаны свойства объекта-родителя: автор , название , удк и isbn .
При необходимости расширения действия механизма наследования на объекты, которые не являются непосредственными родственниками (например, на два потомка одного родителя) в их общем предке определяют абстрактное свойство типа abs .
Таким образом, свойства номер и билет в объекте БИБЛИОТЕКА наследуются всеми дочерними объектами ВЫДАЧА, КНИГА и АБОНЕНТ. Именно поэтому значения этого свойства классов АБОНЕНТ и ВЫДАЧА одинаковые – 00015 (рисунок 1).
Определение 5
Полиморфизм позволяет одному и тому же программному коду работать с разнотипными данными.
Иначе говоря, он допускает в объектах разных типов иметь методы (функции или процедуры) с одинаковыми именами.
Поиск в объектно-ориентированной базе данных заключается в определении сходства между объектом, который задает пользователь, и объектами, которые хранятся в БД.
Преимущества и недостатки объектно-ориентированной модели
Основное преимущество объектно-ориентированной модели данных в отличие от реляционной модели состоит в возможности отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. Рассматриваемая модель данных позволяет определять отдельную запись БД и функции ее обработки.
К недостаткам объектно-ориентированной модели относят высокую понятийную сложность, неудобную обработку данных и низкую скорость выполнения запросов.
На сегодняшний день такие системы достаточно широко распространены. К ним относятся СУБД:
- Postgres,
- Orion,
- Iris,
- ODBJupiter,
- Versant,
- Objectivity /DB,
- ObjectStore,
- Statice,
- GemStone
- G-Base.
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.
Объектно-ориентированная база данных (ООБД) - база данных, в которой данные моделируются в виде объектов, их атрибутов, методов и классов.
Объектно-ориентированные базы данных обычно рекомендованы для тех случаев, когда требуется высокопроизводительная обработка данных, имеющих сложную структуру.
В манифесте ООБД предлагаются обязательные характеристики, которым должна отвечать любая ООБД. Их выбор основан на 2 критериях: система должна быть объектно-ориентированной и представлять собой базу данных.
Обязательные характеристики
1. Поддержка сложных объектов. В системе должна быть предусмотрена возможность создания составных объектов за счет применения конструкторов составных объектов. Необходимо, чтобы конструкторы объектов были ортогональны, то есть любой конструктор можно было применять к любому объекту.
2. Поддержка индивидуальности объектов. Все объекты должны иметь уникальный идентификатор, который не зависит от значений их атрибутов.
3. Поддержка инкапсуляции. Корректная инкапсуляция достигается за счет того, что программисты обладают правом доступа только к спецификации интерфейса методов, а данные и реализация методов скрыты внутри объектов.
4. Поддержка типов и классов. Требуется, чтобы в ООБД поддерживалась хотя бы одна концепция различия между типами и классами. (Термин «тип» более соответствует понятию абстрактного типа данных. В языках программирования переменная объявляется с указанием ее типа. Компилятор может использовать эту информацию для проверки выполняемых с переменной операций на совместимость с ее типом, что позволяет гарантировать корректность программного обеспечения. С другой стороны класс является неким шаблоном для создания объектов и предоставляет методы, которые могут применяться к этим объектам. Таким образом, понятие «класс» в большей степени относится ко времени исполнения, чем ко времени компиляции.)
5. Поддержка наследования типов и классов от их предков. Подтип, или подкласс, должен наследовать атрибуты и методы от его супертипа, или суперкласса, соответственно.
6. Перегрузка в сочетании с полным связыванием. Методы должны применяться к объектам разных типов. Реализация метода должна зависеть от типа объектов, к которым данный метод применяется. Для обеспечения этой функциональности связывание имен методов в системе не должно выполняться до времени выполнения программы.
7. Вычислительная полнота. Язык манипулирования данными должен быть языком программирования общего назначения.
8. Набор типов данных должен быть расширяемым. Пользователь должен иметь средства создания новых типов данных на основе набора предопределенных системных типов. Более того, между способами использования системных и пользовательских типов данных не должно быть никаких различий.
ОО СУБД
Объектно-ориентированные базы данных – базы данных, в которых информация представлена в виде объектов, как в объектно-ориентированных языках программирования.
Применять или не применять объектно-ориентированные системы управления базами данных (ООСУБД) в реальных проектах сегодня? В каких случаях их применять, а в каких нет?
Вот преимущества использования ООСУБД:
· Отсутствует проблема несоответствия модели данных в приложении и БД (impedance mismatch). Все данные сохраняются в БД в том же виде, что и в модели приложения.
· Не требуется отдельно поддерживать модель данных на стороне СУБД.
· Все объекты на уровне источника данных строго типизированы. Больше никаких строковых имен колонок! Рефакторинг объектно-ориентированной базы данных и работающего с ней кода теперь автоматизированный, а не однообразный и скучный процесс.
Стандарт ODMG
Первый манифест формально являлся всего лишь статьей, представленной на Конференцию по объектно-ориентированным и дедуктивным базам данных группой частных лиц. Как вы могли видеть в предыдущем подразделе, требования Манифеста были скорее эмоциональными, чем явно специфицированными. В 1991 г. был образован консорциум ODMG (тогда эта аббревиатура раскрывалась как Object Database Management Group , но впоследствии приобрела более широкую трактовку – Object Data Management Group ). Консорциум ODMG тесно связан с гораздо более многочисленным консорциумом OMG (Object Management Group ), который был образован двумя годами раньше. Основной исходной целью ODMG была выработка промышленного стандарта объектно-ориентированных баз данных (общей модели). За основу была принята базовая объектная модель OMG COM (Core Object Model ). В течение более чем десятилетнего существования ODMG опубликовала три базовых версии стандарта, последняя из которых называется ODMG 3.0 . 16
Забавно, что хотя ODMG (по мнению автора) вышла из OMG , в последние годы некоторые стандарты OMG опираются на объектную модель ODMG . В частности, на модель ODMG опирается спецификация языка OCL (Object Constraint Language ), являющаяся частью общей спецификации языка UML 1.4 (и UML 2.0) . В этой статье мы не ставим цель провести детальное сопоставление подходов OMG и ODMG и отсылаем заинтересованных читателей к Энциклопедии Когаловского и материалам сайтов этих консорциумов . Мы ограничимся кратким изложением основных идей, содержащихся в стандарте ODMG -3.
Архитектура ODMG
Предлагаемая ODMG архитектура показана на рис. 2.1. В этой архитектуре определяются способ хранения данных и разные виды пользовательского доступа к этому “хранилищу данных” 17 . Единое хранилище данных доступно из языка определения данных, языка запросов и ряда языков манипулирования данными. 18 На рис. 2.1 ODL означает Object Definition Language (язык определения объектов) , OQL – Object Query Language (язык объектных запросов) и OML – Object Manipulation Language (язык манипулирования объектами) .
Рис. 2.1. Архитектура ODMG
Центральной в архитектуре является модель данных , представляющая организационную структуру, в которой сохраняются все данные, управляемые ООСУБД. Язык определения объектов, язык запросов и языки манипулирования разработаны таким образом, что все их возможности опираются на модель данных. Архитектура допускает существование разнообразных реализационных структур для хранения моделируемых данных, но важным требованием является то, что все программные библиотеки и все поддерживающие инструментальные средства обеспечиваются в объектно-ориентированных рамках и должны сохраняться в согласовании с данными.
Основными компонентами архитектуры являются следующие.
- Объектная модель данных. Все данные, сохраняемые ООСУБД, структуризуются в терминах конструкций модели данных. В модели данных определяется точная семантика всех понятий (более подробно см. ниже).
- Язык определения данных (ODL). Схемы баз данных описываются в терминах языка ODL , в котором конструкции модели данных конкретизируются в форме языка определения. ODL позволяет описывать схему в виде набора интерфейсов объектных типов, что включает описание свойств типов и взаимосвязей между ними, а также имен операций и их параметров. ODL не является полным языком программирования; реализация типов должна быть выполнена на одном из языков категории OML . Кроме того, ODL является виртуальным языком в том смысле, что в стандарте ODMG не требуется его реализация в программных продуктах ООСУБД, которые считаются соответствующими стандарту. Допускается поддержка этими продуктами эквивалентных языков определения, включающих все возможности ODL , но адаптированных под особенности конкретной системы. Тем не менее, наличие спецификации языка ODL в стандарте ODMG является важным, поскольку в языке конкретизируются свойства модели данных.
- Язык объектных запросов (ODL). Язык имеет синтаксис, похожий на синтаксис языка SQL, но опирается на семантику объектной модели ODMG . В стандарте допускается прямое использование OQL и его встраивание в один из языков категории OML .
Реляционная модель данных
Почти все современные системы основаны на реляционной (relational) модели управления базами данных. Название реляционная связано с тем, что каждая запись в такой базе данных содержит информацию, относящуюся только к одному конкретному объекту.
В реляционной СУБД все обрабатываемые данные представляются в виде плоских таблиц. Информация об объектах определенного вида представляется в табличном виде: в столбцах таблицы сосредоточены различные атрибуты объектов, а строки предназначены для сведения описаний всех атрибутов к отдельным экземплярам объектов.
Модель, созданная на этапе инфологического моделирования, в наибольшей степени удовлетворяет принципам реляционности. Однако для приведения этой модели к реляционной необходимо выполнить процедуру, называемую нормализацией .
Теория нормализации оперирует с пятью нормальными формами . Эти формы предназначены для уменьшения избыточности информации, поэтому каждая последующая нормальная форма должна удовлетворять требованиям предыдущей и некоторым дополнительным условиям. При практическом проектировании баз данных четвертая и пятая формы, как правило, не используются. Мы ограничились рассмотрением первых четырех нормальных форм.
Введем понятия, необходимые для понимания процесса приведения модели к реляционной схеме.
Отношение - абстракция описываемого объекта как совокупность его свойств. Проводя инфологический этап проектирования, мы говорили об абстракции объектов и приписывали им некоторые свойства. Теперь же, проводя концептуальное проектирование, мы переходим к следующему уровню абстракции. На данном этапе объектов, как таковых, уже не существует. Мы оперируем совокупностью свойств, которые и определяют объект.
Экземпляр отношения - совокупность значений свойств конкретного объекта.
Первичный ключ - идентифицирующая совокупность атрибутов, т.е. значение этих атрибутов уникально в данном отношении. Не существует двух экземпляров отношения содержащих одинаковые значения в первичном ключе.
Простой атрибут - атрибут, значения которого неделимы.
Сложный атрибут - атрибут, значением которого является совокупность значений нескольких различных свойств объекта или несколько значений одного свойства.
Понятия сущности..
Домен
Понятие домена более специфично для баз данных, хотя и имеет некоторые аналогии с подтипами в некоторых языках программирования. В самом общем виде домен определяется заданием некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена, и произвольного логического выражения, применяемого к элементу типа данных. Если вычисление этого логического выражения дает результат "истина", то элемент данных является элементом домена.
Наиболее правильной интуитивной трактовкой понятия домена является понимание домена как допустимого потенциального множества значений данного типа. Например, домен "Имена" в нашем примере определен на базовом типе строк символов, но в число его значений могут входить только те строки, которые могут изображать имя (в частности, такие строки не могут начинаться с мягкого знака).
Следует отметить также семантическую нагрузку понятия домена: данные считаются сравнимыми только в том случае, когда они относятся к одному домену. В нашем примере значения доменов "Номера пропусков" и "Номера групп" относятся к типу целых чисел, но не являются сравнимыми. Заметим, что в большинстве реляционных СУБД понятие домена не используется, хотя в Oracle V.7 оно уже поддерживается.
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
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.
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 .
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. 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 .
