Введение в MySQL. Объектно-ориентированная модель 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.

12 мая 2010 в 14:04

Реляционные БД vs Объектно-ориентированные БД

Разработка веб-сайтов

К сожалению не нашел на хабре достаточно интересных стаей про объектно-ориентированные базы данных (ООБД). Хотелось бы поднять эту тему, т.к. в последнее время все больше и больше идет разговоров об ООБД. Однако в одну статью всю информацию уложить не получится, поэтому приведу для начала небольшой обзор и свои размышления на эту тему. В этой статье я не буду рассматривать конкретные решения, основанные на каждой из технологий, а только постараюсь сравнить сами технологии.

Предыстория

Я занимаюсь проектированием и разработкой баз данных уже порядка 6 лет. За это время у меня сложилось свое видение как лучше подходить к проектированию, как выбирать архитектуру системы, какие существуют особенности при нормализации и денормализации реляционных БД, как оптимизировать те или иные конструкции и запросы. В первый год работы я пришел к тому, что не хочу заниматься рутиной по написанию одних и тех же запросов. В результате я написал свой генератор хранимых процедур, который по структуре БД генерировал большинство рутинных запросов (если будет интересно, то могу написать статью на эту тему). Затем этот генератор эволюционировал из года в год, и, в итоге, я пришел к необходимости хранить объекты, как они есть, чтобы не заморачиваться переводом объектной модели в реляционную структуру. Т.е. фактически я пришел к генерации некой ORM надстройки. Конечно, Вы можете сказать, что уже создано достаточное количество качественных ORM надстроек и объектно-реляционных БД, которые можно успешно использовать (и я с Вами соглашусь, но с некоторыми оговорками). Но и это меня не устроило. И я решил пойти дальше.

Влияние ORM

По моему скромному мнению использование ORM надстроек только тормозит развитие ООБД. Постараюсь пояснить это достаточно спорное утверждение. Я не считаю, что ORM это зло, но и абсолютным добром она тоже не является. Технология ORM несомненно сыграла (да и сейчас играет) важную роль в развитии средств разработки, она показала, что программист на самом деле может и не заботиться о логике хранения данных. Однако здесь, как и везде есть свои «НО».

Использование ORM несомненно ускоряет разработку продукта, снижает трудозатраты и бла-бла-бла. Однако, любая ORM это некая прослойка, которая всегда будет работать медленнее, нежели прямая работа (я тут отнюдь не призываю перенести все вызовы SQL запросов в приложение – везде должна быть золотая середина). Наличие ORM позволяет разработчикам не особо задумываться о работе СУБД (и они-таки не задумываются в большистве своем), что влечет за собой, мягко говоря, не совсем оптимальную работу приложения под нагрузкой. Для оптимизации приходится лезть руками в прослойку и настраивать запросы так, чтобы они стали работать быстрее, приходится лезть в базу данных и перенастраивать индексы и таблицы. Таким образом, для оптимальной работы приложения необходимо приложить больше усилий, нежели когда ORM отсутствует. В итоге мы сокращаем затраты на разработку и ускоряем выпуск первой версии продукта, но усложняем процесс оптимизации.

Однако об оптимизации никто не думает в момент написания первой (а зачастую и второй, и третьей) версии продукта. Для большинства контор сейчас главным фактором является не качество, а скорость разработки. Оно и понятно: изначально заказчик хочет получить продукт как можно раньше, затратив минимум денег. И только спустя некоторое время, когда база наполнится реальными данными, пройдет пару месяцев, заказчик (да и разработчик тоже) с удивлением обнаруживает, что время выборок увеличилась почти вдвое, при работе 10-20 пользователей одновременно СУБД пытается покончить жизнь самоубийством и т.д. и т.п. Разработчик часто руководствуется восточной мудростью: А там уже либо ишак сдохнет, либо султан, либо сам Ходжа . Но, если никто не сдох, то вот тут-то разработчик и начинает искать узкие места, выдирает из ORM автоматически сгенерированные запросы, переписывает их руками, перестраивает индексы в таблицах БД и тратит на это и подобную оптимизацию еще уйму времени и сил.

Что-то меня понесло в сторону. Надеюсь, я достаточно понятно изложил свою позицию относительно ORM. Давайте вернемся к сравнению (или, если кому угодно - противостоянию) реляционных и объектно-ориентированных БД.

Реляционные БД vs ООБД

Не смотря на огромную популярность парадигмы ООП в программировании, в технологии разработки баз данных эта парадигма пока не особо популярна. И тому есть как объективные, так и субъективные причины.

Популярность. Под реляционные базы создано множество замечательных продуктов, которые необходимо поддерживать и развивать. В эти продукты уже вложены большие деньги и заказчики готовы еще вкладывать деньги в их развитие. Напротив, с использованием ООБД разработано сравнительно мало серьезных коммерческих продуктов, существует мало мощных ООСУБД.
Язык запросов и его стандартизация. Еще в далеком 1986 году был принят первый стандарт SQL-86, который определил всю судьбу реляционных БД. После принятия стандарта все разработчики реляционных СУБД обязаны были следовать ему. Для объектно-ориентированных баз данных пока стандарта языка запросов нет. Сейчас среди разработчиков даже нет единого мнения о том, что этот язык запросов должен делать, не говоря уже о том, как он это должен делать.
Математический аппарат. Для реляционных БД в свое время Эдгар Кодд заложил фундамент математического аппарата реляционной алгебры. Этот мат. аппарат объясняет, как должны выполняться основные операции над отношениями в базе данных, доказывает их оптимальность (либо из него видно, где надо оптимизировать). С другой стороны для ООБД нет такого аппарата, даже не смотря на то, что работы в этой области ведутся с 80-х годов. Таким образом, в ООБД пока нет строгих терминов, таких как декартово произведение, отношение и т.д.
Проблема хранения данных и методов. В реляционных БД хранятся только голые данные. Что с ними будет делать приложение, зависит уже от приложения. В ООБД же, напротив должны храниться объекты, а объект это совокупность его свойств (параметры объекта) и методов (интерфейс объекта). Здесь так же нет единого мнения, как ООБД должна осуществлять хранение объектов и как разработчик должен эти объекты разрабатывать и проектировать. Здесь же возникает и проблема хранения иерархии объектов, хранение абстрактных классов и т.п.

Выводы и перспективы

В свете сложившейся в настоящее время ситуации в мире разработки, перспектива появления серьезных и популярных решений с использованием ООБД кажется весьма сомнительной (но от этого не менее желаемой) до тех пор, пока не будут разрешены фундаментальные вопросы (мат аппарат и стандарт языка запросов). Меня, как разработчика, это несколько печалит, ибо я пришел к выводу, что наличие мощной и удобной ООБД просто необходимо для дальнейшего качественного развития средств разработки баз данных.

Что касается перспектив реляционных БД, то я полагаю, что они будут жить еще достаточно долго. ООБД все равно не смогут заменить реляционные БД в полном объеме. В некоторых реальных задачах все же удобней и правильней хранить данные не в объектах, а в таблицах.

Таким образом, я считаю, что со временем ООБД отвоюет у реляционных БД кусок рынка коммерческих систем, однако добиться такого тотального преимущества, которое сейчас имеют реляционные БД им не под силу.

(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.

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.

Предыстория

Влияние ORM

Реляционные БД vs ООБД

Популярность. Под реляционные базы создано множество замечательных продуктов, которые необходимо поддерживать и развивать. В эти продукты уже вложены большие деньги и заказчики готовы еще вкладывать деньги в их развитие. Напротив, с использованием ООБД разработано сравнительно мало серьезных коммерческих продуктов, существует мало мощных ООСУБД.
Язык запросов и его стандартизация. Еще в далеком 1986 году был принят первый стандарт SQL-86, который определил всю судьбу реляционных БД. После принятия стандарта все разработчики реляционных СУБД обязаны были следовать ему. Для объектно-ориентированных баз данных пока стандарта языка запросов нет. Сейчас среди разработчиков даже нет единого мнения о том, что этот язык запросов должен делать, не говоря уже о том, как он это должен делать.
Математический аппарат. Для реляционных БД в свое время Эдгар Кодд заложил фундамент математического аппарата реляционной алгебры. Этот мат. аппарат объясняет, как должны выполняться основные операции над отношениями в базе данных, доказывает их оптимальность (либо из него видно, где надо оптимизировать). С другой стороны для ООБД нет такого аппарата, даже не смотря на то, что работы в этой области ведутся с 80-х годов. Таким образом, в ООБД пока нет строгих терминов, таких как декартово произведение, отношение и т.д.
Проблема хранения данных и методов. В реляционных БД хранятся только голые данные. Что с ними будет делать приложение, зависит уже от приложения. В ООБД же, напротив должны храниться объекты, а объект это совокупность его свойств (параметры объекта) и методов (интерфейс объекта). Здесь так же нет единого мнения, как ООБД должна осуществлять хранение объектов и как разработчик должен эти объекты разрабатывать и проектировать. Здесь же возникает и проблема хранения иерархии объектов, хранение абстрактных классов и т.п.