Объектно-ориентированная СУБД (прототип)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОНИКИ И МАТЕМАТИКИ

Кафедра Автоматизации и Интеллектуализации Процессов Управления

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К дипломной работе

На тему: «Разработка прототипа системы управления
объектно-ориентированной базой данных»

Студент Юдин Илья Викторович

Руководитель дипломной работы: Нечаев Анатолий Михайлович

Специальная часть: Титов Виктор Иванович

М О С К В А

1 9 9 9

Содержание

1. Введение............................................................................................................................................ 3

1.1 Причины появления объектно-ориентированных баз данных.................................................. 3

1.2 Подходы в разработке ООБД.......................................................................................................... 4

1.3 Краткий сравнительный анализ постреляционных и традиционных баз данных................. 5

1.4 Основания дипломной работы...................................................................................................... 5

1.5 Анализ полученного результата................................................................................................... 7

2. Уточнение методов решения задачи.............................................................................. 8

2.1 Наследование................................................................................................................................... 8

2.2 Инкапсуляция................................................................................................................................ 10

2.3 Идентификатор объекта................................................................................................................ 11

2.4 Идентификатор поля агрегата..................................................................................................... 13

2.5 Триггеры. Ограничение доступа.................................................................................................. 13

2.6 Действие (knowhow)...................................................................................................................... 14

2.7 Объекты-поведения....................................................................................................................... 14

2.8 Принципы взаимодействия объектов......................................................................................... 14

2.9 Транзакции и механизм согласованного управления............................................................ 17

3. Разработка структуры СУ...................................................................................................... 18

3.1 Положение дел в области интероперабельности систем.......................................................... 18

3.2 Менеджер памяти........................................................................................................................... 20

3.3 Виртуальная память и каналы.................................................................................................... 20

3.4 Система управления кэшированием объектов......................................................................... 21

3.5 Система управления журнализацией и восстановлением...................................................... 23

3.6 Принципы реализации механизма согласованного управления.......................................... 24

4. Представление данных в ООБД.......................................................................................... 28

4.1 Базовые объекты системы............................................................................................................ 28

4.2 Строение объекта........................................................................................................................... 28

4.3 Контекст транзакции..................................................................................................................... 30

5. Описание операций над объектами в БД................................................................... 31

6. Требования к техническим и программным средствам.................................. 33

7. Реализация прототипа.......................................................................................................... 34

7.1 Построитель.................................................................................................................................... 34

7.2 Заголовочный модуль для каналов............................................................................................ 34

7.3 Менеджер виртуальной памяти................................................................................................... 35

7.4 Система управления хранением объектов................................................................................. 38

7.5 Система управления каналами................................................................................................... 39

7.6 Работа с базовыми объектами..................................................................................................... 40

7.7 Выполнение действий................................................................................................................... 42

7.8 Кэширование объектов................................................................................................................. 42

8. Контрольный пример, демонстрирующий возможности технологии.. 44

9. Оценка трудоемкости разработки ПО с использованием традиционного и предлагаемого подходов........................................................................................................ 45

9.1 Табличные базы данных с низкоуровневыми операциями доступа...................................... 45

9.2 Реляционные базы данных........................................................................................................... 45

9.3 Объектно-ориентированные базы данных................................................................................. 46

9.4 Будущее применения различных баз данных............................................................................ 46

10. Литература................................................................................................................................... 47

1. Введение 1.1    Причины появления объектно-ориентированных баз данных

Развитие вычислительной техники и увеличение объемов хра­нимой информации привело к необходимости выделения техноло­гии баз данных в отдельную науку. Как правило, базы данных хранили множество однотипных данных, предоставляя пользо­вателю сервис дос­тупа к нужной ему информации. На смену иерархическим и сете­вым базам данных пришли реляционные базы данных. Успех реля­ционных баз данных обусловлен их более простой архитектурой, на­личием ненавигационного языка запросов и, главное, ясностью ма­те­матики реляционной алгебры.

На этапе зарождения технологии баз данных при построении какой-либо базы данных строилась физическая модель. С накоп­лени­ем опыта стало понятно, что нужен переход к даталогической модели, ко­торая позволяет абстрагироваться от конкретной СУБД. Появилось поня­тие схемы базы данных, описывающей организацию данных в СУБД. Программы стали работать с базой данных не напрямую, а через схему БД. Такой подход обеспечил возможность менять струк­туру БД без необходимости изменять логику программ. Появление и стандартизация SQL предоставила единый интерфейс для работы с данными. Иерархическая и сетевая модели баз данных стали применяться крайне редко. Это было вызвано, прежде всего, труд­ностью модификации схем иерар­хических и сетевых баз данных и силь­но зависящей от приложений навигацией в этих базах данных.

 

Далее, развитие объектно-ориенти­рован­ного анализа и объ­ектно-ориентированного про­ек­ти­­ро­ва­ния как эффектив­ных под­ходов для формализации пред­мет­ной об­лас­ти, при­ве­ло к появ­ле­нию инфо­ло­ги­ческой модели пред­мет­ной об­ласти. Теперь, при разработке базы дан­­ных составлялось три модели пред­став­ле­ния информации пред­метной области: инфо­логическая, да­­та­логическая и физическая, не счи­­тая локальных пользовательских пред­став­лений.

Рис 1: Этапы проектирования БД

Поскольку физи­ческая модель требовала привлечения эксперта в области конкретной СУБД для получения эффективного размещения дан­ных, физическая модель стала строиться самой СУБД из схемы БД, вводимой поль­зователем на основе дата­логической модели предметной области. Затем появились CASE-средства, позволяющие создавать инфо­логи­ческую модель предметной области и транслирующие ее в дата­логи­ческую модель.

Казалось бы, что цель достигнута, – проектировщик работает толь­ко с инфо­логи­ческой моделью, но на самом деле, до тех пор, пока работа происходит с реля­ционной базой данных, существует разрыв меж­ду языком программирования (логикой поль­зователя) и языком описания данных (представлением данных), который преодо­левать дол­жен прог­рам­мист. Суть разрыва можно сформулировать так: воз­мож­ности ра­бо­ты с данными программы и с данными СУБД должны быть оди­наковы.

В конце 80-х – начале 90-х годов массовое внедрение персо­наль­ных компьютеров привело к развитию мультимедиа-технологий и на­столь­ных САПР, структуры данных в которых слишком сложны для про­цедур­ного программирования или же необычны (нап­ример, звук). Это, а также то, что объектно-ориентированное программирование позво­ляет су­щест­венно снизить сложность разработки и обеспечить адекватное пред­став­ле­нию моделирование предметной области, при­вело к тому, что в области языков програм­мирования произошло сли­яние стилей языков вы­сокого уровня. Доминирующим под­ходом стало внедрение в них технологий объектно-ориентированного прог­рам­ми­рова­ния. Не остались в стороне и языки, встроенные в СУБД. В качестве примера выше­изло­женного можно привести продукт Visual FoxPro фирмы Microsoft. Эта СУБД обла­дает объектно-ориен­тированным языком прог­рам­ми­ро­вания, но, по сути, является реля­цион­ной СУБД, поскольку хранимые дан­ные представлены в виде таб­лиц, а таблицы пред­ставляют собой мно­жество кортежей, которые содер­жат атомарные значения. Такое несо­­ответствие и привело к буму в области разработки постреляционных баз данных.

Сложившаяся ситуация хотя чем-то и напоминает время перехода к реляционным базам данных, однако во многом и отли­чается. Прежде всего, отсутствует мате­мати­чес­кая модель, кото­рая бы­ла бы однозначно признана всеми ведущими разра­ботчиками пост­ре­ляционных СУБД. Нет документа, который одноз­начно опре­делил бы требования к таким СУБД. И, наконец, нет самой системы, которая считалась бы эталоном для других систем, как это было с СУБД System-R фирмы IBM.

Одним из основных критериев выбора СУБД всегда была произ­водительность. Одна­ко, несмотря на то, что объектно-ориентированные базы данных существуют уже около 10 лет, стандартных тестов на про­из­водительность пока нет. Тому есть несколько причин: отсутствие стандартного языка запросов, канонических приложений, разница в архи­тектуре и т.д.

Что же есть? Имеется многочисленный опыт разработок, нап­ри­мер Jasmine, POSTGRES, и других. Три документа, содержащих поже­ла­ния относительно возмож­ностей постреляционных СУБД : [3], [12] и [14].

1.2 Подходы в разработке ООБД

За время существования баз данных накоплено огромное количество инфор­мации. Разработано огромное количество приложе­ний для работы с базами данных. Это при­вело к появлению двух кон­ку­ри­рующих концепций архитектур постреляционных СУБД: