Реферат: Объектно-ориентированные СУБД

Реферат: Объектно-ориентированные СУБД

Оъекгно-СУБД

Оглавление

1. 20 лет эволюции программного обеспечения.                                    

2. Реляционные базы данных.                                                     

3. Объектно-реляционные методы.                                                 

4. Объектно-ориентированные базы данных.                                        

4.1 Why ODBMS?                                                                   

4.2 Спорные моменты технологии.                                                 

4.3 Стандарты объектных баз данных.                                             

4.4 Поставщики ООСУБД.                                                           

5. Заключение.                                                                  

6. Глоссарий                                                                    

1.

2. 20 лет эволюциипрограммного обеспечения.

      Рисунок 1

Управление информацией всегда было основной сферой применения компьютеров и,

надо думать, будет играть еще большую роль в будущем.Системы управления базами

данных[1] (СУБД, DBMS – Database Management System) на протяжении всего пути

развития компьютерной техники совершенствовались, поддерживая все более сложные

уровни абстрактныхданных, заданных пользователем, и обеспечивая взаимодействие

компонентов, распределенных в глобальных сетях и постепенно интегрирующихся

стелекоммуникационными системами. Позволив себе рассуждения в стиле Билла

Гейтса, предположим, что результатом будет становление систем

управленияинформацией одной из частей повседневной жизни каждого.

История развития компьютерной техники – это история непрерывного движения от

языка и уровня коммуникации машины к уровнюпользователя. Если первые машины

требовали от пользователя оформления того, что ему нужно (то есть написания

программ), в машинных кодах, то языкипрограммирования четвертого уровня (4GLs)

позволяли конечным пользователям, не являющимсяпрофессиональными программистами,

получать доступ к информации без детального описания каждого шага, но только с

встроенными предопределенными типами данных– например, таблицами.

Последним шагом в этом направлении стала объектно-ориентированная

технология,радикально изменившая сферу разработки программного обеспечения уже в

1990-х годах (Рисунок1). Объектно-ориентированный подход позволяет упаковывать

данные и код для их обработки вместе. Таким образом практически снимается

ограничение натипы данных, позволяя работать на любом уровне абстракции.

Эволюция систем управления информацией шла параллельно этому прогрессу, начиная

с низкоуровневых программ, которые, например, напрямуюпроизводили операции

чтения и записи со всей памятью без ограничения доступа, лентой, цилиндрами и

дорожками диска и более высокоуровневыми средствами –файловыми системами,

которые оперировали с такими понятиями, как массивы, записи и индексы для

повышения производительности. Базы данных в свою очередьначинали с модели

записей и индексов (ISAM и др.), приобретая со временем способность

восстановленияпосле сбоев, проверки целостности данных и возможности работы

нескольких пользователей одновременно. Эти ранние модели данных(CODASYL)

относились скорее к уровнюмашинной ориентации. В дальнейшем реляционные базы

данных, пришедшие на смену в 1980‑х годах, приобрели механизм запросов,

позволяющий пользователю указать требуемое, предоставив СУБД самой оптимальным

образом найти результат,используя динамическую индексацию.

Обьектно-ориентированные СУБД (ООСУБД) стали разрабатываться с середины 80‑х

годов восновном для поддержки приложений САПР. Сложные структуры данных систем

автоматизированного проектирования оказалось очень удобно оформлять в

видеобъектов, а технические чертежи проще хранить в базе данных, чем в файлах.

Это позволяет обойтись без декомпозиции графических структур  на элементы и

записи их в файлы послезавершения работы с чертежом, выполнения обратной

операции при внесении любого изменения. Если типичные реляционные базы данных

имеют связи глубиной в двауровня, то иерархическая информация чертежей САПР

обычно включает порядка десяти уровней, что требует достаточно сложных операций

для “сборки”результата. Объектные базы данных хорошо соответствовали подобным

задачам, и эволюция многих СУБД началась именно с рынка САПР.

Между тем рынок САПР был быстро насыщен, и в начале 90‑х годов производители

ООСУБД обратили внимание на другие области применения, ужепрочно занятые

реляционными СУБД. Для этого потребовалось оснастить ООСУБД функциями

оперативной обработки транзакций (OLTP), утилитами администратора баз данных

(database administrator – DBA), средствами резервногокопирования/восстановления

и т. д. Работы в данном направлении продолжаются и сегодня, но уже можно

сказать, что переход к коммерческим приложениям идетдостаточно успешно.

3. Реляционные базы данных.

В реляционных базах данных (Relational Database System, RDBS) все данные

отображаются в двумерных таблицах. База данных, таким образом, это ни что

иное,как набор таблиц. RDBS и ориентированные на записи системы организованы на

основе стандарта B-Tree илиметоде доступа, основанном на индексации – Indexed

Sequential Access Method (ISAM) и являются стандартными

системами,использующимися в большинстве современных программных продуктов. Для

обеспечения комбинирования таблиц для определения связей между данными,

которыепрактически полностью отсутствуют в большинстве программных реализаций

B-Tree и ISAM, используется языки, подобные SQL (IBM), Quel (Ingres) и RDO

(Digital Equipment), причем стандартом отрасли внастоящее время стал язык SQL,

поддерживаемый всеми производителями реляционных СУБД.

Оригинальная версия SQL – это интерпретируемый язык, предназначенный для

выполненияопераций над базами данных. Язык SQL был создан в начале 70‑х как

интерфейс для взаимодействия с базами данных, основанными на новой для того

времениреляционной теории. Реальные приложения обычно написаны на других языках,

генерирующих код на языке SQLи передающих их в СУБД в виде текста в формате

ASCII. Нужно отметить также, что практически все реальные реляционные (и не

только реляционные) системы помимореализации стандарта ANSI SQL, известного

сейчас в последней редакции под именем SQL2 (или SQL-92), включают в себя

дополнительныерасширения, например, поддержка архитектуры клиент-сервер или

средства разработки приложений.

Строки таблицы составлены из полей, заранее известных базе данных. В большинстве

систем нельзя добавлять новые типы данных. Каждая строкав таблице соответствует

одной записи. Положение данной строки может изменяться вместе с удалением или

вставкой новых строк.

Чтобы однозначно определить элемент, ему должны быть сопоставлены поле или набор

полей, гарантирующих уникальность элемента внутритаблицы. Такое поле или поля

называются первичным ключом (primary key) таблицы и часто являются числами. Если

одна таблицасодержит первичным ключ другой, это позволяет организовать связь

между элементами разных таблиц. Это поле называетсявнешним ключом (foreign key).

Так как все поля одной таблицы должны содержать постоянное число полей заранее

определенных типов, приходится создавать дополнительныетаблицы, учитывающие

индивидуальные особенности элементов, при помощи внешних ключей. Такой подход

сильно усложняет создание сколько нибудь сложныхвзаимосвязей в базе данных.

Желающим убедится, что это действительно так  и не пожалевшим на это

определенный отрезоквремени, компания POET Software любезно предоставляет

возможность ознакомиться с примером в своей “белой книге” “POET Technical

Reference”. База данных рядового предприятия общепита (клиенты – Джордж Буш и

Эдди Мэрфи) состоит изчетырех таблиц.

Еще один крупный недостаток реляционных баз данных – это высокая трудоемкость

манипулирования информацией и изменения связей.

4. Объектно-реляционные методы.

Несмотря на рассмотренные в п. 3 недостатки реляционных баз данных, они обладают

рядом достоинств:

  разделение таблиц разными программами;

  развернутый “код возврата” при ошибках;

  высокая скорость обработки запросов (команда SELECTязыка SQL; результатом

  выборки является таблица, которая содержит поля, удовлетворяющие заданному

  критерию);

       Рисунок 2 Возможные подходы к объединению объектных и реляционных БД.

  сама концепция объектных баз данных довольно сложна итребует от программистов

  серьезного и длительного обучения;

  относительно высокая скорость при работе с большимиобъемами данных.

Кроме того, во всем мире значительные средства уже инвестированы в реляционные

СУБД. Многие организации не уверены, что затраты, связанные с переходом на

объектные базы данных, окупятся.

Поэтому многие пользователи заинтересованы в комбинированном подходе, который бы

им позволил воспользоваться достоинствами объектных базданных, не отказываясь

полностью от своих реляционных БД. Такие решения действительно существуют. Если

переход от реляционной базы к объектнойобходится слишком дорого, то применение

последней в качестве расширения и дополнения реляционных СУБД часто является

более экономичной альтернативой.Компромиссные решения позволяют соблюсти баланс

между объектами и реляционными таблицами (Рисунок2).

Объектно-реляционные адаптеры. Этот метод предполагает использование так

называемогообъектно-реляционного адаптера, который автоматически выделяет

программные объекты и сохраняет их в реляционных базах данных.

Объектно-ориентированныеприложение работает как рядовой пользователь СУБД.

Несмотря на некоторое снижение производительности, такой вариант позволяет

программистам целикомсконцентрироваться на объектно-ориентированной разработке.

Кроме того, все имеющиеся на предприятии приложения по-прежнему могут обращаться

к данным,хранящимся в реляционной форме.

Некоторые объектные СУБД, например GemStone компании GemStone Systems, могут

сами выполнятьроль мощного объектно-реляционного адаптера, позволяя

объектно-ориентированным приложениям обращаться к реляционным БД.

Объектно-реляционные адаптеры, такие как Odapter компании Hewlett-Packard для

СУБД Oracle, можно с успехом использовать вомногих областях, например в качестве

связующего ПО, объединяющего объектно-ориентированные приложения с реляционными

СУБД.

Объектно-реляционные шлюзы. При использовании такого метода пользователь

взаимодействует с БДпри помощи языка ООСУБД, а шлюз заменяет все

объектно-ориентированные элементы этого языка на их реляционные компоненты. За

это опять приходитьсярасплачиваться производительностью. Например, шлюз должен

преобразовать объекты в набор связей, сгенерировать оригинальные идентификаторы

(original identifier – OID) объектов и передать этов реляционную БД. Затем шлюз

должен каждый раз, когда используется интерфейс реляционной СУБД,

преобразовывать OID, найденный в базе, в соответствующий объект, сохраненный

вРСУБД.

Производительность в рассмотренных двух подходах зависит от способа доступа к

реляционной базе данных. Каждая РСУБД состоит из двухуровней: уровня управления

данными (data manager layer) и уровня управления носителем (storage manager

layer). Первый из нихобрабатывает операторы на языке SQL, а второй отображает

данные в базу. Шлюз или адаптер могут взаимодействовать какс уровнем данных (то

есть обращаться к РСУБД при помощи SQL), так и с уровнем носителя

(вызовамипроцедур низкого уровня). Производительность в первом случае намного

ниже (например, система OpenODBфирмы Hewlett-Packard, которая может выполнять

роль шлюза, поддерживает только на высоком уровне).

Гибридные СУБД. Еще одним решением может стать создание гибридных

объектно-реляционных СУБД,которые могут хранить и традиционные табличные данные,

и объекты. Многие аналитики считают, что будущее за такими гибридными БД.

Ведущие поставщикиреляционных СУБД начинают (или планируют) добавлять к своим

продуктам объектно-ориентированные средства. В частности, Sybase и Informix

собираются в следующих версияхСУБД ввести поддержку объектов. Подобные

разработки намерены вести и независимые фирмы. Например, компания Shores

готовится оснастить объектно-ориентированными средствамиСУБД Oracle8, выпуск

которой намечен на конец 1996 г.

С другой стороны, производители объектных СУБД, такие как компания Object

Design,сознают, что объектно-ориентированные базы данных в обозримом будущем не

заменят реляционные СУБД. Это вынуждает их создавать шлюзы для

поддержкиреляционных и иерархических баз данных иди различного рода интерфейсы,

характерным примером которых является объектно-реляционный интерфейс Ontos

Integration Server фирмы Ontos, применяемый всочетании с ее ООБД Ontos/DB.

5. Объектно-ориентированные базы данных.

5.1Why ODBMS?

“Белыми книгами” с названием, вынесенным в заголовок, с избытком снабдит любая

компания, занимающаяся объектными базами данных. Кое-чтоо преимуществах и

недостатках объектно-ориентированных СУБД уже упоминалось выше, подведем в таком

случае итог.

Объектно-ориентированные базы данных применяются с конца 1980-х для обеспечения

управления базами данных приложениями, построенными всоответствии с концепцией

объектно-ориентированного программирования. Объектная технология расширяет

традиционную методику разработки приложений новыммоделированием данных и

методами программирования. Для повторного использования кода и улучшения

сохранности целостности данных в объектном программированииданные и код для их

обработки организованы в объекты. Таким образом, практически полностью снимаются

ограничения на типы данных.

Если данные состоят из коротких, простых полей фиксированной длины (имя, адрес,

баланс банковского счета), то лучшим решением будетприменение реляционной базы

данных. Если, однако, данные содержат вложенную структуру, динамически

изменяемый размер, определяемые пользователемпроизвольные структуры

(мультимедиа, например), представление их в табличной форме будет, как минимум,

непростым. В то же время в ООСУБД каждая определеннаяпользова­телем структура –

это объект, непосредственно управляемый базой данных.

В РСУБД связи управляются пользователем, создающим внешние ключи. Затем для

обнаружения связей динамически во время выполнения системапросматривает две (или

больше) таблицы, сравнивая внешние ключи до достижения соответствия. Этот

процесс, называемый объединением (join), является слабой сторонойреляционной

технологии. Более двух или трех уровней объединений – сигнал, чтобы искать

лучшее решение. В ООСУБД пользователь просто объявляет связь, и

СУБДавтоматически генерирует методы управления, динамически создавая, удаляя и

пересекая связи. Ссылки при этом прямые, нет необходимости в просмотре

исравнении или даже поиске индекса, который может сильно сказаться на

производительности. Таким образом, применение объектной модели

предпочтительнеедля баз данных с большим количеством сложных связей:

перекрестных ссылок, ссылок, связывающих несколько объектов с несколькими

(many-to-many relationships)двунаправленными ссылками.

В отличие от реляционных, ООСУБД полностью поддерживают объектно-ориентированные

языки программирования. Разработчики, применяющие С++или Smalltalk, имеют дело с

одним набором правил (позволяющих использовать такие преимуществаобъектной

технологии, как наследование, инкапсуляция и полиморфизм). Разработчик не должен

прибегать к трансляцииобъектной модели в реляционную и обратно. Прикладные

программы обращаются и функционируют с объектами, сохраненными в базе данных,

которая используетстандартную объектно-ориентированную семантику языка и

операции. Напротив, реляционная база данных требует, чтобы разработчик

транслировал объектнуюмодель к поддерживаемой модели данных и включил

подпрограммы, чтобы обеспечить это отображение во время выполнения. Следствием

являются дополнительные усилияпри разработке и уменьшение эффективности.

И, наконец, ООСУБД подходят (опять же без трансляций между объектной и

реляционной моделями) для организации распределенных вычислений.Традиционные

базы данных (в том числе и реляционные и некоторые объектные) построены вокруг

центрального сервера, выполняющего все операции над базой. Посуществу, эта

модель мало отличается от мэйнфреймовой организации 60‑х годов с центральной ЭВМ

– мэйнфреймом (mainframe), выполняющей все вычисления, и пассивных

терминалов.Такая архитектура имеет ряд недостатков, главным из которых является

вопрос масштабируемости. В настоящее время рабочие станции (клиенты)

имеютвычислительную мощность порядка 30 ‑ 50 % мощности сервера базы данных, то

есть большая часть вычислительных ресурсов распределена среди клиентов.Поэтому

все больше приложений, и в первую очередь базы данных и средства принятия

решений, работают в распределенных средах, в которых объекты(объектные

программные компоненты) распределены по многим рабочим станциям и серверам и где

любой пользователь может получить доступ к любому объекту.Благодаря стандартам

межкомпонентного взаимодействия (об этом позже) все эти фрагменты кода

комбинируются друг с другом независимо от аппаратного,программного обеспечения,

операционных систем, сетей, компиляторов, языков программирования, различных

средств организации запросов и формирования отчетови динамически изменяются при

манипулировании объектами без потери работоспособности.

5.2 Спорныемоменты технологии.

Все ООСУБД по определению поддерживают сохранение и разделение объектов. Но,

когда дело доходит до практической разработкиприложений на разных ООСУБД,

проявляется множество отличий в реализации поддержки трех характеристик:

  Целостность;

  Масштабируемость;

  Отказоустойчивость.

Отметим, что ООБД не требуют многих из тех внутренних функций и механизмов,

которые столь привычны и необходимы в реляционных БД.Например, при небольшом

числе пользователей, длинных транзакциях и незначительной загрузке сервера

объектные СУБД не нуждаются в поддержке сложных механизмоврезервного

копирования/восстановления (исторически сложилось так, что первые ООБД

проектировались для поддержки небольших рабочих групп – порядка десятичеловек –

и не были приспособлены для обслуживания сотен пользователей). Тем не менее

технология БД определенно созрела для крупных проектов.

Дляиллюстрации первой категории рассмотрим механизм кэширования объектов.

Большинство объектных СУБД помещают код приложения непосредственно в то

жеадресное пространство,  где работает сама СУБД. Благодаря этому достигается

повышение производительности часто в 10‑100раз по сравнению с раздельными

адресными пространствами. Но при такой модели объект с ошибкой может повредить

объекты и разрушить базу данных.

Существуют два подхода к организации реакции СУБД для предотвращения потери

данных.Большинство систем передают приложению указатели на объекты, и рано или

поздно такие указатели обязательно становятся неверными. Так, они всегда

неправильныпосле перехода объекта к другому пользователю (например, после

перемещения на другой сервер). Если программист, разрабатывающий приложение,

пунктуален, тоошибки не возникает. Если же приложение попытается применить

указатель в неподходящий для этого момент, то в лучшем случае произойдет крах

системы, вхудшем – будет утеряна информация в середине другого объекта и

нарушится целостность базы данных.

Есть метод, лучший, чем использование прямых указателей (Рисунок 3). СУБД

добавляетдополнительный указатель и при необходимости, если объект перемещается,

система может автоматически разрешить ситуацию (перезагрузить, если это

необходимо,объект) без возникновения конфликтной ситуации.

Существует еще одна причина для применения косвенной адресации: благодаря этому

можноотслеживать частоту вызовов объектов для организации эффективного механизма

свопинга.

Это необходимо для реализации уже второго необходимого свойства баз данных –

масштабируемости. Опять следует упомянуть организациюраспределенных компонентов.

Классическая схема клиент-сервер, где основная нагрузка приходится на клиента

(такая архитектура называется еще “толстыйклиент-тонкий сервер”), лучше

справляется с этой задачей, чем мэйнфреймовая структура, однако ее все равно

нельзя масштабировать до уровня предприятия.Благодаря многозвенной архитектуре

клиент-сервер (N-Tier architecture) происходит равномерноераспределение

вычислительной нагрузки между сервером и конечным пользователем. Нагрузка

распределяется по трем и более звеньям, обеспечивающим

дополнительнуювычислительную мощность. К чему же еще ведет такая практика?

“Архитектура клиент-сервер, еще совсем недавно считавшаяся сложной средой,

постепеннопревратилась в исключительно сложную среду. Почему? Благодаря

ускоренному переходу к использованию систем клиент-сервер нескольких звеньев”

(PCMagazine).Разработчикам приходится расплачиваться дополнительными

сложностями, большими затратами времени и множеством проблем, связанных с

интеграцией. Оставимочередное упоминание распределенных компонентов на этой не

лишенной оптимизма ноте.

       Рисунок 3 Прямая и косвенная адресации.

Третье необходимое качество базы данных – это отказоустойчивость. Именно это

свойство отличает программныйпродукт от “прилады”. Существуют несколько способов

обеспечения отказоустойчивости:

  резервное копирование и восстановление;

  распределение компонентов;

  независимость компонентов;

  копирование.

Руководствуясь первым принципом, программист определяет потенциально опасные

участки кода и вставляетв программу некоторые действия, соответствующие началу

транзакции – сохранение информации, необходимой для восстановления после сбоя, и

окончанию транзакции –восстановление или, в случае невозможности, принятие

каких-то других мер, например, отправка сообщения администратору. В современных

СУБД этот механизмобеспечивает восстановление в случае возникновения практически

любой ошибки системы, приложения или компьютера, хотя, конечно, нельзя говорить

об идеальнойзащите от сбоев.

В мэйнфреймовой архитектуре единственным источником сбоев была центральная ЭВМ.

При переходе к распределенной многозвенной организацииошибки могут вызывать не

только компьютеры, включенные в сеть, но и коммуникационные каналы. В

многозвенной архитектуре при сбое одного из звеньевбез специальных мер

результаты работы других окажутся бесполезными. Поэтому при разработке

Страницы: 1, 2