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

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 D₁×D₂×…×D_n множеств (доменов) D₁, D₂,…,D_n (n≥1), необязательно различных:

R D₁×D₂×…×D_n,

где D₁×D₂×…×D_n – полное декартово произведение, т.е. набор всевозможных сочетаний из n элементов каждое, где каждый элемент берется из своего домена.

Доменпредставляет 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:

(<A₁ : D₁>, <A₂ : D₂ >, …, <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(<A₁ :Val₁>, <A₂ :Val₂ >, …, <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(<A₁ : D₁>, <A₂ : D₂ >, …, <A_n : D_n>),

либо сокращенно: R(A₁, A₂, …, 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 = (A₁, A₂, …, 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;

- содержание данных из одних и тех же доменов для 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[20, C. 33-44].