Лекция (1) (Лекции), страница 4

2.5.1. Объектно-ориентированная модель данных

Если не обращать внимания на особенности объектно-ориентированной терминологии (предполагается, что читатели в общих чертах знакомы с ней), то объектно-ориентированная модель данных ODMG, специфицированная в [4.4], отличается от других двух моделей, описываемых в этом разделе, прежде всего, в одном принципиальном аспекте. В модели данных SQL и истинной реляционной модели данных база данных представляет собой набор именованных контейнеров данных одного родового типа: таблиц или отношений соответственно. В объектно-ориентированной модели данных база данных – это набор объектов (контейнеров данных) произвольного типа.

Типы и структуры данных объектной модели

В объектной модели данных вводятся две разновидности типов: литеральные и объектные типы. Литеральные типы данных – это обычные типы данных, принятые в традиционных языках программирования. Они подразделяются на базовые скалярные числовые типы, символьные и булевские типы (атомарные литералы), конструируемые типы записей (структур) и коллекций.

Литеральный тип записи – это традиционный определяемый пользователем структурный тип, подобный структурному типу языка C или типу записи языка Pascal. Отличие состоит лишь в том, что в объектной модели атрибут типа записи может определяться не только на литеральном, но и на объектном типе, т.е. значение литерального типа записи может в качестве компонентов включать объекты. На первый взгляд это звучит странно и страшновато, но здесь все странности проистекают из особенностей объектно-ориентированной терминологии. У любого существующего объекта имеется одно и только одно местоположение, характеризующееся его идентификатором (OID). Когда в модели говорится, что некоторое структурное значение в качестве компонента имеет некоторый объект, то, конечно, имеется в виду OID этого объекта, являющийся всего лишь аналогом указательного значения в традиционных языках программирования.

Имеются четыре вида типов коллекций: типы множеств, мультимножеств (неупорядоченные наборы элементов, возможно, содержащие дубликаты), списков (упорядоченные наборы элементов, возможно, содержащие дубликаты) и словарей (множества пар <ключ, значение>, причем все ключи в этих парах должны быть различными). Типом элемента любой коллекции может являться любой скалярный или объектный тип за исключением того же типа коллекции.

Объектные типы в объектной модели данных по смыслу ближе всего к понятию класса в объектно-ориентированных языках программирования. У каждого объектного типа имеется операция создания и инициализации нового объекта этого типа. Эта операция возвращает значение OID нового объекта, который можно хранить в любом месте, где допускается хранение объектов данного типа, и использовать для обращения к операциям объекта, определенным в его объектном типе.

Имеются два вида объектных типов. Первый из них называется атомарным объектным типом. Нестрого говоря, при определении атомарного объектного типа указывается его внутренняя структура (набор свойств – атрибутов и связей) и набор операций, которые можно применять к объектам этого типа. Для определения атомарного объектного типа можно использовать механизм наследования, расширяя набор свойств и/или переопределяя существующие и добавляя новые операции.

Атрибутами называются свойства объекта, значение которых можно получить по OID объекта. Значениями атрибутов могут быть и литералы, и объекты (т.е. OID), но только тогда, когда не требуется обратная ссылка. Связи – это инверсные свойства. В этом случае значением свойства может быть только объект. Связи определяются между атомарными объектными типами. В объектной модели ODMG поддерживаются только бинарные связи, т.е. связи между двумя типами. Связи могут быть разновидностей «один-к-одному», «один-ко-многим» и «многие-ко-многим» в зависимости от того, сколько экземпляров соответствующего объектного типа может участвовать в связи.

Связи явно определяются путем указания путей обхода. Пути обхода указываются парами, по одному пути для каждого направления обхода связи. Например, в базе данных СЛУЖАЩИЕ-ОТДЕЛЫ служащий работает (works) в одном отделе, а отдел состоит (consists of) из множества служащих. Тогда путь обхода consists_of должен быть определен в объектном типе ОТДЕЛ, а путь обхода works – в типе СЛУЖАЩИЙ. Тот факт, что пути обхода относятся к одной связи, указывается в разделе inverse обоих объявлений пути обхода. Это связь «один-ко-многим». Путь обхода consists_of ассоциирует объект типа ОТДЕЛ с литеральным множеством объектов типа СЛУЖАЩИЙ, а путь обхода works ассоциирует объект типа СЛУЖАЩИЙ с объектом типа ОТДЕЛ. Пути обхода, ведущие к коллекциям объектов, могут быть упорядоченными или неупорядоченными в зависимости от вида коллекции, указанного в объявлении пути обхода.

Заметим, что хотя связь является модельным понятием, другие понятия модели наталкивают на мысль, что единственным способом реализации связей является хранение в объекте OID или коллекции OID связанных объектов в зависимости от вида связи. Это можно сделать и с использованием должным образом типизированных атрибутов. Однако явное определение связи обеспечивает системе дополнительную информацию, которая используется в объектной модели как ограничение целостности (см. ниже).

Второй вид – это объектные типы коллекций. Как и в случае использования литеральных типов коллекций, можно определять объектные типы множеств, мультимножеств, списков и словарей. Типом элемента объектного типа коллекции может быть любой литеральный или объектный тип за исключением того же типа коллекции. У объектных типов коллекций имеются предопределенные наборы операций. В отличие от литеральных типов коллекций, которые, как и все литеральные типы являются множествами значений, объектные типы коллекций обладают операцией создания объекта, имеющего, как и все объекты, собственный OID.

Интересен и важен один специальный случай неявного использования объектов типа множества. При определении атомарного объектного типа можно в качестве одного из дополнительных свойств этого типа указать, что для него должен быть создан объект типа множества, элементами которого являются объекты данного атомарного типа (экстент объектного структурного типа). Поскольку такой объект создается неявно, его OID неизвестен, но зато у него имеется имя, явно задающееся в определении и совпадающее с именем атомарного объектного типа. Наличие этой возможности позволяет создавать объектные базы данных, состоящие из именованных контейнеров однотипных объектов, причем в действительности эти контейнеры содержат OID'ы соответствующих объектов.

Манипулирование данными в объектной модели

В стандарте ODMG в качестве базового средства манипулирования объектными базами данных предлагается язык OQL (Object Query Language). Это небольшой, но достаточно сложный язык запросов. Разработчики в целом характеризуют его следующим образом:

• OQL опирается на объектную модель ODMG (имеется в виду, что в нем поддерживаются средства доступа ко всем возможным структурам данных, допускаемых в структурной части модели).

• OQL очень близок к SQL/92. Расширения относятся к объектно-ориентированным понятиям, таким как сложные объекты, объектные идентификаторы, путевые выражения, полиморфизм, вызов операций и отложенное связывание.

• В OQL обеспечиваются высокоуровневые примитивы для работы с множествами объектов, но, кроме того, имеются настолько же эффективные примитивы для работы со структурами, списками и массивами.

• OQL является функциональным языком, допускающим неограниченную композицию операций, если операнды не выходят за пределы системы типов. Это является следствием того факта, что результат любого запроса обладает типом, принадлежащим к модели типов ODMG, и поэтому к результату запроса может быть применен новый запрос.

• OQL не является вычислительно полным языком. Он представляет собой простой язык запросов.

• Операторы языка OQL могут вызываться из любого языка программирования, для которого в стандарте ODMG определены правила связывания. И, наоборот, в запросах OQL могут присутствовать вызовы операций, запрограммированных на этих языках.

• В OQL не определяются явные операции обновления, а используются вызовы операций, определенных в объектах для целей обновления.

• В OQL обеспечивается декларативный доступ к объектам. По этой причине OQL-запросы могут хорошо оптимизироваться.

• Можно легко определить формальную семантику OQL.

Объем этой лекции не позволяет привести развернутое описание языка OQL. Приведем лишь один характерный пример.

Получить номера руководителей отделов и тех служащих их отделов, зарплата которых превышает 20000 руб.

SELECT DISTINCT STRUCT ( ОТД_РУК: D.ОТД_РУК,
СЛУ: ( SELECT E
FROM D.CONSISTS_OF AS E
WHERE E.СЛУ_ЗАРП > 20000.00 ) )
FROM ОТДЕЛЫ D

Здесь предполагается, что для атомарного объектного типа ОТДЕЛ определен экстент типа множества с именем ОТДЕЛЫ. В запросе перебираются все существующие объекты типа ОТДЕЛ, и для каждого такого объекта происходит переход по связи к литеральному множеству объектов типа СЛУЖАЩИЙ, соответствующих служащим, которые работают в данном отделе. На основе этого множества формируется «усеченное» множество объектов типа СЛУЖАЩИЙ, в котором остаются только объекты-служащие с зарплатой, большей 20000.00. Результатом запроса является литеральное значение-множество, элементами которого являются значения-структуры с двумя литеральными значениями, первое из которых есть атомарное литеральное значение типа INTEGER, а второе – литеральное значение-множество с элементами-объектами типа СЛУЖАЩИЙ. Более точно, результат запроса имеет тип set < struct { integer ОТД_РУК; bag < СЛУЖАЩИЙ > СЛУ } >.

В совокупности результатом допустимых в OQL выражений запросов могут являться:

• коллекция объектов;

• индивидуальный объект;

• коллекция литеральных значений;

• индивидуальное литеральное значение.

Ограничения целостности в объектной модели

В соответствии с общей идеологией объектно-ориентированного подхода в модели ODMG два объекта считаются совпадающими в том и только в том случае, когда являются одним и тем же объектом, т.е. имеют один и тот же OID. Объекты одного объектного типа с разными OID считаются разными, даже если обладают полностью совпадающими состояниями. Поэтому в объектной модели отсутствует аналог ограничения целостности сущности реляционной модели данных. Интересно, что при определении атомарного объектного типа можно объявить ключ – набор свойств объектного класса, однозначно идентифицирующий состояние каждого объекта, входящего в экстент этого класса. Для класса может быть объявлено несколько ключей, а может не быть объявлено ни одного ключа даже при наличии определения экстента. Но при этом определение ключа не трактуется в модели как ограничение целостности; утверждается, что объявление ключа способствует повышению эффективности выполнения запросов.

Что же касается ссылочной целостности, то она поддерживается, если между двумя атомарными объектными типами определяется связь вида «один-ко-многим». В этом случае объекты на стороне связи «один» рассматриваются как предки, а объекты на стороне связи «многие» – как потомки, и ООСУБД обязана следить за тем, чтобы не образовывались потомки без предков.

2.5.2. Модель данных SQL

Как отмечалось в начале этого раздела, модель данных SQL в относительно законченном виде сложилась к 1999 г., когда был принят и опубликован стандарт SQL:1999. В приводимом в этом подразделе очерке этой модели данных мы затронем только наиболее важные, с точки зрения автора, ее черты, опуская многие менее существенные моменты.

Типы и структуры данных SQL

SQL-ориентированная база данных представляет собой набор таблиц, каждая из которых в любой момент времени содержит некоторое мультимножество строк, соответствующих заголовку таблицы. В этом состоит первое и наиболее важное отличие модели данных SQL от реляционной модели данных. Вторым существенным отличием является то, что для таблицы поддерживается порядок столбцов, соответствующий порядку их определения. Другими словами, таблица – это вовсе не отношение, хотя во многом они похожи.

Имеется две основных разновидности таблиц, хранимых в базе данных: традиционная таблица и типизированная таблица. Традиционная таблица определяется как множество столбцов с указанными типами данных. В SQL поддерживаются следующие категории типов данных: точные числовые типы; приближенные числовые типы; типы символьных строк; типы битовых строк; типы даты и времени; типы временных интервалов; булевский тип; типы коллекций; анонимные строчные типы; типы, определяемые пользователем; ссылочные типы. Подробно система типов SQL описывается в лекции 15, а здесь мы ограничимся только пояснениями наименее очевидных случаев.

Булевский тип в SQL содержит три значения – true, false и uknown. Это связано с интенсивным использованием в SQL так называемого неопределенного значения (NULL), которое разрешается использовать вместо значения любого типа данных. Как уже говорилось выше, здесь мы не будем более подробно затрагивать запутанную тему неопределенных значений и оставим подробности на следующие лекции.

В модели данных SQL допускается объявление двух видов типов коллекций: типы массива и типы мультимножества. Элементы типа коллекции могут быть любого типа данных, определенного к моменту определения данного типа коллекции. При объявлении типа мультимножества можно явно запретить наличие в его значениях элементов-дубликатов, что фактически приводит к объявлению типа множества.

Анонимный строчный тип – это безымянный структурный тип, значения которого являются строками, состоящими из элементов ранее определенных типов.

Поддерживается два вида типов данных, определяемых пользователями: индивидуальные и структурные типы. Индивидуальный тип – это именованный тип данных, основанный на единственном предопределенном типе. Индивидуальный тип не наследует от своего опорного типа набор операций над значениями. Чтобы выполнить некоторую операцию базового типа над значениями определенного над ним индивидуального типа, требуется явно сообщить системе, что с этими значениями нужно обращаться как со значениями базового типа. Имеется также возможность явного определения методов, функций и процедур, связанных с данным индивидуальным типом.

Структурный тип данных – это именованный тип данных, включающий один или более атрибутов любого из допустимых в SQL типа данных, в том числе другого структурного типа, типа коллекций, анонимного строчного типа и т. д. Дополнительные механизмы определяемых пользователями методов, функций и процедур позволяют определить поведенческие аспекты структурного типа. При определении структурного типа можно использовать механизм наследования от ранее определенного структурного типа.

При определении типизированной таблицы указывается ранее определенный структурный тип, и если в нем содержится n атрибутов, то в таблице образуется n+1 столбец, из которых последние n столбцов с именами и типами данных, совпадающими именам и типам атрибутов структурного типа. Первый же столбец, имя которого явно задается, называется «самоссылающимся» и содержит типизированные уникальные идентификаторы строк, которые могут генерироваться системой при вставке строк в типизированную таблицу, явно указываться пользователями или состоять из комбинации значений других столбцов. Типом «самоссылающегося» столбца является ссылочный тип, ассоциированный со структурным типом типизированной таблицы. Способ генерации значений ссылочного типа указывается при определении соответствующего структурного типа и подтверждается при определении типизированной таблицы.

При определении типизированных таблиц можно использовать механизм наследования. Можно определить подтаблицу типизированной супертаблицы, если структурный тип подтаблицы является непосредственным подтипом структурного типа супертаблицы. Подтаблица наследует у супертаблицы способ генерации значений ссылочного типа и все ограничения целостности, которые были специфицированы в определении супертаблицы. Дополнительно можно определить ограничения, затрагивающие новые столбцы.

С типизированной таблицей можно обращаться, как с традиционной таблицей, считая, что у нее имеются неявно определенные столбцы, а можно относиться к строкам типизированной таблицы, как к объектам структурного типа, OID которых содержатся в «самоссылающемся» столбце. Ссылочный тип можно использовать для типизации столбцов традиционных таблиц и атрибутов структурных типов, на которых потом определяются типизированные таблицы. В последнем случае можно считать, что значениями атрибутов соответствующих объектов являются объекты структурного типа, с которыми ассоциирован данный ссылочный тип.

Манипулирование данными в SQL

Средства манипулирования данными составляют значительную часть языка SQL и сравнительно подробно обсуждаются в лекциях 17-21. Здесь же мы ограничимся общей характеристикой оператора SQL SELECT, предназначенного для выборки данных и имеющего следующий синтаксис:

SELECT [ ALL | DISTINCT ] select_item_commalist
FROM table_reference_commalist
[ WHERE conditional_expression ]
[ GROUP BY column_name_commalist ]
[ HAVING conditional_expression ]
[ ORDER BY order_item_commalist ]

Выборка данных производится из одной или нескольких таблиц, указываемых в разделе FROM запроса. В последнем случае на первом этапе выполнения оператора SELECT образуется одна общая таблица, получаемая из исходных таблиц путем применения операции расширенного декартова умножения. Таблицы могут быть как базовыми, реально хранимыми в базе данных (традиционными или типизированными), так и порожденными, т.е. задаваемыми в виде некоторого оператора SELECT. Это допускается, поскольку результатом выполнения оператора SELECT в его базовой форме является традиционная таблица. Кроме того, в разделе FROM можно указывать выражения соединения базовых и/или порожденных таблиц, результатами которых опять же являются традиционные таблицы.