Объектно-реляционная модель данных

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.

Объектно-ориентированная модель данных

Ещё один подход к построению БД – использование объектно-ориентированной модели данных (ООМД) [5]. 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.

	"Чистая математика делает то, что можно, и так, как нужно. Практическая математика делает то, что нужно, и так, как можно".
	«Фантазия или наука», Д.А. Поспелов, профессор, специалист по искусственному интеллекту

Обзор современных систем управления базами данных (СУБД)

Система управления базами данных (СУБД) – это важнейший ком-понент АИС, основанной на базе данных. СУБД необходима для создания и поддержки базы данных информационной системы в той же степени, как для разработки программы на алгоритмическом языке – транслятор. Программные составляющие СУБД включают в себя ядро и сервисные средства (утилиты).

Ядро СУБД – это набор программных модулей, необходимый и достаточный для создания и поддержания БД, то есть универсальная часть, решающая стандартные задачи по информационному обслуживанию пользователей. Сервисные программы предоставляют пользователям ряд дополнительных возможностей и услуг, зависящих от описываемой предметной области и потребностей конкретного пользователя.

Системой управления базами данных называют программную систему, предназначенную для создания на ЭВМ общей базы данных для множества приложений, поддержания её в актуальном состоянии и обеспечения эффективного доступа пользователей к содержащимся в ней данным в рамках предоставленных им полномочий.

Принципиально важное свойство СУБД заключается в том, что она по-зволяет различать и поддерживать два независимых взгляда на БД: "взгляд" пользователя, воплощаемый в "логическом" представлении данных, и "взгляд" системы – "физическое" представление (организация хранимых данных).

Для инициализации базы данных разработчик средствами конкретной СУБД описывает логическую структуру БД, её организацию в среде хранения и пользовательские представления данных (соответственно концептуальную схему БД, схему хранения и внешние схемы). Обрабатывая эти схемы, СУБД создаёт пустую БД требуемой структуры и предоставляет средства для наполнения её данными предметной области и дальнейшей эксплуатации.

Классификация СУБД

По степени универсальности СУБД делят на два класса: СУБД общего назначения (СУБД ОН) и специализированные СУБД (СпСУБД).

СУБД ОН не ориентированы на какую-либо предметную область или на конкретные информационные потребности пользователей. Каждая система такого рода является универсальной и реализует функционально избыточное множество операций над данными. СУБД ОН имеют в своём составе средства настройки на конкретную предметную область, условия эксплуатации и требования пользователей. Производство этих систем поставлено на широкую коммерческую основу.

Специализированные СУБД создаются в тех случаях, когда ни одна из существующих СУБД общего назначения не может удовлетворительно решить задачи, стоящие перед разработчиками. Причин может быть несколько:

• не достигается требуемого быстродействия обработки данных;
• необходима работа СУБД в условиях жёстких аппаратных ограничений;
• требуется поддержка специфических функций обработки данных.

СпСУБД предназначены для решения конкретной задачи, а приемлемые параметры этого решения достигаются следующим образом:

1. за счёт знания особенностей конкретной предметной области,
2. путём сокращения функциональной полноты системы.

Создание СпСУБД – дело весьма трудоёмкое, поэтому для того, чтобы выбрать этот путь, надо иметь действительно веские основания. В дальнейшем будут рассматриваться только СУБД общего назначения.

По методам организации хранения и обработки данных СУБД делят на централизованные и распределённые. Первые работают с БД, которая физически хранится в одном месте (на одном компьютере). Это не означает, что пользователь может работать с БД только за этим же компьютером: доступ может быть удалённым (в режиме клиент–сервер). Большинство централизованных СУБД перекладывает задачу организации удалённого доступа к данным на сетевое обеспечение, выполняя только свои стандартные функции, которые усложняются за счёт одновременности доступа многих пользователей к данным.

Информационная система, построенная по принципу клиент/сервер, состоит обычно из трех основных компонентов:

1. сервер БД. который и является собственно СУБД и управляет хранением данных, доступом, защитой, резервным копированием, отслеживает целостность данных и выполняет запросы клиента;

2. клиенты, представляющие собой различные приложения пользователей и выполняющие запросы к серверу, проверяющие допустимость данных и получающие ответы от него;

3. сеть и коммуникационное программное обеспечение, осуществляющее взаимодействие между клиентом и сервером с помощью сетевых протоколов.

В функции сервера БД входит не только непосредственное обслуживание данных. Обязательно предусматриваются системы блокировки и управления многопользовательским доступом, элементы ограждения данных от несанкционированного доступа, структуры оптимизации запросов к БД.

Кроме того, в задачи серверной части СУБД входит обеспечение ссылочной целостности данных и контроль завершения транзакций. Ссылочная целостность данных - это система и набор специальных правил, обеспечивающих единство связанных данных в БД. Контроль завершения транзакций - задача СУБД по контролю и предупреждению повреждения данных в нештатных ситуациях, например, при аппаратном сбое.

Эти функции реализуются при помощи хранимых процедур, триггеров и правил. Хранимые процедуры - это набор особых действий и манипуляций с данными, который хранится на сервере, причем программы-клиенты способны их выполнять. Триггеры - это вид хранимых процедур. Они связаны с событиями, и запускаются автоматически, как только на сервере БД с данными происходит такое событие. Правило - это такой тип триггера, который проверяет данные до внесения их в БД.

В задачи коммуникационного программного обеспечения входит в первую очередь обеспечение возможности программе-клиенту быстро и легко подключиться к ресурсам сервера. Существуют разнообразные варианты этого программного обеспечения, но все они должны освобождать прикладные программы от сложного взаимодействия с операционной системой, сетевыми протоколами и серверами ресурсов.

Основные преимущества клиент/сервер по сравнению с аналогичными информационными системами заключаются в следующем.

Во-первых, - это снижение количества передаваемой по компьютерной сети информации. Это происходит потому, что, скажем, при выборке из большой БД нескольких записей сервер обрабатывает запрос и в качестве результата передает клиенту только интересующую информацию, а не всю БД.

Во-вторых, преимуществом архитектуры клиент/сервер является возможность хранения правил доступа и обработки на сервере, что позволяет избежать дублирования кода в различных приложениях, использующих общую БД. Кроме того, любая манипуляция с данными может быть произведена только в рамках этих правил. Часть кода, связанного с обработкой данных, как правило, реализуется в виде хранимых процедур сервера, что позволяет еще более ускорить работу клиентского приложения за счет уменьшения его размеров, а это в свою очередь означает, что требования к рабочим станциям могут быть не такими высокими. Это в конечном итоге снижает общую стоимость информационной системы даже при использовании дорогостоящей СУБД и мощного сервера БД.

В третьих, современные СУБД. реализованные на платформе клиент/сервер, обладают мощными возможностями управления доступа к элементам БД, резервного копирования, архивации и параллельной обработки данных, что значительно улучшает работу.

Используя множество компьютеров, системы на платформе клиент/сервер распределяют прикладную задачу по различным рабочим станциям и серверам. Каждый элемент при этом берет на себя свою часть вычислительной нагрузки, используя информацию совместно с другими компьютерами сети, при этом мощность системы повышается без наращивания производительности одного отдельного компьютера, а получается как результат суммирования возможностей многих. Помимо всего, архитектура клиент/сервер является технологией, предоставляющей большую самостоятельность пользователям и возможность проявления творчества в создании клиентских приложений.

По модели данных различают иерархические, сетевые, реляционные, объектно-реляционные и объектно-ориентированные СУБД.

Для реляционных СУБД Э.Ф. Кодд предложил и обосновал 12 правил, которым должна удовлетворять реляционная СУБД данных (РСУБД).

Правила Кодда для реляционной СУБД (РСУБД)

1. Явное представление данных (The Information Rule). Информация должна быть представлена в виде данных, хранящихся в ячейках. Данные, храня-щиеся в ячейках, должны быть атомарны. Порядок строк в реляционной таблице не должен влиять на смысл данных.
2. Гарантированный доступ к данным (Guaranteed Access Rule). К каждому элементу данных должен быть гарантирован доступ с помощью комбинации имени таблицы, первичного ключа строки и имени столбца.
3. Обработка неизвестных значений (Systematic Treatment of Null Values). Неизвестные значения NULL, отличные от любого известного значения, должны поддерживаться для всех типов данных при выполнении любых операций. Например, для числовых данных неизвестные значения не должны рассматриваться как нули, а для символьных данных – как пустые строки.
4. Динамический каталог данных, основанный на реляционной модели (Dynamic On-Line Catalog Based on the Relational Model). Каталог (или словарь-справочник) данных должен сохраняться в форме реляционных таблиц, и РСУБД должна поддерживать доступ к нему при помощи стандартных языковых средств, тех же самых, которые используются для работы с реляционными таблицами, содержащими пользовательские данные.
5. Полнота подмножества языка (Comprehensive Data Sublanguage Rule). РСУБД должна поддерживать единственный язык, который позволяет выполнять все операции над данными: определение данных (DDL, Data Definition Language), манипулирование данными (DML, Data Manipulation Language), управление доступом пользователей к данным, управление транзакциями.
6. Поддержка обновляемых представлений (View Updating Rule). Представление (view) – это хранимый запрос к таблицам базы данных. (Подробнее о представлениях рассказано в [3]). Обновляемое представление должно поддерживать все операции манипулирования дан-ными, которые поддерживают реляционные таблицы: операции вставки, модификации и удаления данных.
7. Наличие высокоуровневых операций управления данными (High-Level Insert, Update, and Delete). Операции вставки, модификации и удаления данных должны поддерживаться не только по отношению к одной строке таблицы, но по отношению к любому множеству строк произвольной таблицы.
8. Физическая независимость данных (Physical Data Independence). Приложения не должны зависеть от используемых способов хранения данных на носителях, от аппаратного обеспечения компьютера, на котором находится БД. РСУБД должна предоставлять некоторую свободу модификации способов организации базы данных в среде хранения, не вызывая необходимости внесения изменений в логическое представление данных. Это позволяет оптимизировать среду хранения данных с целью повышения эффективности системы, не затрагивая созданных прикладных программ, работающих с БД.
9. Логическая независимость данных (Logical Data Independence). Это свойство позволяет сконструировать несколько различных логических взглядов (представлений) на одни и те же данные для разных групп пользователей. При этом пользовательское представление данных может сильно отличаться не только от физической структуры их хранения, но и от концептуальной (логической) схемы данных. Оно может синтезироваться динамически на основе хранимых объектов БД в процессе обработки запросов.
10. Независимость контроля целостности (Integrity Independence). Вся информация, необходимая для поддержания целостности, должна находиться в словаре данных. Язык для работы с данными должен выполнять проверку входных данных и автоматически поддерживать целостность данных. Это реализуется с помощью ограничений целостности и механизма транзакций (см. разделы 5.2 и 6.1).
11. Независимость от распределённости (Distribution Independence). База данных может быть распределённой (может находиться на нескольких компьютерах), и это не должно оказывать влияние на приложения. Перенос базы данных на другой компьютер не должен оказывать влияние на приложения.
12. Согласование языковых уровней (Non-Subversion Rule). Не должно быть иного средства доступа к данным, отличного от стандартного языка для работы с данными. Если используется низкоуровневый язык доступа к данным, он не должен игнорировать правила безопасности и целостности, которые поддерживаются языком более высокого уровня.