Реферат: Объектно-ориентированная СУБД (прототип)

Совокупности свойств объекта в объектно-ориентированной базе данных уделя­ет­ся большее внимание, чем во многих объектно-ориентированных языках прог­рам­миро­ва­ния, поскольку они являются также целью запросов. Объект=состояние+поведение. Чаще всего существует только одна иерархия наследования. Этот подход перешел и в C++. Однако, возможно разделение иерархий наследования данных и наследования по­ве­де­ний. Не всегда желательно иметь точно такую же иерархию наследования пове­де­ния, как и иерархию наследования свойств. Разделение этих двух иерархий повышает возможности переиспользования (reuse) поведений.

Значение переиспользования поведений

Предположим, мы имеем класс Студент и  хотим создать класс Аспирант. Чтобы стать аспирантом, человек должен сначала получить высшее образование как студент. В общем случае экземпляры этих классов различны. Мы не можем наследовать Аспирант от Студент, т.к. аспирант не является студентом. В противном случае, мы имели бы право рассматривать аспиранта как экземпляр класса Аспирант и, с тем же правом, как экземпляр класса студент. Тем не менее, оба класса обладают общими атрибутами, таки­ми как: имя, адрес, номер_личной_карточки, а также большинством общих пове­де­ний. Это обстоятельство побуждает создать класс Аспирант, унаследовав свойства и по­веде­ния Студента. Однако, хотя экземпляры класса Аспирант будут подмножеством всех экземпляров класса Студент (т.к. все аспиранты были студентами, но не все студенты стали аспирантами), это представление будет некорректно с точки зрения моде­лиро­вания ситуации в реальном мире.

На рисунке представлено дерево наследования:

Рис. 2: Диаграмма наследования

Свойства классов Студент и Аспирант наследуются от класса Учащийся.

Поведение класса Аспирант наследуется от Студент. Обычно подкласс наследует все атрибуты и методы из суперклассов. В приложении к наследованию поведений это означает, что класс-ученик (demandclass) состоит в отношении Переиспользовать-от (Reuse-Of)  с другим классом, называемым классом-учителем (supplyclass), и класс-ученик должен наследовать все поведения от класса-учителя.

Эталоны наследования: классы или прототипы?

В системе отсутствуют классы и типы. Роль класса может брать на себя любой объект, называемый объектом-образцом. Такой вид наследования называется насле­до­ванием на основе прототипов.

Как правило, системы с наследованием на основе прототипов концептуально более просты по сравнению с системами на основе классов. Порождение экземпляра дости­гает­ся копированием объекта-образца. Копия получает от системы уникальный иденти­фикатор, отличный от идентификатора любого другого объекта в системе.

Независимо от модели наследования (классы или прототипы) существует две раз­личные стратегии реализации механизма наследования: делегирование и конкате­нация.

Способ наследования: делегирование или конкатенация?

Делегирование представляет собой такую форму наследования, в которой объединение интерфейсов реализовано посредством разделения родительских интер­фей­сов, т.е. с использованием ссылок. Конкатенация достигает аналогичного эффекта посредством копирования родительских интерфейсов в интерфейс порож­даемого класса или объекта, – как результат, полученный интерфейс является непре­рывным. В любом случае дочерний объект способен отвечать как на сообщения, опреде­ленные в роди­тельских интерфейсах, так и на сообщения, добавленные к интерфейсу объекта. При делегировании те сообщения, которые не могут быть обработаны объектом, должны быть направлены родителям. При конкатенации каждый объект является самодостаточным, и необходимость перенаправления сообщений отсутствует. Введение идентификаторов полей позволяет распространить подходы делегирования и конкатенации и на агре­гатные объекты.

И конкатенация, и делегирование имеют свои достоинства и недостатки. Делеги­рование обеспечивает возможность гибкого распространения изменений: любое измене­ние свойств родителя автоматически отражается на потомках. Подход, использующий конкатенацию, допускает изменение свойств родителей и потомков независимо друг от друга, что также может быть полезно во многих ситуациях. Делегирование обычно тре­бует меньших затрат по памяти, в то время как конкатенация является более эффек­тивной по времени. Simula и C++ являются примерами языков, которые реализуют на­следование на основе классов с использованием делегирования. В Smalltalk реализовано наследование на основе прототипов с использованием делегирования.

Обоснование избранного механизма наследования

Было решено использовать в дипломной работе механизм наследования на основе прототипов с использованием конкатенации, как для состояний, так и для поведений, поскольку для СУБД критично именно время выполнения операций. Разделение наследо­ваний состояния и поведения позволяет уменьшить объем хранимой в каждом объекте информации. В объект помещается ссылка на объект, хранящий его интерфейс (т.е. поведение). Таким образом, интерфейсы многих объектов с одинаковым поведением могут быть сосредоточены в одном месте. Наследование на основе прототипов позволяет управлять конфигурацией объектов-образцов и обеспечивает единство представления данных. Т.е. результатом запроса к базе данных может быть список используемых мето­дов, их аргументы и другая информация, которая в системе с наследованием на основе классов скрыта в классах. Создание экземпляра через копирование снимает необхо­ди­мость введения конструктора по умолчанию, поскольку содержимое копируемого объек­та и задает начальные значения.

Система поддерживает множественное наследование. Необходимость множест­венного наследования остается предметом горячих споров. Практика говорит о том, что «множественное наследование играет роль парашюта: в нем нет постоянной необхо­димости, но если он вдруг понадобился, то большое счастье иметь его под рукой» [8].

Определение родства

Остается важный вопрос: как определить, является ли объект потомком другого объекта? Разделение наследований состояния и поведения приводит к тому, что слово «потомок объекта» обретает двойственное значение. С одной стороны, это потомок по данным, с другой стороны, это потомок по поведению.

На самом деле, в чистой объектно-ориентированной системе данные объектов  надежно защищены от вмешательства пользователя через механизм инкапсуляции. Доступ к данным производится через методы. Таким образом, родство объектов следует определять исключительно через их интерфейсы. В системе на основе классов обычно строится дерево наследования.  В системе на основе прототипов с конкатенацией опре­деление родства достигается за счет операций пересечения интерфейсов. Поведение объекта составляют методы, хранящиеся в объекте-множестве, а значит для опреде­ления родства необходимо выполнить операцию пересечения множеств. Если получив­шийся в результате пересечения интерфейс совпадает с интерфейсом одного из двух сравниваемых объектов, то другой объект – его потомок.  Фактически, это алгоритм оп­ределения общего предка двух объектов. Использование множеств для хранения интер­фейсов позволяет взглянуть на операцию наследования конкатенацией как на операцию слияния множеств.

2.2 Инкапсуляция

Идея инкапсуляции в языках программирования происходит от абстрактных типов данных. С этой точки зрения объект делится на интерфейсную часть и реализа­ционную часть. Интерфейсная часть является спецификацией набора допустимых над объектом операций. Только эта часть объекта видима. Реализационная часть состоит из части данных (состояние объекта) и процедурной части (реализация операций).

Интерпретация этого принципа для баз данных состоит в том, что объект инкапсулирует и программу и данные.

Рассмотрим, например, объект Служащий. В реляционной системе служащий представляется кортежем. Запрос к нему осуществляется с помощью реляционного язы­ка, а прикладной программист пишет программы для изменения этой записи, например повышение зарплаты служащего или прием на работу. Такие программы обычно пишутся либо на императивном языке программирования с включением в него опера­торов языка манипулирования данными или на языке четвертого поколения и хранятся в обычной файловой системе, а не в базе данных. Таким образом, при таком подходе имеются кардинальные различия между программой и данными, а также между языком запросов (для незапланированных запросов) и языком программирования (для приклад­ных программ).

В объектно-ориентированной системе служащий определяется как объект, который состоит из части данных (очень даже вероятно, что эта часть практически совпадает с записью, определенной для реляционной системы) и части операций (эта часть состоит из операций повышения зарплаты и приема на работу и других операций для доступа к данным сотрудника). При хранении набора сотрудников, как данные, так и операции хранятся в базе данных. Таким образом, имеется единая модель данных и операций, и информация может быть скрыта. Никакие иные операции, кроме указан­ных в интерфейсе, не выполняются. Это ограничение справедливо как для операций изменения, так и для операций выборки.

Инкапсуляция обеспечивает что-то вроде “логической независимости данных”: мы можем изменить реализацию типа, не меняя каких-либо программ, использующих этот тип. Таким образом, прикладные программы защищены от реализационных изменений на нижних слоях системы.

Здесь уместно вспомнить о “проблеме 2000 года”, возникшей из-за того, что в СУБД отводилось всего два разряда на год даты. Чтобы исправить возникающую ошиб­ку, нужно пересмотреть заново весь код приложения! В ООБД для решения анало­гичной проблемы требуется исправление небольшого количества методов, работающих с данными даты.

2.3 Идентификатор объекта

Назначение идентификатора

Объекты в БД обладают индивидуальностью. Даже при изменении структуры и поведения объекта, его индивидуальность сохраняется. Два объекта в системе отлича­ются своими идентификаторами. Идентификатор является характеристикой индиви­дуальности. Понятие индивидуальности ново для реляционных баз данных. В чисто реляционной БД все кортежи в пределах одной таблицы отличаются между собой. Характеристика различия – первичный ключ. Многие современные реляционные базы данных допускают существование в пределах одной таблицы одинаковых кортежей. И потребность в этом есть, иначе не было бы квалификатора DISTINCT в операторе SQL SELECT.

Идентификатор объекта в БД позволяет различить между собой два одинаковых по значению объекта. Фактически, он играет роль дескриптора адреса объекта. Таким образом, пользователь работает с объектом не через его адрес, а через его иденти­фи­катор.

Строение идентификатора

В современных ООБД для ускорения доступа к объектам идентификаторы наде­ляются составной структурой.

Имеются два основных подхода для идентификации объектов:

·     Составной адрес (Structured address)

·     Заменитель (Surrogate)

Составной адрес состоит из физической части (сегмента и номера страницы) и логической части (внутристраничный индекс), которые являются масками фикси­ро­ван­ной длины и, соединяясь, дают идентификатор. Составные адреса более популярны в современных ООБД как более эффективные: за один дисковый доступ можно получить адрес объекта. Использование составного адреса как идентификаторов приводит к зави­симости от организации физического хранения. Это приводит к трудностям при пере­мещении данных для хранения на другое устройство.

Заменитель – чисто логический идентификатор, генерируемый по некоторому алгоритму, который гарантирует уникальность.  В заменителях, индекс (также называет­ся директорией объекта), часто используется для отображения идентификаторов в рас­положение объектов. Эффективность операций с базой данных во многом определяется скоростью доступа к одиночному объекту. Часто объекты связаны между собой и доступ к одному объекту происходит через доступ к другому. Например, через объект-список происходит доступ к его элементам. Во многих случаях создание объекта (например, глубоким копированием) приводит к каскадному созданию других объектов, состав­ляющих его содержимое. Использование кластеризации помогает организации быстрого доступа к группе связанных объектов. Кроме того, размещение объектов в одной области дискового пространства также увеличивает быстродействие.

В работе [16] описан подход к построению идентификаторов-заменителей. Иденти­фикатор состоит из двух частей: кода кластера и номера в последовательности. Такой подход основывается на следующих трех принципах:

1)   Идентификатор объекта должен содержать информацию о кластере, который группирует совместно используемые объекты

2)   Должны быть допустимы произвольные размеры кластеров

3)   Идентификаторы объектов должны подчиняться достаточно однообразному представлению, чтобы они могли выступать в качестве псевдоключей динамического хеширования.

Есть три признака, по которым СУБД могут принимать решение о месте размещения объектов:

1)   Правила, заданные в схеме БД

2)   Указание пользователя

3)   Статистика доступа

В дипломной работе, несмотря на заманчивость идеи кластеризации, принят тривиальный подход: идентификатор нового объекта – это значение максимального идентификатора, использующийся в системе, плюс один. Объекты также хранятся не в виде кластеров и не вкладываются друг в друга. Хотя система управления памятью позволяет организовать и такой способ хранения.

Идентичность и эквивалентность

В ООБД при сравнении двух объектов между собой различают идентичность и эквивалентность объектов.

Определение идентичности

 Два объекта являются идентичными, если их идентификаторы совпадают. Поскольку в системе не может быть двух объектов с одинаковыми идентификаторами, это означает, что это один и тот же объект, на который ссылаются с двух разных мест. Идентичность обозначается так: o1 º o2.

Определение  N-эквивалентности

Пусть 0-эквивалентность (обозначается »0) то же самое, что проверка идентичности º. Тогда для любых двух объектов o1, o2ÎO, o1 и o2  n-эквивалентны (обозначается o1 »n o2) для  n > 0, если:

Существует атомарный объект c, такой, что значение(o1) = значение(o2) и их поведения идентичны;

Существует объект-агрегат c, такой, что FID каждого поля с присутствует в o1 и o2, а также верно обратное: FID каждого поля o1 (o2) присутствует в c,
значение(o1)=[A1 : x1, …, Am : xm] и значение(o2)=[A1 : y1, …, Am : ym], и при этом
xi  »n-1  yi для 1£ i £ n; или

Существует объект-условие c, такой, что значение(o1) = <x1,  x2,  x3> и значение(o2) = <y1,  y2,  y3> и xi  »n-1  yi для 1£ i £ 3; или

Существует объект-множество c, такой, что значение(o1) = {x1, …,  xl} и значение(o2) 
= {y1, …,  ym}  и  l = m  и  для каждого xi(yj) существует один yj(xi) : xi »n-1  yj для 1£ i,j £ l; или

Существует объект-список c, такой, что значение(o1) = (x1, …,  xl) и значение(o2) = (y1, …,  ym)  и  l = m  и  xi »n-1  yi для 1£ i £ l.

Два объекта называются эквивалентными (o1 » o2) тогда и только тогда, когда
o1 »n o2 для некоторого  n > 0.

2.4 Идентификатор поля агрегата

Введение идентификатора поля позволяет преодолеть трудность определения размещения данных полей агрегатов. Суть проблемы заключается в том, что если мы наследуем классы B и C от класса A, а затем наследуем множественно класс D от классов B и C, то экземпляр класса D одновременно является экземпляром классов A, B и C. При этом важно, чтобы "старый" класс (например, A) умел работать с объектами класса D. Эта проблема рассматривается в работе [10], в которой авторы вводят следующие ограничения целостности структуры объектов:

1. В БД не могут существовать отдельные собственные части подклассов

2. Каждой части сложного объекта должна соответствовать только одна собственная часть.

В качестве решения они предлагают использование ссылок на классы и каждую собственную часть класса хранить отдельно.

В дипломной работе предлагается вместо хранения ссылок на классы установить для каждого поля свой идентификатор. При наследовании поле сохраняет свой иден­ти­фикатор. Таким образом, переименование полей не нарушает связь наследо­вания. Пере­именование может быть автоматическим, например, из-за конфликтов имен полей при множественном наследовании. Аналогично поступает оператор SQL Select, когда в ка­честве результата запроса ему нужно вернуть несколько столбцов, имеющих одина­ко­вые имена.

Идентификаторы полей уникальны в пределах базы данных, т.е. при объявлении нового поля в классе, идентификатор поля в дальнейшем появляется только в классах-наследниках и только через наследование.

Кроме того, программисты могут использовать для имен полей привычный для них родной язык, другими словами: есть возможность создавать синонимы имен полей.

2.5 Триггеры. Ограничение доступа

В множество поведений любого объекта можно включить два списка с предопределенными именами «PRE_TRIGGERS» и «POST_TRIGGERS». Список PRE_TRIGGERS содержит объекты, обрабатывающие входящее сообщение. Как правило, это объекты-условия. Такой подход называется фильтрацией [20]. Список POST_TRIGGERS содержит объекты, которые проверяют результат воздействия и могут произвести откат. POST_TRIGGERS вызываются по окончании действия транзакции при выполнении операции удаления транзакционных зависимостей.

Все триггеры множеств и последовательностей можно разбить на две классификации: это триггеры, следящие за целостностью множества (последо­ва­тель­нос­ти), сохраняя отношение порядка на последовательности, ограничение суммы чисел эле­ментов множества и др.; и следящие за целостностью одного элемента, что соответствует проверке значения на соответствие домену.

Список PRE_TRIGGERS позволяет организовать ограничение доступа, фильтруя сообщения, посланные объектом, ктороый не имеет полномочий для выполнения коман­ды, содержащейся в сообщении.

Список POST_TRIGGERS позволяет исключить часть данных из результата выполненной объектом операции, создав тем самым локальное пользовательское представление.

Впрочем, тема безопасности заслуживает отдельного рассмотрения. Как, например, в [9] и [18].

2.6 Действие (knowhow)

Действие представляет собой объект типа “строка”, хранящий текст ДССП-процедуры. Ссылка на действие может хранится в поле OBJKH объекта, через который и происходит вызов действия. Алгоритм выбора выполняемого действия рассматривается ниже. В интерфейсах объектов указаны идентификаторы объектов, которые в поле OBJKH хранят идентификатор действия. Значения этих объектов являются именем действия. Наиболее удобно использовать для этой цели строковые объекты. Использова­ние поля OBJKH позволяет выполнять одно и то же действие для различных методов различных объектов.

При вызове действия с идентификатором OIDKH делается вызов слова с именем kh$<OIDKH>. Например, для объекта с OIDKH=0x00000DFC это будет KH$00000DFC. Если возникает ситуация EXERR, значит слово в словаре отсутствует и подлежит компиляции. Для компиляции текст действия дополняется префиксом “: KH$<oid> ” и суффиксом “ ;”, после чего компилируется командой TEXEC и выполняется. Словарь действий называется $KH_VOC.

При изменении текста метода необходимо полностью очистить словарь ДССП $KH_VOC, хранящий откомпилированные действия,  поскольку эти действия содержат в своем коде абсолютные ссылки на прежнюю откомпилированную версию действия. Впрочем, эта процедура очистки словаря выполняется лишь при переопределении текста действия, что бывает достаточно редко.

2.7 Объекты-поведения

В отсутствии классов, хранить методы в каждом объекте было бы слишком накладно. Вынесение правил поведения в отдельный объект позволяет уменьшить затраты на хранение объектов-данных. Математическая модель ООБД в [17], также разделяет дан­ные и поведения, что дополнительно дает возможность переиспользовать поведение дру­гого объекта.

Объект-поведение представляет собой множество объектов-методов, которое и назы­ва­ется интерфейсом объекта.

При посылке на вход произвольного объекта OID2 сообщения OID1 (которое тоже является объектом), сначала проверяется, содержится ли OID1 в интерфейсе объекта OID2 (проверка идентичности). Если да, то выполняется действие объекта OID1, иначе сравниваются значения OID1 и объектов интерфейса (проверка эквивалентности). Если соответствие найдено, выполняется действие, указанное в найденном в интерфейсе объекте.

2.8 Принципы взаимодействия объектов

Есть два основных способа управления объектами:

·     Посылка сообщений

·     Алгебра объектов

·    

Определения операций Select и Pickup алгебры объектов можно найти в [17]. Здесь оно не рассматривается по той причине, что является надстройкой над управлением посылкой сообщений и описывается через механизм посылки сообщений. То есть операции алгебры объектов могут быть заданы через операции посылки сообщений, без исправления структуры СУБД. Полная алгебра объектов является замкнутой и состоит из следующих операций:  Select s, Pickup d, Apply r, Expression Apply l, Project p, Combine c, Union È, Interselect Ç, Subtract -, Collapse v, Assimilate a. Объектная алгебра более выразительна, чем реляционная, поскольку поддерживает полиморфность. Оператор Select, например, может работать с любыми видами операндов, а не только с множествами.

Согласно [17], любое сообщение в системе является объектом. Любой объект может иметь связанное с ним действие (knowhow), или не иметь его.

Алгоритм определения метода для выполнения

При посылке объекта проверяется, находится ли идентификатор объекта-сооб­ще­ния в интерфейсе объекта-получателя. Если да, то выполняется knowhow, связанное с этим идентификатором. Если нет – проверяется, совпадает ли значение объекта-сооб­щения со значением какого-либо метода из интерфейса объекта-получателя. Если да, то выполняется связанное с этим методом действие. Иначе возвращается объект fail.

Параметры методов

Набор_параметров (Blackboard) представляет собой множество меток, аргумент­ных пар { (L1, arg1), … , (Ln, argn) }. Li ÎA, argi ÎO для 1 £ i £ n и "i, j Î 1,…,n :  i ¹ j Þ Li ¹ Li.

Впрочем, базовые методы также используют передачу параметров через стек, как более эффективный способ программирования.

Синтаксис посылки сообщения

Воздействие(Набор_параметров) ~> Получатель. Объект, называемый Воздействие (Invoker), является сообщением (message) и посылается к другому объекту, названному Получателем (Reciver), используя Набор_параметров, предоставляющий необходимые аргументы. Если параметры в Наборе_параметров отсутствуют, то можно записать короче: Воздействие ~> Получатель. Посланное сообщение всегда возвращает объект, называемый Результат (Result).

Посылка простого сообщения

Пусть B – Набор_параметров и m и r – два объекта в O.

Примитивные взаимодействия

(1) m(B) ~> fail º fail;        fail(B) ~> r º fail;

(2) m(B) ~> null º null;       null(B) ~> r º null;

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5