Объектно-ориентированная модель

В объектно-ориентированной модели при представлении данных имеется возможность идентифицировать отдельные записи базы данных. Между записями и функциями их обработки устанавливаются взаимосвязи с помощью механизмов, подобных соответствующим средствам в объектно-ориентированных языках программирования.

Стандартизированная объектно-ориентированная модель описана в рекомендациях стандарта ODMG-93 (Object Database Management Group - группа управления объектно-ориентированными базами данных).

Рассмотрим упрощенную модель объектно-ориентированной БД. Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом или типом, конструируемым пользователем (определяется как class). Значение свойства типа class есть объект, являющийся экземпляром соответствующего класса. Каждый объект-экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Объект-экземпляр класса принадлежит своему классу и имеет одного родителя. Родовые отношения в БД образуют связную иерархию объектов. Пример логической структуры объектно-ориентированной БД библиотечного дела приведен на рис. 2.9. Здесь объект типа Библиотека является родительским для объектов-экземпляров классов Абонент, Каталог и Выдача. Различные объекты типа Книга могут иметь одного или разных родителей. Объекты типа Книга, имеющие одного и того же родителя, должны различаться, по крайней мере, инвентарным номером (уникален для каждого экземпляра книги), но имеют одинаковые значения свойств isbn, удк, название и автор.

Логическая структура объектно-ориентированной БД внешне похожа на структуру иерархической БД. Основное различие между ними состоит в методах манипулирования данными.

Для выполнения действий над данными в рассматриваемой модели БД применяются логические операции, усиленные объектно-ориентированными механизмами инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором оно определено. Так, если в объект типа Каталог добавить свойство, задающее телефон автора книги и имеющее название телефон, то мы получим одноименные свойства у объектов Абонент и Каталог. Смысл такого свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано.

Наследование, наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа Книга, являющимся потомками объекта типа Каталог, можно приписать свойства объекта-родителя: isbn, удк, название и автор. Если необходимо расширить действие механизма наследования на объекты, не являющиеся непосредственными родственниками (например, между двумя потомками одного родителя), то в их общем предке определяется абстрактное свойство типа abs. Так, определение абстрактных свойств билет и номер в объекте Библиотека приводит к наследованию этих свойств всеми дочерними объектами Абонент, Книга и Выдача. Не случайно поэтому значения свойства билет классов Абонент и Выдача, показанных на рис. 2.9, являются одинаковыми - 00015.

Полиморфизм в объектно-ориентированных языках программирования означает способность одного и того же программного кода работать с разнотипными данными. Другими словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы (процедуры или функции) с одинаковыми именами. Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Применительно к рассматриваемому примеру полиморфизм означает, что объекты класса Книга, имеющие разных родителей из класса Каталог, могут иметь разный набор свойств. Следовательно, программы работы с объектами класса Книга могут содержать полиморфный код.

Поиск в объектно-ориентированной БД состоит в выяснении сходства между объектом, задаваемым пользователем, и объектами, хранящимися в БД.

Рис. 2.9 Логическая структура БД библиотечного дела

Основным достоинством объектно-ориентированной модели данных в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. Объектно-ориентированная модель данных позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определять функции их обработки.

Недостатками объектно-ориентированной модели являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов.

К объектно-ориентированным СУБД относятся POET, Jasmine, Versant, O2, ODB-Jupiter, Iris, Orion, Postgres.

Банки данных, как целое, обычно классифицируют по экономико-правовым признакам.

По условиям предоставления услуг различают бесплатные и платные банки, которые, в свою очередь, делятся на коммерческие и бесприбыльные (научные, библиотечные или социально-значимые).

По форме собственности БнД делятся на государственные и негосударственные. По степени доступности различают общедоступные и с ограниченным кругом пользователей.

Другие виды классификации связаны с отдельными компонентами БнД.

1. Разработка банков данных состоит из 4-х этапов:

1этап. Формирование и анализ требований к системе:

Составляется спецификация системы, включающая список задач, которые должен решать БнД;

Перечень конечных пользователей и их функций;

Перечень требований к БД;

Составляется схема документооборота в организации.

2 этап. Концептуальное проектирование: создается информационная модель системы без привязки к типу ЭВМ и типу системных программных средств; строится инфологическая модель базы данных, которая наиболее полно описывает предметную область в терминах пользователя.

3 этап. Проектирование реализации: выбирается вычислительная система, системные программные средства и СУБД; проектируется структура данных и строится даталогическая модель БД (схема БД), которая представляет собой описание логической структуры БД на языке конкретной выбранной СУБД.

4 этап. Физическая реализация, которая включает в себя создание и загрузку данных в БД, разработку и отладку прикладных программ для работы с базой данных, написание документации. На этом этапе строится физическая модель БД, которая описывает используемые запоминающие устройства, способы физической организации данных. Описание физической структуры БД называют схемой хранения. В настоящее время наблюдается тенденция к сокращению этого вида работ.

2. Основные задачи, решаемые персоналом банка данных

В состав персонала БнД входят разные специалисты: администраторы БнД, системные аналитики, системные и прикладные программисты, операторы, специалисты по техническим средствам, по маркетингу и др.

Перечислим основные функции и задачи, решаемые персоналом при разработке и эксплуатации базы данных:

1) анализ предметной области (определение потребностей конечных пользователей, построение информационной модели предметной области, выявление ограничений целостности);

2) проектирование структуры базы данных (определение состава и структуры файлов БД, описание ее схемы на языке описания данных);

3) задание ограничений целостности БД;

4) загрузка и ведение БД (к ведению БД относится изменение, удаление и добавление записей); разработка технологии загрузки и ведения; разработка форм ввода данных; ввод и контроль данных;

5) защита данных (разграничение пользователей, выбор и проверка средств защиты, фиксация попыток несанкционированного доступа);

6) обеспечение восстановления БД;

7) анализ эффективности БнД и развитие системы;

8) работа с пользователями (сбор откликов, обучение);

9) сопровождение системного программного обеспечения (приобретение, установка и развитие);

10) организационно-методическая работа (выбор методов проектирования и модернизации, планирование развития БнД, разработка документации).

3. Пользователи банков данных

Как любой программно-организационно-техничеcкий комплекс, банк данных существует во времени и в пространстве. У этого есть определенные этапы разработки:

Проектирование,

Реализация,

Поддержка,

Обновление и разработка,

Полная реорганизация.

На каждом этапе существования различные категории потребителей соединяются с банком данных.

Конечные пользователи

Это - основная категория пользователей, у которых интересы связаны с банком данных. В зависимости от особенностей создаваемого банка данных может по существу отличаться кругом его конечных пользователей. Это могут быть случайные потребители, адресующиеся к БД время от времени к базе данных после получения некоторой информации, и могут быть обычные пользователи. Случайных потребителей можно рассмотреть как возможных клиентов фирмы, просматривающих каталог постановки или служб с обобщенным или подробным описанием. Сотрудники, работающие с программами, специально разработанными для них, кто обеспечивает автоматику их действия в производительности функций, могут быть обычными пользователями. Например, у администратора, планирующего работу вспомогательного подразделения компьютерной фирмы, есть программа, которая помогает ему планировать и располагать текущие заказы по инструкции, контролировать ход их производительности, упорядочить на складе необходимые аксессуары для новых заказов. Главные, специальные знания, которые от конечных пользователей не должны быть требованы в области средств языка и вычислительной техники.

Администраторы банка данных

Это - группа пользователей, которая в начальной стадии разработки банка данных ответственна за его оптимальное устройство с точки зрения одновременной работы набора конечных пользователей, в поддержке, этап ответственен за правильность работы данного штабеля информации в многопользовательском режиме. При разработке и этапе реорганизации эта группа ответственна за возможность корректной реорганизации штабеля без изменения или завершения его текущего обслуживания.

Разработчики и администраторы приложений

Эта группа пользователей, которая функционирует во время проектирования, создания и реорганизацию банка данных. Администраторы приложений координируют работу разработчиков разработкой определенного приложения или группой приложений, объединенных в функциональной подсистеме. Разработчики определенных приложений работают с той частью информации от базы данных, которая требуется для определенного приложения.

Не в каждом банке данных любой тип пользователей может быть выбран. Известно, что разработкой информационных систем с использованием табличного СУБД администратор банка данных, администратор приложений и разработчик часто существовали в одном человеке. Однако при создании современных трудных корпоративных баз данных, которые используются для автоматики всех или больших частей бизнес-процессов в большой фирме или корпорации, может существовать и группы администраторов приложений и отделы разработчиков. Самые трудные режимы работы возлагаются на группу администраторов БД.

Рассмотрим их более детально.

Часть группы администратора БнД должна быть:

Системные комментаторы;

Разработчики структур данных и внешнего вида относительно банка данных информационной поддержки;

Разработчики технологических процессов обработки данных;

Системные и прикладные программисты;

Действующие компании и эксперты в ремонтной службе.

Вопрос коммерческого банка данных, играет важную роль, продавая экспертов.

Основные функции группы администраторов БД

1. Исследование области данных: описание области данных, укладка текста ограничений целостности, определение состояния (доступность, конфиденциальность) информация, определение потребностей потребителей, определение соответствия "потребители данных", определение височных объемом характеристик обработки данных.

2. Разработка строения БД: определение сочинения и строение файлов БД и связи промежуточный, выбор методов оптимизации данных и методов доступа для информации, описания БД на языке описания данных (ЯОД).

3. Задание ограничений целостности в описании структуры БД и процедурах обработки БД:

Задание декларативных ограничений целостности, свойственной от области данных;

Определение динамичных ограничений целостности, свойственной от области данных в ходе изменения информации, хранившей в БД;

Определение ограничений целостности вызывается строением БД;

Разработка процедур поддержки целостности БД при вводе и корректировке данных;

Определение ограничений целостности параллельной работой потребителей в многопользовательском режиме.

4. Инициирование загрузки и руководство БД

Разработка техники инициирования загрузки БД, который будет отличаться от процедуры изменения и добавления с данными при регулярном использовании базы данных;

Разработка техники проверки введенных, данных реальному состоянию области данных. Реальные объекты моделей базы данных некоторой области данных и корреляции промежуточный, и в момент начала текущего ремонта эта модель должны соответствовать полностью состоянию объектов области данных сейчас ко времени;

Согласно разработанной технике инициирования загрузки проектирования системы инициирования ввода данных может быть необходимым.

5. Предохранение данных

Определение системы паролей, принципов пристрелки потребителей, создания групп потребителей, обладающих идентичными правами доступа к данным;

Разработка принципов предохранения определенных данных и объектов разработки; разработка специализированных методов кодирования информации при ее циркуляции в локальных и глобальных информационных сетях;

Разработка средств фиксации доступа к данным и попыткам нарушения системы защиты;

Тестирование системы защиты;

Исследование случаев нарушения системы защиты и разработки динамичных методов предохранения информации в БД.

6. Поддержка восстановления БД

Разработка организационных означает архивирования и принципы восстановления БД;

Разработка дополнительного матобеспечения и технологические процессы восстановления БД после отказов.

7. Исследование вызовов потребителей БД: набор статистики на символе запросов, времени включения их производительности, в соответствии с требуемыми выходными документами

8. Исследование эффективности функционирования БнД:

Исследование индексов функционирования БнД

Планирующая перестройка структуры (структурное изменение) БД и реорганизация БнД.

9. Работа с конечными пользователями:

Сбор информации об изменении области данных;

Сбор информации об оценке работ БнД;

Тренировка потребителей, консультация потребителей;

Разработка необходимой систематической и образовательной документации относительно работы конечных пользователей.

10. Приготовление и поддержка системных средств:

Исследование матобеспечения, существующего на рынке и исследовании возможности и необходимости их использования в рамках БнД;

Разработка требуемых организационных и технических программой движений для разработки БнД;

Проверка работоспособности искупленного матобеспечения перед их соединением с БнД;

Контроль соединения нового матобеспечения к БнД.

11. Организационно-систематическая работа при разработке БнД:

Выбор или создание метода разработки БД;

Определение целей и направление разработки системы в целом;

Планирование стадий развития БнД;

Разработка справочников генеральных словарей проекта БнД и концептуальной модели;

Монтаж внешних моделей разработанных приложений;

Контроль соединения нового приложения к работе БнД;

Возможность комплексного устранения неисправностей набора приложений, взаимодействующих от одного БД.

В ООМД при представлении данных имеется возможность идентифицировать отдельные записи базы. Между записями БД и функциями их обработки устанавливаются взаимосвязи с помощью механизмов, подобных соответствующим средствам в объектно-ориентированных языках программирования.

Стандартизованная объектно-ориентированной модель описана в рекомен­дациях стандарта ODMG-93 (Object Database Management Group - группа уп­равления объектно-ориентированными базами данных). Реализовать в полном объеме рекомендации ODMG-93 пока не удается. Для иллюстрации ключевых идей рассмотрим несколько упрощенную модель объектно-ориентированной БД.

Структура объектно-ориентированной БД (ООБД) графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Свойства объектов описываются некоторым стандартным типом (например, строковым - string) или типом, конструируемым пользователем (определяется как class).

Значением свойства типа string является строка символов. Значение свойства типа class есть объект, являющийся экземпляром соответствующего класса. Каждый объект-экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Объект-экземпляр класса принадлежит своему классу и имеет одного родителя. Родовые отношения в БД образуют связную иерархию объектов.

Пример логической структуры ООБД библиотечного дела приведен на рис. 2.8.

Здесь объект типа БИБЛИОТЕКА является родительским для объектов-экземпляров классов АБОНЕНТ, КАТАЛОГ и ВЫДАЧА. Различные объекты типа КНИГА могут иметь одного или разных родителей. Объекты типа КНИГА, имеющие одного и того же родителя, должны различаться по крайней мере инвентарным номером (уникален для каждого экземпляра книги), но имеют одинаковые значения свойств isbn , удк, название и автор.

Рис. 2.8. Логическая структура БД библиотечного дела

Логическая структура ООБД внешне похожа на структуру ИБД. Основное отличие между ними состоит в методах манипулирования данными.

Для выполнения действий над данными в рассматриваемой модели БД при­меняются логические операции, усиленные объектно-ориентированными механизмами инкапсуляции, наследования и полиморфизма. Ограниченно могут применяться операции, подобные командамSQL(например, для создания БД).

Создание и модификация БД сопровождается автоматическим формированием и последующей корректировкой индексов (индексных таблиц), содержащих информацию для быстрого поиска данных.

Рассмотрим кратко понятия инкапсуляции, наследования и полиморфизма применительно к объектно-ориентированной модели БД.

Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пре­делами того объекта, в котором оно определено. Так, если в объект типа КАТАЛОГ добавить свойство, задающее телефон автора книги и имеющее название телефон, то мы получим одноименные свойства у объектов АБО­НЕНТ и КАТАЛОГ. Смысл такого свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано.

Наследование, наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа КНИГА, являющимся по­томками объекта типа КАТАЛОГ, можно приписать свойства объекта-роди­теля: isbn, удк, название и автор. Если необходимо расширить действие ме­ханизма наследования на объекты, не являющиеся непосредственными родственниками (например, между двумя потомками одного родителя), то в их общем предке определяется абстрактное свойство типаabs. Так, определение абстрактных свойств билет и номер в объекте БИБЛИОТЕКА приводит к наследованию этих свойств всеми дочерними объектами АБОНЕНТ, КНИГА и ВЫДАЧА. Не случайно поэтому значения свойствабилет классов АБОНЕНТ и ВЫДАЧА, показанных на рисунке, будут одинаковыми - 00015.

Полиморфизм в объектно-ориентированных языках программированияозначает способность одного и того же программного кода работать с разно­типными данными. Другими словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы (процедуры или функции) с одинаковымиименами. Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Применительно к нашей объектно-ориентированной БД полиморфизм означает, что объекты класса КНИГА, имеющие разных родителей из класса КАТАЛОГ, могут иметь разный набор свойств. Следовательно, программы работы с объектами класса КНИГА могут содержать полиморфный код.

Поиск в ООБД состоит в выяснении сходства между объектом, задаваемым пользователем, и объектами, хранящимися в БД. Определяемый пользователем объект, называемый объектом-целью (свойство объекта имеет тип goal ), в общем случае может представлять собой подмножество всей хранимой в БД иерархии объектов. Объект-цель, а также результат выполнения запроса могут храниться в самой базе. Пример запроса о номерах читательских билетов и именах абонентов, получавших в библиотеке хотя бы одну книгу показан на рис. 2.9.

Рис. 2.9. Фрагмент БД с объектом-целью

Основным достоинством ООМД в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. ООМД позволяет идентифицировать отдельную запись базы данных и определять функции их обработки.

Основными недостатками ООМД являются высокая понятийная сложность, неудобство обработки данных и низкая скорость выполнения запросов.

В 90-е годы существовали экспериментальные прототипы ООСУБД. В настоящее время насчитывается более 300 таких СУБД. Некоторые системы получили относительно широкое распространение, например следующие СУБД: Cache (InterSystems), РОЕТ (РОЕТ Software), Jasmine (Computer Associates), Versant(VersantTechnologies),O2 (ArdentSoftware),ODB-Jupiter(научно-производственный центр «Интелтек Плюс»), а такжеIris,OrionиPostgres.

Достоинства ООБД в перспективе должны привести к их очень широкому распространению. Для этого предварительно нужно решить задачи по устранению присущих ООБД недостатков: повысить гибкость структуры БД, построить четкий язык программирования, отработать синтаксис разбора запросов, определить несколько методов доступа к данным, отработать вопросы одновременного доступа, определить сложный перебор данных, отработать защиту и восстановление данных. Перечень нуждающихся в решении задач может быть продолжен.

Однако и после решения названных задач переход к ООБД будет постепенным и не очень быстрым, так как оторваться от огромного количества действующих реляционных СУБД по объективным и субъективным причинам будет сложно. Сделать такой переход менее болезненным позволит включение в состав ООСУБД не только объектной, но и реляционной составляющей. Кроме того, в ООСУБД следует вводить ММД для формирования ХД OLAP систем, которые все более востребованы на практике.

Объектно-ориентированная модель данных

Объектно-ориентированная модель данных является расширением положений объектно-ориентированного программирования (в то время как реляционная модель возникла на основе теории множеств, именно как модель данных). Группой управления Объектно-ориентированных БД разработан стандарт ODMG-93 (Object DataBase Management Group). Этот стандарт полностью еще не реализован.

Структура объектно-ориентированной БД графически представима в виде дерева, узлами которого являются объекты. Видимая структура объекта определяется свойствами его класса. Класс включает в себя объекты, при этом структура и поведение объектов одного класса одинаковы. Каждый объект, а именно экземпляр класса считается потомком объекта, в котором он определен как свойство. Свойства объектов - или стандартный тип, например, string, или конструируемый пользователем тип class. Поведение объектов задается с помощью методов. Метод – это некая операция, которую можно применить к объекту.

В качестве примера рассмотрим БД «БИБЛИОТЕКА» (рис.4.4). Для каждого объекта определены свойства, их типы и значения. В БД:

«БИБЛИОТЕКА» – родитель (предок) для «АБОНЕМЕНТ», «КАТАЛОГ», «ВЫДАЧА»;

«КАТАЛОГ» – родитель для «КНИГА».

«КНИГА» – различные объекты могут иметь одного или разных родителей. Если один и тот же родитель (один автор), то инвентарные номера разные, но isbn, УДК, название и автор – одинаковы.

Логическая структура объектно-ориентированной БД похожа на иерархическую, основное отличие – в методах манипулирования данными. Над БД можно производить такие действия как логические операции, усиленные объектно-ориентированными методами инкапсуляции, наследования и полиморфизма.

Инкапсуляция ограничивает область видимости имени свойства пределами того объекта, в котором определено. Так, если в «КАТАЛОГ» добавлено свойство телефон автора книги, то получаются аналогично в «АБОНЕМЕНТ» и «КАТАЛОГ». Смысл свойства будет определяться тем объектом, в который оно инкапсулировано.

Наследование ,наоборот, распространяет область видимости свойства на всех потомков объекта. Так, всем объектам типа «КНИГА», являющимся потомками «КАТАЛОГ», можно приписать свойства родителя isbn, УДК, название и автор.

Полиформизм означает способность одного и того же программного кода работать с разнотипными данными. Иными словами, он означает допустимость в объектах разных типов иметь методы – процедуры и функции – с одинаковыми именами. Во время выполнения объектной программы одни и те же методы оперируют с разными объектами в зависимости от типа аргумента. Для БД «БИБЛИОТЕКА» это означает, что объекты класса «КНИГА», имеющие разных родителей из класса «КАТАЛОГ» может иметь разный набор свойств, т.е. программы работы с объектом класса «КНИГА» может содержать полиморфный код. В классе у метода нет тела, т. е. не определено, какие конкретно действия он должен выполнить. Каждый подкласс выполняет нужные операции. Инкапсуляция скрывает детали реализации от всех объектов вне данной иерархии.

Достоинствамиобъектно-ориентированноймодели в сравнении с реляционной является возможность отображения информации о сложных взаимосвязях объектов, отсутствие ограниченности в структурах хранения данных. В объектно-ориентированной БД может храниться не только структура, но и поведенческие аспекты данных. С использованием объектно-ориентированного подхода могут создаваться и БД с большими объемами семантической информации, такие как мультимедийные и специализированные для конкретных предметных областей (географические, проектные и др.).

К недостаткам данного подходаможно отнести высокую понятийную сложность, неудобство обработки данных и низкую скорость выполнения запросов.

В 90-е годы были созданы прототипы действующих объектно-ориентированных БД. Это POET (POET SoftWare), JASMINE (COMPUTER ASSOCIATES), IRIS, ORION, POSTGRES.

Тема 5

Реляционный подход при построении информационно-логической модели: основные понятия

Реляционная модель данных. Основные понятия

Как было отмечено в разделе предыдущей лекции, реляционная модель в настоящее время является одной из наиболее распространенных моделей на рынке БД. Основу этой модели составляет набор взаимосвязанных таблиц (отношений).

Основные теоретические идеи реляционной модели были изложены в работах по теории отношений американского логика Чарльза Содерса Пирса (1839-1914) и немецкого логика Эрнста Шредера (1841-1902), а также американского математика Эдгара Кодда.

В работах Пирса и Шредера было доказано, что множество отношений замкнуто относительно некоторых специальных операций, совместно образующих абстрактную алгебру. Это важнейшее свойство отношений было использовано в реляционной модели для разработки языка манипулирования данными.

В 1970 г. появилась статья Э.Кодда о представлении данных, организованных в виде двумерных таблиц, называемых отношениями. Коддом впервые были введены основные понятия и ограничения реляционной модели как основы хранения данных, и показана возможность обработки данных с помощью традиционных операций над множествами и специальных введенных реляционных операций.

Основные понятия реляционной модели даны в табл. 3.1.

Объектами реляционной модели в основном являются таблицы (отношения). Целостность данных обеспечивается внешними и первичными ключами (см. п. «Реляционная целостность данных»).

Операторы в реляционной модели – это набор инструкций, которые обеспечивают выборку и манипуляцию над данными.

Таблица 5.1. Элементы реляционной модели

Термин реляционной модели	Описание
База данных (БД)	Набор таблиц и других объектов, необходимых для абстрактного представления выбранной предметной области
Схема БД	Набор заголовков таблиц, взаимосвязанных друг с другом
Отношение	Таблица – совокупность объектов реального мира, которые характеризуются общими свойствами и характеристиками (поля таблицы)
Заголовок отношения	Заголовок таблицы – названия полей (столбцов) таблицы
Тело отношения	Тело таблицы – совокупность значений для всех объектов реального мира, которая представима в виде записей таблицы (строки таблицы)
Схема отношения	Строка заголовков столбцов таблицы («шапка» таблицы)
Атрибут отношения	Наименование столбца таблицы (поле таблицы)
Кортеж отношения	Строка таблицы (запись) – однозначное представление объекта реального мира, созданное с использованием значений полей таблицы
Домен	Множество допустимых значений атрибута
Значение атрибута	Значение поля в записи (кортеже)
Первичный ключ	Один или несколько (в случае составного ключа) атрибутов, которые единственным образом определяют значение кортежа (значение строки таблицы)
Внешний ключ	Атрибут таблицы, значения которого соответствуют значениям первичного ключа в другой связанной (родительской, первичной) таблице. Внешний ключ может состоять как из одного, так и из нескольких атрибутов (составной внешний ключ). Если число атрибутов внешнего ключа меньше, чем количество атрибутов соответствующего первичного ключа, то он называется усеченным (частичным) внешним ключом
Степень (арность) отношения	Количество столбцов таблицы
Мощность отношения	Количество строк (кортежей) таблицы
Экземпляр отношения	Множество записей (кортежей) для данной таблицы (отношения). С течением времени экземпляр может изменяться. Поскольку обычная БД в текущий момент времени работает только с одной версией отношения, то такой экземпляр отношения называется текущим
Тип данных	Тип значений элементов таблицы
Базовое отношение	Отношение, содержащие один или несколько столбцов, характеризующих свойства объекта, а также первичный ключ
Производное отношение	Не является базовым отношением, т.е. не характеризует свойства объекта и используется для обеспечения связей между другими таблицами, может не содержать первичного ключа. Если первичный ключ задан, то он состоит из внешних ключей, связанных с первичными ключами базового отношения
Связь	Устанавливает взаимосвязь между совпадающими значениями в ключевых полях – первичным ключом одной таблицы и внешним ключом другой
Связь «один-к-одному» (1:1)	При использовании этого вида связи запись в одной таблице может иметь не более одной связанной с нею записи в другой таблице. В обеих таблицах ключевые поля должны быть первичными. Используется для разделения таблиц с многочисленными полями или по требованию защиты данных
Связь «один-ко-многим» (1:M)	При использовании этого вида связи каждой записи одной таблицы может соответствовать несколько записей второй, но каждой записи второй таблицы соответствует лишь одна запись первой таблицы. В первой таблицы обязательно должен быть задан первичный ключ, во второй – внешний
Связь «многие-ко-многим» (N:M)	При данном типе связи одной записи в первой таблице может соответствовать несколько записей второй таблицы, но и одной записи второй таблицы может соответствовать несколько записей первой. Уникальность ключей для таких таблиц не требуется. В процессе проектирования схемы БД такие связи преобразуют. Для этого необходимо ввести вспомогательное отношение, позволяющее заменить связь «многие-ко-многим» на две связи типа «один-ко-многим»

Структура данных реляционной модели предполагает представление предметной области рассматриваемой задачи в виде набора взаимосвязанных отношений.

В каждой связи одно отношение может выступать как основное (базовое, родительское), а другое – в роли подчиненного (производного, дочернего). Для поддержания этих связей оба отношения должны содержать набор атрибутов, по которым они связаны: в основном отношении это – первичный ключ отношения (однозначно определяет кортеж основного отношения); в подчиненном отношении должен присутствовать набор атрибутов, соответствующий первичному ключу основного отношения. Здесь этот набор атрибутов уже является вторичным ключом или внешним ключом, т.е. определяет множество кортежей производного отношения., связанных с единственным кортежем основного отношения.

Множество взаимосвязанных друг с другом таблиц образуют схему БД .

Итак, отношение R представляет собой двумерную таблицу, содержащую некоторые данные.

Математически N -арное отношение R – это множество декартова произведения D 1 ×D 2 ×…×D n множеств (доменов) D 1 , D 2 ,…,D n (n ≥1), необязательно различных:

R D 1 ×D 2 ×…×D n ,

где D 1 ×D 2 ×…×D n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется из своего домена.

Домен представляет собой семантическое понятие, которое можно рассматривать как подмножество значений некоторого типа данных, имеющих определенный смысл.

Свойства домена :

Домен имеет уникальное имя (в пределах БД),

Определен на некотором простом типе данных или на другом домене,

Может иметь некоторое логическое условие, позволяющее описать подмножество данных, допустимых для этого домена,

Несет определенную смысловую нагрузку.

Основное значение доменов состоит в том, что они ограничивают сравнения: нельзя сравнивать значения из различных доменов, даже если они имею одинаковый тип данных.

Атрибут отношения представляет собой пару вида

<Имя_атрибута: Имя_домена> (либо <A:D >).

Имена атрибутов в пределах отношения уникальны. Часто имена атрибутов совпадают с именами соответствующих доменов.

Отношение R, определенное на множестве доменов, содержит две части: заголовок и тело.

Заголовок отношения – фиксированное кол-во атрибутов отношения, описывающее декартово произведение доменов, на котором задано отношение:

(<A 1: D 1 >, <A 2: D 2 >, …, <A n: D n >).

Заголовок статичен: не меняется во время работы с БД, Если в отношении изменены, добавлены, удалены атрибуты, то получается уже другое отношение. Даже при сохраненном имени.

Тело отношения содержит множество кортежей отношения.

Каждый кортеж представляет собой множество пар вида:

<Имя_атрибута: Значение атрибута>:

R (<A 1:Val 1 >, <A 2:Val 2 >, …, <A n: Val n >).

Таких, что значение Val i атрибута A i принадлежит домену D i .

Тело отношения представляет собой набор кортежей, т. Е. подмножество декартового произведения доменов. Таким образом, тело отношения собственно и является отношением в математическом смысле слова. Тело отношения может из­меняться во время работы с базой данных, т. К. кортежи с те­чением времени могут изменяться, добавляться и удаляться.

Отношение обычно записывается в виде:

R (<A 1: D 1 >, <A 2: D 2 >, …, <A n: D n >),

либо сокращенно: R (A 1 , A 2 , …, A n ) или R .

Схема отношения представляет собой набор заголовков отношения, входящих в базу данных, т. Е. перечень имен атри­бутов данного отношения с указанием домена, к которому они относятся:

S R = (A 1 , A 2 , …, A n ), A i D i , i = 1,..., n .

Если атрибуты принимают значения из одного и того же домена, то они называются θ-сравнимыми, где θ - множество допустимых операций сравнений, заданных для данного домена.

Например, если домен содержит числовые данные, то для него допустимы все операции сравнения: θ == {=, <>,>=,<=,<,>}. Однако и для доменов, содержащих символьные данные, могут быть заданы не только операции сравнения по равенству и неравенству значений. Если для данного домена задано лексикографическое упорядочение, то он также имеет полное множество операций сравнения.

Схемы двух отношений называются эквивалентными , если они имеют одинаковую степень, и возможно такое упорядочение имен атрибутов в схемах, что на одинаковых местах будут находиться сравнимые атрибуты, т. Е. атрибуты, принимаю­щие значения из одного домена.

Таким образом, для эквивалентных отношений выполняются следующие условия:

Наличие одинакового количества атрибутов;

Наличие атрибутов с одинаковыми наименованиями;

Наличие в отношениях одинаковых строк с учетом того, что порядок атрибутов может различаться;

Отношения такого рода есть различные изображения одно­го и того же отношения.

Свойства отношений непосредственно следуют из приведен­ного ранее определения отношения. В этих свойствах в ос­новном и состоят различия между отношениями реляционной модели данных и простыми таблицами:

Уникальность имени отношения. Имя одного отношения должно отличаться от имен других отношений.

Уникальность кортежей. В отношении нет одинаковых кор­тежей. Действительно, тело отношения есть множество кор­тежей и, как всякое множество, не может содержать нераз­личимые элементы. Таблицы в отличие от отношений могут содержать одинаковые строки. Каждая ячейка отношения содержит только атомарное (неделимое) значение.

Неупорядоченность кортежей. Кортежи не упорядочены (сверху вниз), т. К. тело отношения есть множество, а мно­жество не упорядочено (для сравнения - строки в табли­цах упорядочены). Одно и то же отношение может быть изображено разными таблицами, в которых строки идут в различном порядке.

Неупорядоченность атрибутов. Атрибуты не упорядочены (слева направо).

Уникальность имени атрибута в пределах отношения. Ка­ждый атрибут имеет уникальное имя в пределах отноше­ния, значит, порядок атрибутов не имеет значения (для сравнения - столбцы в таблице упорядочены). Это свой­ство несколько отличает отношение от математического определения отношения. Одно и то же отношение может быть изображено разными таблицами, в которых столбцы идут в различном порядке.

Атомарность значений атрибутов. Все значения атрибутов атомарны. Это следует из того, что лежащие в их основе атрибуты имеют атомарные значения, т. Е. с каждым трии­бутом связана какая-то область значений (отдельный эле­ментарный тип), значения атрибутов берутся из одного и того же домена. Схема и кортежи отношения - множест­ва, а не списки, поэтому порядок их представления не име­ет значения. Для сравнения - в ячейки таблицы можно поместить различную информацию: массивы, структуры, другие таблицы и т. Д.

Замечание:

Из свойств отношения следует, что не каждая таблица может быть отношением. Для того чтобы некоторая таблица задавала отношение, необходимо, чтобы таблица имела простую структуру (содержала только строки и столбцы, причем в каждой строке должно быть одинаковое количество полей), в таблице не должно быть одинаковых строк, любой столбец таблицы должен содер­жать данные только одного типа, все используемые типы данных должны быть простыми.

Следует отметить, что реляционная модель представляет собой базу данных в виде множества взаимосвязанных отношений, которые называются схемой реляционной базы данных .

Основные понятия

Определение 1

Объектно-ориентированная модель представления данных дает возможность идентификации отдельных записей базы.

Записи базы данных и функции их обработки связаны механизмами, подобными соответствующим средствам, которые реализуются в объектно-ориентированных языках программирования.

Определение 2

Графическим представлением структуры объектно-ориентированной базы данных является дерево, узлы которого представляют объекты.

Стандартный тип (например, строковый – string ) или тип, созданный пользователем (class ), описывает свойства объектов .

На рисунке 1 объект БИБЛИОТЕКА является родителем для объектов-экземпляров классов КАТАЛОГ , АБОНЕНТ и ВЫДАЧА. У разных объектов типа КНИГА может быть один или разные родители. У объектов типа КНИГА, которые имеют одного и того же родителя, должны быть по крайней мере разные инвентарные номера (уникальные для каждого экземпляра книги), но одинаковые значения свойств автор , название , удк и isbn .

Логические структуры объектно-ориентированной и иерархической базы данных внешне похожи. Отличаются они в основном методами манипулирования данными.

При выполнении действий над данными в объектно-ориентированной модели используются логические операции, которые усилены инкапсуляцией, наследованием и полиморфизмом. С некоторым ограничением можно применять операции, которые подобны командам SQL (например, при создании БД).

При создании и модификации БД выполняется автоматическое формирование и последующая корректировка индексов (индексных таблиц), которые содержат информацию для осуществления быстрого поиска данных.

Определение 3

Цель инкапсуляции – ограничение области видимости имени свойства границами того объекта, в котором оно определено.

Например, если в объект КАТАЛОГ добавлено свойство, которое задает телефон автора и имеет название телефон , то одноименные свойства получатся у объектов КАТАЛОГ и АБОНЕНТ. Смысл свойства определяется тем объектом, в который оно инкапсулировано.

Определение 4

Наследование , обратно инкапсуляции, отвечает за распространение области видимости свойства относительно всех потомков объекта.

Например, всем объектам КНИГА, которые являются потомками объекта КАТАЛОГ, могут быть приписаны свойства объекта-родителя: автор , название , удк и isbn .

При необходимости расширения действия механизма наследования на объекты, которые не являются непосредственными родственниками (например, на два потомка одного родителя) в их общем предке определяют абстрактное свойство типа abs .

Таким образом, свойства номер и билет в объекте БИБЛИОТЕКА наследуются всеми дочерними объектами ВЫДАЧА, КНИГА и АБОНЕНТ. Именно поэтому значения этого свойства классов АБОНЕНТ и ВЫДАЧА одинаковые – 00015 (рисунок 1).

Определение 5

Полиморфизм позволяет одному и тому же программному коду работать с разнотипными данными.

Иначе говоря, он допускает в объектах разных типов иметь методы (функции или процедуры) с одинаковыми именами.

Поиск в объектно-ориентированной базе данных заключается в определении сходства между объектом, который задает пользователь, и объектами, которые хранятся в БД.

Преимущества и недостатки объектно-ориентированной модели

Основное преимущество объектно-ориентированной модели данных в отличие от реляционной модели состоит в возможности отображения информации о сложных взаимосвязях объектов. Рассматриваемая модель данных позволяет определять отдельную запись БД и функции ее обработки.

К недостаткам объектно-ориентированной модели относят высокую понятийную сложность, неудобную обработку данных и низкую скорость выполнения запросов.

На сегодняшний день такие системы достаточно широко распространены. К ним относятся СУБД:

• Postgres,
• Orion,
• Iris,
• ODBJupiter,
• Versant,
• Objectivity /DB,
• ObjectStore,
• Statice,
• GemStone
• G-Base.

Объектно-ориентированная база данных (ООБД) - база данных, в которой данные моделируются в виде объектов, их атрибутов, методов и классов.

Объектно-ориентированные базы данных обычно рекомендованы для тех случаев, когда требуется высокопроизводительная обработка данных, имеющих сложную структуру.

В манифесте ООБД предлагаются обязательные характеристики, которым должна отвечать любая ООБД. Их выбор основан на 2 критериях: система должна быть объектно-ориентированной и представлять собой базу данных.

Обязательные характеристики

1. Поддержка сложных объектов. В системе должна быть предусмотрена возможность создания составных объектов за счет применения конструкторов составных объектов. Необходимо, чтобы конструкторы объектов были ортогональны, то есть любой конструктор можно было применять к любому объекту.

2. Поддержка индивидуальности объектов. Все объекты должны иметь уникальный идентификатор, который не зависит от значений их атрибутов.

3. Поддержка инкапсуляции. Корректная инкапсуляция достигается за счет того, что программисты обладают правом доступа только к спецификации интерфейса методов, а данные и реализация методов скрыты внутри объектов.

4. Поддержка типов и классов. Требуется, чтобы в ООБД поддерживалась хотя бы одна концепция различия между типами и классами. (Термин «тип» более соответствует понятию абстрактного типа данных. В языках программирования переменная объявляется с указанием ее типа. Компилятор может использовать эту информацию для проверки выполняемых с переменной операций на совместимость с ее типом, что позволяет гарантировать корректность программного обеспечения. С другой стороны класс является неким шаблоном для создания объектов и предоставляет методы, которые могут применяться к этим объектам. Таким образом, понятие «класс» в большей степени относится ко времени исполнения, чем ко времени компиляции.)

5. Поддержка наследования типов и классов от их предков. Подтип, или подкласс, должен наследовать атрибуты и методы от его супертипа, или суперкласса, соответственно.

6. Перегрузка в сочетании с полным связыванием. Методы должны применяться к объектам разных типов. Реализация метода должна зависеть от типа объектов, к которым данный метод применяется. Для обеспечения этой функциональности связывание имен методов в системе не должно выполняться до времени выполнения программы.

7. Вычислительная полнота. Язык манипулирования данными должен быть языком программирования общего назначения.

8. Набор типов данных должен быть расширяемым. Пользователь должен иметь средства создания новых типов данных на основе набора предопределенных системных типов. Более того, между способами использования системных и пользовательских типов данных не должно быть никаких различий.

ОО СУБД

Объектно-ориентированные базы данных – базы данных, в которых информация представлена в виде объектов, как в объектно-ориентированных языках программирования.

Применять или не применять объектно-ориентированные системы управления базами данных (ООСУБД) в реальных проектах сегодня? В каких случаях их применять, а в каких нет?

Вот преимущества использования ООСУБД:

· Отсутствует проблема несоответствия модели данных в приложении и БД (impedance mismatch). Все данные сохраняются в БД в том же виде, что и в модели приложения.

· Не требуется отдельно поддерживать модель данных на стороне СУБД.

· Все объекты на уровне источника данных строго типизированы. Больше никаких строковых имен колонок! Рефакторинг объектно-ориентированной базы данных и работающего с ней кода теперь автоматизированный, а не однообразный и скучный процесс.

Стандарт ODMG

Первый манифест формально являлся всего лишь статьей, представленной на Конференцию по объектно-ориентированным и дедуктивным базам данных группой частных лиц. Как вы могли видеть в предыдущем подразделе, требования Манифеста были скорее эмоциональными, чем явно специфицированными. В 1991 г. был образован консорциум ODMG (тогда эта аббревиатура раскрывалась как Object Database Management Group , но впоследствии приобрела более широкую трактовку – Object Data Management Group ). Консорциум ODMG тесно связан с гораздо более многочисленным консорциумом OMG (Object Management Group ), который был образован двумя годами раньше. Основной исходной целью ODMG была выработка промышленного стандарта объектно-ориентированных баз данных (общей модели). За основу была принята базовая объектная модель OMG COM (Core Object Model ). В течение более чем десятилетнего существования ODMG опубликовала три базовых версии стандарта, последняя из которых называется ODMG 3.0 . 16

Забавно, что хотя ODMG (по мнению автора) вышла из OMG , в последние годы некоторые стандарты OMG опираются на объектную модель ODMG . В частности, на модель ODMG опирается спецификация языка OCL (Object Constraint Language ), являющаяся частью общей спецификации языка UML 1.4 (и UML 2.0) . В этой статье мы не ставим цель провести детальное сопоставление подходов OMG и ODMG и отсылаем заинтересованных читателей к Энциклопедии Когаловского и материалам сайтов этих консорциумов . Мы ограничимся кратким изложением основных идей, содержащихся в стандарте ODMG -3.

Архитектура ODMG

Предлагаемая ODMG архитектура показана на рис. 2.1. В этой архитектуре определяются способ хранения данных и разные виды пользовательского доступа к этому “хранилищу данных” 17 . Единое хранилище данных доступно из языка определения данных, языка запросов и ряда языков манипулирования данными. 18 На рис. 2.1 ODL означает Object Definition Language (язык определения объектов) , OQL – Object Query Language (язык объектных запросов) и OML – Object Manipulation Language (язык манипулирования объектами) .

Рис. 2.1. Архитектура ODMG

Центральной в архитектуре является модель данных , представляющая организационную структуру, в которой сохраняются все данные, управляемые ООСУБД. Язык определения объектов, язык запросов и языки манипулирования разработаны таким образом, что все их возможности опираются на модель данных. Архитектура допускает существование разнообразных реализационных структур для хранения моделируемых данных, но важным требованием является то, что все программные библиотеки и все поддерживающие инструментальные средства обеспечиваются в объектно-ориентированных рамках и должны сохраняться в согласовании с данными.

Основными компонентами архитектуры являются следующие.

• Объектная модель данных. Все данные, сохраняемые ООСУБД, структуризуются в терминах конструкций модели данных. В модели данных определяется точная семантика всех понятий (более подробно см. ниже).

• Язык определения данных (ODL). Схемы баз данных описываются в терминах языка ODL , в котором конструкции модели данных конкретизируются в форме языка определения. ODL позволяет описывать схему в виде набора интерфейсов объектных типов, что включает описание свойств типов и взаимосвязей между ними, а также имен операций и их параметров. ODL не является полным языком программирования; реализация типов должна быть выполнена на одном из языков категории OML . Кроме того, ODL является виртуальным языком в том смысле, что в стандарте ODMG не требуется его реализация в программных продуктах ООСУБД, которые считаются соответствующими стандарту. Допускается поддержка этими продуктами эквивалентных языков определения, включающих все возможности ODL , но адаптированных под особенности конкретной системы. Тем не менее, наличие спецификации языка ODL в стандарте ODMG является важным, поскольку в языке конкретизируются свойства модели данных.

• Язык объектных запросов (ODL). Язык имеет синтаксис, похожий на синтаксис языка SQL, но опирается на семантику объектной модели ODMG . В стандарте допускается прямое использование OQL и его встраивание в один из языков категории OML .

Реляционная модель данных

Почти все современные системы основаны на реляционной (relational) модели управления базами данных. Название реляционная связано с тем, что каждая запись в такой базе данных содержит информацию, относящуюся только к одному конкретному объекту.

В реляционной СУБД все обрабатываемые данные представляются в виде плоских таблиц. Информация об объектах определенного вида представляется в табличном виде: в столбцах таблицы сосредоточены различные атрибуты объектов, а строки предназначены для сведения описаний всех атрибутов к отдельным экземплярам объектов.

Модель, созданная на этапе инфологического моделирования, в наибольшей степени удовлетворяет принципам реляционности. Однако для приведения этой модели к реляционной необходимо выполнить процедуру, называемую нормализацией .

Теория нормализации оперирует с пятью нормальными формами . Эти формы предназначены для уменьшения избыточности информации, поэтому каждая последующая нормальная форма должна удовлетворять требованиям предыдущей и некоторым дополнительным условиям. При практическом проектировании баз данных четвертая и пятая формы, как правило, не используются. Мы ограничились рассмотрением первых четырех нормальных форм.

Введем понятия, необходимые для понимания процесса приведения модели к реляционной схеме.

Отношение - абстракция описываемого объекта как совокупность его свойств. Проводя инфологический этап проектирования, мы говорили об абстракции объектов и приписывали им некоторые свойства. Теперь же, проводя концептуальное проектирование, мы переходим к следующему уровню абстракции. На данном этапе объектов, как таковых, уже не существует. Мы оперируем совокупностью свойств, которые и определяют объект.

Экземпляр отношения - совокупность значений свойств конкретного объекта.

Первичный ключ - идентифицирующая совокупность атрибутов, т.е. значение этих атрибутов уникально в данном отношении. Не существует двух экземпляров отношения содержащих одинаковые значения в первичном ключе.

Простой атрибут - атрибут, значения которого неделимы.

Сложный атрибут - атрибут, значением которого является совокупность значений нескольких различных свойств объекта или несколько значений одного свойства.

Понятия сущности..

Домен

Понятие домена более специфично для баз данных, хотя и имеет некоторые аналогии с подтипами в некоторых языках программирования. В самом общем виде домен определяется заданием некоторого базового типа данных, к которому относятся элементы домена, и произвольного логического выражения, применяемого к элементу типа данных. Если вычисление этого логического выражения дает результат "истина", то элемент данных является элементом домена.

Наиболее правильной интуитивной трактовкой понятия домена является понимание домена как допустимого потенциального множества значений данного типа. Например, домен "Имена" в нашем примере определен на базовом типе строк символов, но в число его значений могут входить только те строки, которые могут изображать имя (в частности, такие строки не могут начинаться с мягкого знака).

Следует отметить также семантическую нагрузку понятия домена: данные считаются сравнимыми только в том случае, когда они относятся к одному домену. В нашем примере значения доменов "Номера пропусков" и "Номера групп" относятся к типу целых чисел, но не являются сравнимыми. Заметим, что в большинстве реляционных СУБД понятие домена не используется, хотя в Oracle V.7 оно уже поддерживается.