В реляционной модели база данных представляет собой централизованное хранилище таблиц, обеспечивающее безопасный одновременный доступ к информации со стороны многих пользователей. В строках таблиц часть полей содержит данные, относящиеся непосредственно к записи, а часть - ссылки на записи других таблиц. Таким образом, связи между записями являются неотъемлемым свойством реляционной модели.
Каждая запись таблицы имеет одинаковую структуру. Например, в таблице, содержащей описания автомобилей, у всех записей будет один и тот же набор полей: производитель, модель, год выпуска, пробег и т.д. Такие таблицы легко изображать в графическом виде.
В реляционной модели достигается информационная и структурная независимость. Записи не связаны между собой настолько, чтобы изменение одной из них затронуло остальные, а изменение структуры базы данных не обязательно приводит к перекомпиляции работающих с ней приложений.
В реляционных СУБД применяется язык SQL, позволяющий формулировать произвольные, нерегламентированные запросы. Это язык четвертого поколения, поэтому любой пользователь может быстро научиться составлять запросы. К тому же, существует множество приложений, позволяющих строить логические схемы запросов в графическом виде. Все это происходит за счет ужесточения требований к производительности компьютеров. К счастью, современные вычислительные мощности более чем адекватны.
Реляционные базы данных страдают от различий в реализации языка SQL, хотя это и не проблема реляционной модели. Каждая реляционная СУБД реализует какое-то подмножество стандарта SQL плюс набор уникальных команд, что усложняет задачу программистам, пытающимся перейти от одной СУБД к другой. Приходится делать нелегкий выбор между максимальной переносимостью и максимальной производительностью. В первом случае нужно придерживаться минимального общего набора команд, поддерживаемых в каждой СУБД . Во втором случае программист просто сосредоточивается на работе в данной конкретной СУБД , используя преимущества ее уникальных команд и функций.
MySQL - это реляционная СУБД , и настоящий учебный курс посвящен изучению именно реляционной модели. Но теория баз данных не стоит на месте. Появляются новые технологии, которые расширяют реляционную модель.
Объектно-ориентированные базы данных
Объектно-ориентированная база данных (ООБД) позволяет программистам, которые работают с языками третьего поколения, интерпретировать все свои информационные сущности как объекты, хранящиеся в оперативной памяти. Дополнительный интерфейсный уровень абстракции обеспечивает перехват запросов, обращающихся к тем частям базы данных, которые находятся в постоянном хранилище на диске. Изменения, вносимые в объекты, оптимальным образом переносятся из памяти на диск.
Преимуществом ООБД является упрощенный код. Приложения получают возможность интерпретировать данные в контексте того языка программирования, на котором они написаны. Реляционная база данных возвращает значения всех полей в текстовом виде, а затем они приводятся к локальным типам данных. В ООБД этот этап ликвидирован. Методы манипулирования данными всегда остаются одинаковыми независимо от того, находятся данные на диске или в памяти.
Данные в ООБД способны принять вид любой структуры, которую можно выразить на используемом языке программирования. Отношения между сущностями также могут быть произвольно сложными. ООБД управляет кэш-буфером объектов, перемещая объекты между буфером и дисковым хранилищем по мере необходимости.
С помощью ООБД решаются две проблемы. Во-первых, сложные информационные структуры выражаются в них лучше, чем в реляционных базах данных, а во-вторых, устраняется необходимость транслировать данные из того формата, который поддерживается в СУБД . Например, в реляционной СУБД размерность целых чисел может составлять 11 цифр, а в используемом языке программирования - 16. Программисту придется учитывать эту ситуацию.
Объектно-ориентированные СУБД выполняют много дополнительных функций. Это окупается сполна, если отношения между данными очень сложны. В таком случае производительность ООБД оказывается выше, чем у реляционных СУБД . Если же данные менее сложны, дополнительные функции оказываются избыточными. В объектной модели данных поддерживаются нерегламентированные запросы, но языком их составления не обязательно является SQL. Логическое представление данных может не соответствовать реляционной модели, поэтому применение языка SQL станет бессмысленным. Зачастую удобнее обрабатывать объекты в памяти, выполняя соответствующие виды поиска.
Большим недостатком объектно-ориентированных баз данных является их тесная связь с применяемым языком программирования. К данным, хранящимся в реляционной СУБД , могут обращаться любые приложения, тогда как, к примеру, Java-объект, помещенный в ООБД, будет представлять интерес лишь для приложений, написанных на Java.
Объектно-реляционные базы данных
Объектно-реляционные СУБД объединяют в себе черты реляционной и объектной моделей. Их возникновение объясняется тем, что реляционные базы данных хорошо работают со встроенными типами данных и гораздо хуже - с пользовательскими, нестандартными. Когда появляется новый важный тип данных, приходится либо включать его поддержку в СУБД , либо заставлять программиста самостоятельно управлять данными в приложении.
Не всякую информацию имеет смысл интерпретировать в виде цепочек символов или цифр. Представим себе музыкальную базу данных. Песню, закодированную в виде аудиофайла, можно поместить в текстовое поле большого размера, но как в таком случае будет осуществляться текстовый поиск?
Перестройка СУБД с целью включения в нее поддержки нового типа данных - не лучший выход из положения. Вместо этого объектно-реляционная СУБД позволяет загружать код, предназначенный для обработки "нетипичных" данных. Таким образом, база данных сохраняет свою табличную структуру, но способ обработки некоторых полей таблиц определяется извне, т.е. программистом.
Объектно-ориентированная
Достоинства и недостатки реляционной модели данных
Главные достоинства реляционной модели данных – она проста для понимания, наглядна и имеет строгое математическое обоснование.
Недостатки следующие:
· реляционная модель данных не допускает представления объектов со сложной структурой, поскольку в ее рамках возможно моделирование лишь с помощью двумерных таблиц;
· данные об объектах содержатся, как правило, во многих таблицах. Соответственно, извлечение информации о каждом таком объекте требует выполнения многих операций соединения с помощью первичных и внешних ключей, что значительно замедляет обработку данных.
В последнее время активно используются при разработке БД данных такие модели, как постреляционная, объектно-ориентированная, объектно-реляционная и многомерная модели.
Постреляционная модель данных в общем случае представляет собой расширенную реляционную модель, снимающую ограничение неделимости значений полей.
То есть, допускаются многозначные поля, значения которых состоят из подзначений. Пример постреляционной модели – таблица, представляющая собой совокупность данных связанных реляционных таблиц КЛИЕНТЫ и ЗАКАЗЫ.
Достоинства постреляционной модели данных:
· возможность представления связанных реляционных таблиц одной постреляционнной таблицей. Это обеспечивает высокую наглядность представления данных и повышение эффективности их обработки;
· отсутствие ограничений на длину полей и их количество в записях таблицы.
Недостаток постреляционнной модели – сложность в обеспечении целостности данных.
Объектно-ориентированнаяиобъектно-реляционная модели используются для преодоления ограниченных возможностей реляционной модели по хранению и обработке сложных объектов, как, н-р, документ, звук, видео, графическое изображение и др.
Объектно-ориентированная модель представляет структуру, которую можно изобразить графически в виде дерева, узлами которого являются объекты.
Каждый объект характеризуется уникальным идентификатором, состоянием и поведением . Состояние объекта определяется множеством значений его атрибутов. Поведение объекта описывают методы , называемые процедурами. То есть, составной частью описания объекта являются процедуры, способные производить действия над атрибутами объекта в случае наступления тех или иных событий.
Объекты могут объединяться в классы . Экземпляры одного класса отличаются лишь значениями своих свойств, но не своими методами. Методы устанавливаются при определении класса.
Для выполнения действий над объектами применяются объектно-ориентированные механизмы – наследование, инкапсуляция, полиморфизм.
Суть наследования состоит в том, что на основе существующего класса можно образовать новый класс объектов, который будет наследоватьсвойствародительского класса.
Доступ к данным осуществляется только лишь в соответствии с правилами поведения объекта, описываемыми методами(инкапсуляция ).
Полиморфизм – способность объектов по-разному реагировать на одно и тоже событие в окружающем мире. Полиморфизм используется для унификации обработки разнородных объектов. Н–р, метод «Печать результата» может быть определен для многих классов объектов, но работать по-разному, в зависимости от класса, к которому он применяется.
Основным достоинством ООМД является способность отображать информацию о сложных объектах с исчерпывающим описанием взаимосвязей между ними и их динамического поведения.Эта модель обычно применяется для сложных предметных областей, при моделировании которых не хватает функциональности реляционной модели (н-р, систем автоматизации проектирования, издательских систем и т.п.).
Недостаток ООМД – сложность понятийного аппарата, что усложняет ее применение и отрицательно сказывается на накоплении опыта создания и эксплуатации объектно-ориентированных БД.
Объектно-реляционная модель данных является гибридной моделью, сочетающей возможности реляционной модели с объектными свойствами данных.
1. Объекты, видимые на внешнем интерфейсе, отображаются в таблицы поддерживающей реляционной БД. И наоборот, объекты воспроизводятся из их представления в табличной среде хранения, когда они запрашиваются пользователями или приложениями (гибридный подход ).
Такой подход был популярен в конце 80-х гг. и воплотился в программных продуктах для автоматизации программирования (CASE), для автоматизации проектирования (CAD), в репозитариях (БД, предназначенных для хранения не пользовательских, а системных данных).
2. Внутренние реляционные механизмы СУБД управления данными расширяются объектно-ориентированными возможностями (расширенный реляционный подход ).
Этот подход технологически более продвинутый и предпочитаемый в настоящее время большинством разработчиков реляционных СУБД. Он воплотился в 1996-1997 гг. в ряде объектно-реляционных серверов БД.
Отличительная особенность объектно-реляционной модели от ООМД состоит в том, что она основана на стратегии реляционной модели. О включении объектов в реляционную модель можно говорить на данном этапе только как об общем направлении развития баз данных.
В настоящее время реляционные СУБД доминируют среди систем управления данными. Преимущества объектно-ориентированного подхода для создания сложных специализированных приложений с одной стороны, и стремление разработчиков систем управления базами данных с другой стороны расширить границы применения соответствующих СУБД обусловили включение объектно-ориентированных компонент (расширяемая пользователем система типов, инкапсуляция, наследование, полиморфизм и т. п.) в модель данных реляционной СУБД. Соответствующие СУБД, называемые объектно-реляционными , соединяют в себе лучшие качества реляционных и объектно-ориентированных баз данных. Отметим, что в разных СУБД реализован разный набор из перечисленных объектно-ориентированных компонент. Таким образом, не существует общепринятой объектно-реляционной модели, а скорее имеется несколько таких моделей, поддерживающих определенный набор объектно-ориентированных компонент. Однако, основой всех таких моделей являются реляционные таблицы, используется язык запросов, включено понятие объекта, а в некоторых дополнительно реализована возможность сохранения методов в базе данных.
Соответствующие изменения реляционной модели обусловили необходимость расширения стандарта языка запросов SQL. Первый вариант такого стандарта получил название SQL3. Работа над стандартом продолжается и в настоящее время.
В качестве примера в максимальной степени объектно-ориентированной СУБД можно указать исследовательскую СУБД Postgres{3].
Отметим считающиеся объектными расширениями элементы СУБД Microsoft Server 2008.
· Пользовательские расширения. Пользователи имеют возможность вмешиваться в изначально предоставляемый СУБД инструментарий, создавая, в частности, новые пользовательские типы данных.
· Хранение больших объемов данных . Наряду с теми данными, которые хранились в БД традиционно, Microsoft SQL Server 2008 позволяет хранить в столбцах таблицы данные больших размеров (поддерживаются соответствующие типы данных).
· Новые, ориентированные на определенные классы объектов, типы данных . В системе определены новые типы данных (geometry, geography), характерные для тех направлений, в которых объектно-ориентированный подход весьма эффективен и часто используется (картография и соответствующие приложения, геометрическое представление объектов самой разной природы).
· Хранимые процедуры. В определенном смысле хранимые процедуры также являются объектным расширением, осуществляя необходимые пользователю воздействия на данные (стандартный для ООП процедурный подход).
2. Распределенные базы данных
База данных – интегрированная совокупность данных, с которой работают много пользователей. Изложение всех предыдущих разделов предполагало единую базу данных, размещаемую на одном компьютере. Напомним основные принципы, положенные в основу теории баз данных:
· централизованное хранение данных;
· централизованное обслуживание данных (ввод, корректировка, чтение, контроль целостности).
Заметим, что базы данных появились в период господства больших ЭВМ. База данных велась на одной ЭВМ, все пользователи работали именно на ЭВМ (возможные режимы работы описаны в лекции 3). Других вариантов использования вычислительной техники в то время просто не существовало. Если проанализировать работу пользователей с данными в компаниях, организациях, предприятиях в «докомпьютерное» время, то нетрудно заметить, что на отдельных участках пользователи работали со «своими» данными (осуществляли сбор определенных данных, их хранение, обработку, передачу обработанных данных на другие участки или уровни управления).
У такой технологии были существенные недостатки, которые уже отмечались в предыдущих разделах: дублирование некоторых данных, отсутствие возможности сравнительного анализа данных всех участков. Однако у этой технологии были и существенные достоинства: данные вводились и хранились в местах их порождения; с этими данными работал пользователь, являющийся специалистом именно по этим данным, что позволяло ему вести эффективный контроль правильности данных на всех стадиях обработки; данные находились непосредственно у пользователя, что давало возможность их оперативной обработки. Централизация данных на одной ЭВМ, несомненно, дающая эффективные возможности хранения и обработки данных, не позволяла реализовывать вышеназванные достоинства.
Развитие вычислительных компьютерных сетей обусловило новые возможности в организации и ведении баз данных, позволяющие каждому пользователю иметь на своем компьютере свои данные и работать с ними и в то же время позволяющие работать всем пользователям со всей совокупностью данных как с единой централизованной базой данных. Соответствующая совокупность данных называется распределенной базой данных.
Термин «распределенная база данных » достаточно часто встречается в литературе . Однако в разных источниках под этим термином понимаются совершенно разные вещи. Часть авторов понимают под распределенной базой данных то, что имеется удаленный сервер, на котором расположены данные, а также клиентские компьютеры, расположенные территориально в другом месте. Такая трактовка нам представляется неправильной. Настоящая распределенная база данных располагается на нескольких компьютерах. При этом часть файлов расположена на одном компьютере, часть на другом и т.д. Более того, возможна и даже часто встречается ситуация, когда информация на этих компьютерах пересекается, дублируется.
Распределенная база данных – совокупность логически взаимосвязанных разделяемых данных (и описаний их структур), физически распределенных в компьютерной сети.
Объектно-реляционная модель данных
Другие модели данных
Всё возрастающая сложность приложений баз данных и ограниченность реляционной модели привели к развитию модели Кодда, которое сначала получило название расширенной реляционной модели , а позже получило свое развитие в объектно-реляционной модели данных . Базы данных, основанные на этих моделях, принято относить к III-у поколению.
Объектно-реляционная модель данных (ОРМД) реализована с помощью реляционных таблиц, но включает объекты, аналогичного понятию объекта в объектно-ориентированном программировании. В ОРМД используются такие объектно-ориентированные компоненты, как пользовательские типы данных, инкапсуляция, полиморфизм, наследование, переопределение методов и т.п.
К сожалению, до настоящего времени разработчики не пришли к единому мнению о том, что должна обеспечивать ОРМД. В 1999 г. был принят стандарт SQL-99, а в 2003 г. вышел второй релиз этого стандарта, получивший название SQL-3, который определяет основные характеристики ОРМД. Но до сих пор объектно-реляционные модели, поддерживаемые различными производителями СУБД, существенно отличаются друг от друга. О перспективах этого направления свидетельствует тот факт, что ведущие фирмы–производители СУБД, в числе которых Oracle, Informix, INGRES и др., расширили возможности своих продуктов до объектно-реляционной СУБД (ОРСУБД).
В большинстве реализаций ОРМД объектами признаются агрегат и таблица (отношение), которая может входить в состав другой таблицы. Методы обработки данных представлены в виде хранимых процедур и триггеров, которые являются процедурными объектами базы данных, и связаны с таблицами. На концептуальном уровне все данные объектно-реляционной БД представлены в виде отношений, и ОРСУБД поддерживают язык SQL.
Ещё один подход к построению БД – использование объектно-ориентированной модели данных (ООМД) . Моделирование данных в ООМД базируется на понятии объекта. ООМД обычно применяется в сложных предметных областях, для моделирования которых не хватает функциональности реляционной модели (например, для систем автоматизации проектирования (САПР), издательских систем и т.п.).
При создании объектно-ориентированных СУБД (ООСУБД) используются разные методы, а именно:
- встраивание в объектно-ориентированный язык средств, предназначенных для работы с БД;
- расширение существующего языка работы с базами данных объектно-ориентированными функциями;
- создание объектно-ориентированных библиотек функций для работы с БД;
- создание нового языка и новой объектно-ориентированной модели дан-ных
К достоинствам ООМД можно отнести широкие возможности моделирования предметной области, выразительный язык запросов и высокую производительность. Каждый объект в ООМД имеет уникальный идентификатор (OID – object identifier). Обращение по OID происходит существенно быстрее, чем поиск в реляционной таблице.
Среди недостатков ООМД следует отметить отсутствие общепринятой модели, недостаток опыта создания и эксплуатации ООБД, сложность использования и недостаточность средств защиты данных.
В 2000 г. рабочая группа ODMG (Object Database Management Group), образованная фирмами-производителями ООСУБД, выпустила очередной стандарт (ODMG 3.0) для ООСУБД, в котором описана объектная модель, язык определения запросов, язык объектных запросов и связующие языки С++, Smalltalk и Java. Стандарты ODMG не являются официальными. Подход ODMG к стандартизации заключается в том, что после принятия очередной версии стандарта организациями-членами ODMG публикуется книга, в которой содержится текст стандарта.
Теперь рассмотрим, как поддержка моделей данных реализована в реальных системах управления базами данных.
(О предпосылках ОРСУБД)
Эпоха объектно-реляционных баз данных началась в декабре 1996 года, когда компания Informix выпустила объектно-реляционную систему управления базами данных (ОРСУБД) Informix Universal Server. Вслед за ней в 1997 г. на рынке появились ОРСУБД компаний Oracle (Oracle8) и IBM (DB2 Universal Database). До появления ОРСУБД ведущих компаний термин «объектно-реляционная СУБД» связывался с системами Postges-Illustra и UniSQL, разработанными под руководством Майкла Стоунбрейкера и Вона Кима соответственно.
Объектно-реляционная модель данных является реляционной моделью с некоторыми свойствами объектной модели данных, или наоборот. Четкого определения не существует.
В соответствии с подходом UniSQL, в ОРСУБД должны поддерживаться следующие возможности:
n-мерное объектно-ориентированное моделирование;
двухмерное реляционное моделирование;
наследование;
инкапсуляция;
постоянство существования объектов (object persistence);
композиция классов;
полиморфизм;
навигационный доступ к объектам;
реляционный доступ (соединения);
непроцедурный доступ через запросы;
интерфейсы для традиционных языков третьего поколения;
интерфейсы для объектных языков третьего поколения;
интерфейсы для языков четвертого поколения;
независимое от языков хранение данных;
независимость служб баз данных от файловых систем;
поддержка оперативных служб СУБД.
С методологической точки зрения на развитие основного объектно-реляционного подхода и соответствующих средств, специфицированных в стандарте языка SQL, важнейшее влияние оказал Манифест систем баз данных третьего поколения, опубликованный группой авторов под очевидным руководством Майкла Стоунбрейкера в 1990 г.
Под первым поколением систем баз данных принимают старые иерархические и сетевые системы, а современные реляционные системы – вторым поколением. В настоящей работе будут рассмотрены характеристики, которыми должны обладать менеджеры данных следующего, уже третьего поколения.
В этом документе постулировались три основных принципа систем следующего поколения:
помимо традиционных услуг по управлению данными, СУБД третьего поколения должны обеспечивать поддержку более богатых структур объектов и правил;
СУБД третьего поколения должны включить в себя СУБД второго поколения;
СУБД третьего поколения должны быть открыты для других подсистем.
Эти принципы развивались в тринадцати технических предложениях, включающих обеспечение развитой системы типов с поддержкой наследования и инкапсуляции. Если внимательно посмотреть на стандарты SQL:1999 и SQL:2003, а также на возможности современных версий СУБД DB2 и Oracle, то можно увидеть отражение в них всех принципов и предложений Манифеста систем баз данных третьего поколения.
Достоинства:
Расширенные возможности SQL, в особенности, средства серверного программирования, обеспечивающие возможности определения UDT, хранимых процедур и функций, триггеров и т.д. позволяют переносить на сервер баз данных все большую часть логики приложений.
При проектировании приложения базы данных имеется три альтернативы: можно реализовать логику приложения на стороне клиента, на сервере приложений и на сервере баз данных. Очевидно, что каждая альтернатива имеет право на жизнь, и каждая из них может оказаться выигрышной в конкретной ситуации.
Недостатки:
Обширные возмодности можно так же отнести и к недостаткам так как некоторые возможности в значительной степени противоречит учению Эвгара Кодда, в котором обосновывалась целесообразность независимости базы данных от приложений. Независимость базы данных от приложений часто выглядит очень привлекательной идеей, но для ее применения разумно отказаться от многих расширений SQL.
Еще одной проблемой, не связанной с возможностями серверной реализации логики приложений, является использование в базах данных типов коллекций. Поддержка в стандарте SQL типов мультимножеств, элементами которых могут быть значения анонимных строчных типов, обеспечивает теперь возможность определения вложенных таблиц с произвольным (теоретически, неограниченным) уровнем вложенности. Поскольку все значения, хранимые в базе данных, продолжают оставаться строго типизированными, такая возможность не противоречит базовому требованию первой нормальной формы, унаследованному из реляционной модели данных, но, по существу, обеспечивает подход к прямому моделированию иерархических структур.
