Реферат: Объектно-ориентированная СУБД (прототип)

Реферат: Объектно-ориентированная СУБД (прототип)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

Кафедра Автоматизации и Интеллектуализации Процессов Управления

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К дипломной работе

На тему: «Разработка прототипа системы управления
объектно-ориентированной базой данных»

Студент Юдин Илья Викторович

Руководитель дипломной работы: Нечаев Анатолий Михайлович

Специальная часть: Титов Виктор Иванович

М О С К В А

1 9 9 9

Содержание

1. Введение............................................................................................................................................ 3

1.1 Причины появления объектно-ориентированных баз данных.................................................. 3

1.2 Подходы в разработке ООБД.......................................................................................................... 4

1.3 Краткий сравнительный анализ постреляционных и традиционных баз данных................. 5

1.4 Основания дипломной работы...................................................................................................... 5

1.5 Анализ полученного результата................................................................................................... 7

2. Уточнение методов решения задачи.............................................................................. 8

2.1 Наследование................................................................................................................................... 8

2.2 Инкапсуляция................................................................................................................................ 10

2.3 Идентификатор объекта................................................................................................................ 11

2.4 Идентификатор поля агрегата..................................................................................................... 13

2.5 Триггеры. Ограничение доступа.................................................................................................. 13

2.6 Действие (knowhow)...................................................................................................................... 14

2.7 Объекты-поведения....................................................................................................................... 14

2.8 Принципы взаимодействия объектов......................................................................................... 14

2.9 Транзакции и механизм согласованного управления............................................................ 17

3. Разработка структуры СУ...................................................................................................... 18

3.1 Положение дел в области интероперабельности систем.......................................................... 18

3.2 Менеджер памяти........................................................................................................................... 20

3.3 Виртуальная память и каналы.................................................................................................... 20

3.4 Система управления кэшированием объектов......................................................................... 21

3.5 Система управления журнализацией и восстановлением...................................................... 23

3.6 Принципы реализации механизма согласованного управления.......................................... 24

4. Представление данных в ООБД.......................................................................................... 28

4.1 Базовые объекты системы............................................................................................................ 28

4.2 Строение объекта........................................................................................................................... 28

4.3 Контекст транзакции..................................................................................................................... 30

5. Описание операций над объектами в БД................................................................... 31

6. Требования к техническим и программным средствам.................................. 33

7. Реализация прототипа.......................................................................................................... 34

7.1 Построитель.................................................................................................................................... 34

7.2 Заголовочный модуль для каналов............................................................................................ 34

7.3 Менеджер виртуальной памяти................................................................................................... 35

7.4 Система управления хранением объектов................................................................................. 38

7.5 Система управления каналами................................................................................................... 39

7.6 Работа с базовыми объектами..................................................................................................... 40

7.7 Выполнение действий................................................................................................................... 42

7.8 Кэширование объектов................................................................................................................. 42

8. Контрольный пример, демонстрирующий возможности технологии.. 44

9. Оценка трудоемкости разработки ПО с использованием традиционного и предлагаемого подходов........................................................................................................ 45

9.1 Табличные базы данных с низкоуровневыми операциями доступа...................................... 45

9.2 Реляционные базы данных........................................................................................................... 45

9.3 Объектно-ориентированные базы данных................................................................................. 46

9.4 Будущее применения различных баз данных............................................................................ 46

10. Литература................................................................................................................................... 47

1.1    Причины появления

объектно-ориентированных баз данных

Развитие вычислительной техники и увеличение объемов хра­нимой информации привело к необходимости выделения техноло­гии баз данных в отдельную науку. Как правило, базы данных хранили множество однотипных данных, предоставляя пользо­вателю сервис дос­тупа к нужной ему информации. На смену иерархическим и сете­вым базам данных пришли реляционные базы данных. Успех реля­ционных баз данных обусловлен их более простой архитектурой, на­личием ненавигационного языка запросов и, главное, ясностью ма­те­матики реляционной алгебры.

На этапе зарождения технологии баз данных при построении какой-либо базы данных строилась физическая модель. С накоп­лени­ем опыта стало понятно, что нужен переход к даталогической модели, ко­торая позволяет абстрагироваться от конкретной СУБД. Появилось поня­тие схемы базы данных, описывающей организацию данных в СУБД. Программы стали работать с базой данных не напрямую, а через схему БД. Такой подход обеспечил возможность менять струк­туру БД без необходимости изменять логику программ. Появление и стандартизация SQL предоставила единый интерфейс для работы с данными. Иерархическая и сетевая модели баз данных стали применяться крайне редко. Это было вызвано, прежде всего, труд­ностью модификации схем иерар­хических и сетевых баз данных и силь­но зависящей от приложений навигацией в этих базах данных.

Далее, развитие объектно-ориенти­рован­ного анализа и объ­ектно-ориентированного про­ек­ти­­ро­ва­ния как эффектив­ных под­ходов для формализации пред­мет­ной об­лас­ти, при­ве­ло к появ­ле­нию инфо­ло­ги­ческой модели пред­мет­ной об­ласти. Теперь, при разработке базы дан­­ных составлялось три модели пред­став­ле­ния информации пред­метной области: инфо­логическая, да­­та­логическая и физическая, не счи­­тая локальных пользовательских пред­став­лений.

Рис 1: Этапы проектирования БД

Поскольку физи­ческая модель требовала привлечения эксперта в области конкретной СУБД для получения эффективного размещения дан­ных, физическая модель стала строиться самой СУБД из схемы БД, вводимой поль­зователем на основе дата­логической модели предметной области. Затем появились CASE-средства, позволяющие создавать инфо­логи­ческую модель предметной области и транслирующие ее в дата­логи­ческую модель.

Казалось бы, что цель достигнута, – проектировщик работает толь­ко с инфо­логи­ческой моделью, но на самом деле, до тех пор, пока работа происходит с реля­ционной базой данных, существует разрыв меж­ду языком программирования (логикой поль­зователя) и языком описания данных (представлением данных), который преодо­левать дол­жен прог­рам­мист. Суть разрыва можно сформулировать так: воз­мож­ности ра­бо­ты с данными программы и с данными СУБД должны быть оди­наковы.

В конце 80-х – начале 90-х годов массовое внедрение персо­наль­ных компьютеров привело к развитию мультимедиа-технологий и на­столь­ных САПР, структуры данных в которых слишком сложны для про­цедур­ного программирования или же необычны (нап­ример, звук). Это, а также то, что объектно-ориентированное программирование позво­ляет су­щест­венно снизить сложность разработки и обеспечить адекватное пред­став­ле­нию моделирование предметной области, при­вело к тому, что в области языков програм­мирования произошло сли­яние стилей языков вы­сокого уровня. Доминирующим под­ходом стало внедрение в них технологий объектно-ориентированного прог­рам­ми­рова­ния. Не остались в стороне и языки, встроенные в СУБД. В качестве примера выше­изло­женного можно привести  продукт Visual FoxPro фирмы Microsoft. Эта СУБД обла­дает объектно-ориен­тированным языком прог­рам­ми­ро­вания, но, по сути, является реля­цион­ной СУБД, поскольку хранимые дан­ные представлены в виде таб­лиц, а таблицы пред­ставляют собой мно­жество кортежей, которые содер­жат атомарные значения. Такое несо­­ответствие и привело к буму в области разработки постреляционных баз данных.

Сложившаяся ситуация хотя чем-то и напоминает время перехода к реляционным базам данных, однако во многом и отли­чается. Прежде всего, отсутствует мате­мати­чес­кая модель, кото­рая бы­ла бы однозначно признана всеми ведущими разра­ботчиками пост­ре­ляционных СУБД. Нет документа, который одноз­начно опре­делил бы требования к таким СУБД. И, наконец, нет самой системы, которая считалась бы эталоном для других систем, как это было с СУБД System-R фирмы IBM.

Одним из основных критериев выбора СУБД всегда была произ­водительность. Одна­ко, несмотря на то, что объектно-ориентированные базы данных существуют уже около 10 лет, стандартных тестов на про­из­водительность пока нет. Тому есть несколько причин: отсутствие стандартного языка запросов, канонических приложений, разница в архи­тектуре и т.д.

Что же есть? Имеется многочисленный опыт разработок, нап­ри­мер Jasmine, POSTGRES, и других. Три документа, содержащих поже­ла­ния относительно возмож­ностей постреляционных СУБД : [3], [12] и [14].

1.2 Подходы в разработке ООБД

За время существования баз данных накоплено огромное количество инфор­мации. Разработано огромное количество приложе­ний для работы с базами данных. Это при­вело к появлению двух кон­ку­ри­рующих концепций архитектур постреляционных СУБД:

1. Объектно-реляционные базы данных

2. Объектно-ориентированные базы данных

Объектно-реляционные базы данных представляют собой реля­цион­ные базы дан­ных, дополненные надстройкой, пред­ставляющей эти дан­ные как объекты. Все по-прежнему хранится в ви­де таблиц. Этот под­ход позволяет плавно перейти от технологии хра­ни­лища таблиц к технологии хранилища объектов. Остается воз­можность выборки данных с помощью SQL-запросов. Сам SQL расширен командами работы с объ­ектами. Наиболее известным про­дуктом, в котором реализован подоб­ный подход является Oracle ver.8. Комитет ANSI X3H2, разработавший стан­дарт SQL–92, сейчас ра­бо­та­ет над SQL3. Основными усо­вер­шен­ство­ваниями в SQL3 должны стать возможность процедурного доступа на­равне с декларативным и под­держка объектов. Основным недос­тат­ком объ­ект­но-реляционных СУБД является необходимость разбирать объ­екты для размещения их в таблицах и собирать их для передачи поль­зователю из таблиц [2].

Объектно-ориентированные базы данных хранят объекты цели­ком. Для выборки объектов с помощью запросов разра­батывается язык OQL (Object Query Language), в который был вклю­чен стандарт SQL'92. Единство описания структуры БД достигается при­менением языка определения объектов ODL (Object Definition Language), пред­ло­женного ODMG (Object Database Management Group), являющегося расширением языка IDL. Эти виды баз данных обладают высокой произ­води­тель­но­стью, часто в несколько раз более высокой, чем реляционные базы дан­ных. Наиболее известными ООСУБД явля­ются Jasmine, ObjectStore и POET.

Из отечественных разработок в области пост­реляционных баз дан­ных достоверно извест­но лишь о существовании ООСУБД ODB-Jupiter. Похоже, она была написана специ­ально для создания продукта ODB-Text. По крайней мере, ни о каких других приложениях написанных на ODB-Jupiter ничего не известно. Также в Internet было обнаружено опи­сание некой отечественной объектно-ориентированной базы данных вер­сии 1.2. Точнее, это был модуль, предоставляющий функции объектно-ориен­ти­ро­ван­ной СУБД. Доку­мент даже не имел названия. В нем деталь­но рассматривалась орга­низа­ция хранения данных и принцип работы. Похоже, разработка обос­новывалась лишь на принципах, которым долж­на удовлетворять СУООБД. Наиболее интересная идея: назначение строкам уникальных идентификаторов и удаление строк только при упаковке базы. Это дает существенный выигрыш в сравнении строк, так как объекты-строки с одинаковым содержанием имеют одинаковые идентификаторы.

1.3    Краткий сравнительный анализ постреляционных и традиционных баз данных

Постреляционные базы данных вобрали в себя все лучшие черты иерархических, сетевых и реляционных баз данных.

Хотя существуют некоторые сходства, как, например, исполь­зование указателей и вложенная структура записей в сетевой модели. Однако надо отметить, что СУООБД используют логические указатели для обеспечения целостности, а также поддерживают иерархию классов, наследование и методы. Таких средств нет в иерархических и сете­вых моделях [4].

Реляционные СУБД, идеально соответствующие своему назна­чению в тради­ци­он­ных областях применения баз данных, — банков­ское дело, системы резервирования и т.д. — в данном случае ока­зыва­ются неудобными и неэффективными по многим при­чи­нам. Основ­ное требо­вание реляционной модели — нормализация — в слу­чае слож­но­структурированных данных с многочисленными взаимо­связями приво­дит к сложным запросам с соединением таблиц. То есть к тому, к чему реляционные СУБД не при­спо­соблены, поскольку не могут обеспечить высокую производительность, требуемую интер­ак­тив­ным системам.

Производительность реляционных СУБД в таких случаях может усту­пать СУООБД во много раз. Кроме того, приложения разви­ваются, и число таблиц увеличивается. Небольшое изменение в орга­низации дан­ных может привести к необходимости изменить исходные тексты прог­раммы. При этом вносятся дополнительные ошибки. Объ­ектно-ори­ен­ти­рованные языки БД позволяют достичь того же результата локальными изме­нениями в свойствах и методах интересующих объ­ектов. Кроме того, методы работы с объектами хранятся в базе вместе с объектами.

1.4 Основания дипломной работы

В отношении избранных математических моделей

Значительная часть этой дипломной работы основывается на двух мате­мати­чес­ких моделях.

Модель единого представления данных поведений
и сообщений в объектно-ориентированной базе данных

Модель [17] замечательна тем, что не только описывает что пред­став­ляют из себя объекты и как они взаимодействуют между собой, но и является замкнутой, само­доста­точной. Она позволяет описать качест­венно новый вид взаимодействия в объектно-ори­ен­ти­ро­ван­ной сис­теме: алгебру объ­ектов. Эта алгебра является по своей сущности и важ­ности аналогом реля­ционной алгебры в теории реляционных баз дан­ных. В этой алгебре объ­ектов определяется что представляют из себя такие операции, как селекция, проекция и другие хорошо из­вест­ные из теории реляционных баз данных операции. Таким обра­зом, эта модель объединяет два спо­соба получения информации: по­сыл­ка сообщения объекту (что типично для объектно-ори­енти­рован­ного программирования) и выполнение за­проса над совокупностью хранимых данных (что типично для реля­ционных баз данных).

Модель согласованного управления в объектно-ориентированной базе данных

Эта модель [19] также оказала значительное влияние на данную работу, поскольку  дополнила собой модель представления данных. Ни одна современная система управ­ления базой данных не может обойтись без подсистемы транзакций. Природа тран­зак­ций в таких при­ложениях, как CAD, мультимедийные базы данных, является весь­ма раз­лич­ной. Эти приложения характеризуются совместно выпол­ня­емыми продол­житель­ными транзакциями с произвольными опера­ци­ями. У продолжительных поль­зова­тель­ских транзакций время выпол­не­ния может быть растянуто на часы, а то и дни. Это усло­вие при­водит к тому, что хорошо извест­ный, и ставший уже классическим для тра­ди­ци­он­ных баз данных, кри­те­рий сериализуемости становится непри­меним непосредственно.

О са­мом критерии сериализуемости и спо­собах реализации меха­низ­ма транзакций достаточно подробно из­ло­жено в [9] и [22].

Механизм согласованного управления позволяет повысить про­из­водительность СУООБД за счет составления расписания выпол­не­ния тран­закций, в том числе продол­жи­тельных, предоставляет тран­закциям использовать промежуточные результаты дру­гих транзакций, учитывает объектную ориентированность данных и допускает обоб­ще­ние операций (не только чтение и запись).

Другие работы, также повлиявшие на организацию структуры системы управления

В статье [20] излагается довольно интересная точка зрения на сос­тояние объектно-ориентированного программирования, а также рас­ска­зывается о применении несколько отличного от традиций объ­ект­но-ориентированного программирования подхода. В част­ности, насле­до­ва­ние реализуется с помощью механизмов включения и деле­гиро­вания. Это позволяет решить проблему множественного насле­дова­ния. Вводит­ся поня­тие филь­тров, представляющих собой продукции, кото­рые могут обрабатывать входя­щие сооб­ще­ния и даже пере­нап­рав­лять их на другие объ­екты, сохраняя в теле этих со­обще­ний ссыл­ку на перво­на­чаль­ный объ­ект, к которому было послано сообщение. При­чем, фильтры мо­гут реа­гировать не только на входящие, но и на исхо­дящие от объекта сообщения.

Принципы журнализации заимствованы из системы POSTGRES [23] и [15].

Принципы кэширования взяты из [1].

В отношении языка реализации

Было решено реализовывать прототип СУООБД на ДССП. ДССП – диалоговая система структурного программирования – была разра­ботана в 1980 году Н.П.Брусенцовым в МГУ [5]. Система имеет под собой теоре­ти­ческое обоснование. Принцип ДССП «Слово есть слово», т.е. одно слово программы соответствует одному слову кода. Принципы управляющих конструкций наследуются от троичной вычислительной машины Сетунь-70, имевшей память на магнитных сердечниках. Словарь и обозначения – от языка Ч.Мура Forth. ДССП превосходит Forth по многим параметрам. Язык ДССП обладает существенно более низ­кой, чем язык ассемблера трудоемкостью в прог­рам­­ми­ро­ва­нии, не усту­пая ему в компактности кода и быстродействии, позво­ляет про­верять работу подпрограмм в интерактивном режиме и имеет возможность моди­фи­кации прог­рамм практически без внесения из­ме­нений в осталь­ные части ко­да.

Основные черты ДССП:

·     Двухстековая архитектура

·     Обратная польская запись

·     Словари

·     Поддержка нисходящего программирования

·     Встроенный отладчик с рекомпиляцией

·     Высокоуровневые структуры данных и операции

·     Высокоуровневый механизм программных прерываний и исключительных ситуаций

·     Компактный код

·     Гибкость, мобильность, наращиваемость

·     Наличие сопрограммного механизма

К сожалению, при всех этих достоинствах, ДССП на данный мо­мент является только системой программирования. Она не предос­тав­ляет сервис СУБД и не взаи­мо­действует ни с одной СУБД. Данная рабо­та направлена на то, чтобы обеспечить ДССП воз­можность обра­батывать данные в качестве СУБД, создав тем самым дешевый (Jasmine стоит порядка $15000), но эффективный инструмент, спо­соб­ный работать даже в самых непритязательных условиях, которые так часто встре­чаются сейчас в России. Разработка не ограничивается расширением ДССП и способна работать в ка­честве сервера ООБД на файл-сервере ЛВС.

1.5 Анализ полученного результата

В результате проделанной работы изучена литература по организации реля­цион­ных баз данных, подходы к организации объектно-ориентированных баз данных. Были отобраны математические модели, на основании которых была определена архитектура базы данных и принципы ее функционирования. Программно реализованы подсистемы управления виртуальной памятью и кэширования объектов. Сама работа носит исследо­вательский характер, являясь шагом от чистой теории к идеям реализации ООБД. Обширность тематики не позволила проработать детально все вопросы, касающиеся организации ООБД. В частности, очень мало места уделено средствам повышения производительности поиска в БД (индексирование). Тем не менее, некоторые найденные решений, на мой взгляд, являются весьма перспективными. Это касается организации виртуальной памяти, позволяющей организовать произвольную степень вложенности данных, и механизма кэширования, которые подробно рассматриваются в работе.

В виде программного кода реализовано:

·     Создание, открытие ООБД

·     Менеджер виртуальной памяти

·     Система управления каналами

·     Система управления кэшированием объектов

·     Создание основных объектов

·     Клонирование объектов

·     Переопределение поведений и действий

·     Изменение данных в объектах

·     Журнализация изменений в объектах

·     Выполнение действий (knowhow)

2.1 Наследование

Наследование является мощным средством моделирования (поскольку кратко и точно описывает мир) и  помогает программисту разрабатывать новые версии классов и методов, не опасаясь повредить работающую систему. Наследование способствует повторному использованию кода, потому что каждая программа находится на том уровне, на котором ее может использовать наибольшее число объектов.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5