Что такое объектно-ориентированные базы данных

Причиной появления систем объектно-ориентированных баз данных была потребность в более адекватном представлении и моделировании сущностей реального мира, поскольку ООБД обеспечивают гораздо более развитую модель данных, нежели традиционные — реляционные базы данных. Парадигма ООБД основывается на ряде базовых понятий, таких как объект, идентифицируемость, класс, наследование, перегрузка и отложенное связывание.

В объектно-ориентированной модели данных любая сущность реального мира представляется всего одним понятием — объектом. С объектом ассоциируется состояние и поведение. Состояние объекта определяется значениями его свойств — атрибутов. Значениями свойства могут являться примитивные значения (такие, как строки или целые числа) и непримитивные объекты. Непримитивный объект, в свою очередь, состоит из набора свойств. Следовательно, объекты можно рекурсивно определять в терминах других объектов. Поведение объекта определяется с помощью методов, которые оперируют над состоянием объекта.

У каждого объекта имеется определяемый системой уникальный идентификатор. Объекты, обладающие одними и теми же свойствами и поведением, группируются в классы. Объект может быть экземпляром только одного класса или нескольких классов.

В подавляющем большинстве реализаций ООБД лежат такие киты:

Абстракция: Каждая реальная "вещь", которая хранится в БД, является членом какого-либо класса. Класс определяется как совокупность свойств (properties), методов (methods), общедоступных (public) и частных (private) структур данных, а также программы, применимых к объектам (экземплярам) данного класса. Классы представляют собой ни что иное, как абстрактные типы данных. Методы - это процедуры, которые вызывается для того, чтобы произвести какие-либо действия с объектом (например, напечатать себя или скопировать себя). Свойства - это значения данных, связанные с каждым объектом класса, характеризующие его тем или иным образом (например, цвет, возраст). Свойства присутствуют не во всех реализациях, по сути дела, они являются краткой записью методов без аргументов (таких как "сообщите свой цвет", "сообщите свой возраст").
Инкапсуляция: Внутреннее представление данных и деталей реализации общедоступных и частных методов (программ) является частью определения класса и известно только внутри этого класса. Доступ к объектам класса разрешен только через свойства и методы этого класса или его родителей (см. ниже "наследование"), а не путем использования знания подробностей внутренней реализации.
Наследование (одиночное или множественное): Классы определены как часть иерархии классов. Определение каждого класса более низкого уровня наследует свойства и методы его родителя, если они только они явно не объявлены ненаследуемыми или изменены новым определением. При одиночном наследовании класс может иметь только один родительский класс (т.е. классовая иерархия имеет древовидную структуру). При множественном наследовании класс может происходить от многочисленных родителей (т.е. иерархия классов имеет структуру ориентированного нециклического графа, не обязательно древовидную). Не все объектно-ориентированные СУБД поддерживают множественное наследование.
Полиморфизм: Несколько классов могут иметь совпадающие имена методов и свойств, даже если они считаются различными. Это позволяет писать методы доступа, которые будут правильно работать с объектами совершенно различных классов, лишь бы соответствующие методы и свойства были в этих классах определены. Например, метод Print может быть определен во многих классах, но работать по-разному, в зависимости от класса объекта, к которому он применяется.
Сообщения: Взаимодействие c объектами осуществляется путем посылки сообщений с возможностью получения ответов. Это отличается от традиционного для других моделей вызова процедур. Для того, чтобы применить метод к объекту, надо послать ему сообщение типа "примени к себе данный метод" (например, "напечатай себя"). Парадигма пересылки сообщений не всегда используется в объектно-ориентированных базах данных, однако типична для "истинно" ОО-реализаций.

Архитектура

Предлагаемая ODMG архитектура показана на рисунке. В этой архитектуре определяются способ хранения данных и разные виды пользовательского доступа к этому “хранилищу данных”. Единое хранилище данных доступно из языка определения данных, языка запросов и ряда языков манипулирования данными. ODL означает Object Definition Language (язык определения объектов), OQL – Object Query Language (язык объектных запросов) и OML – Object Manipulation Language (язык манипулирования объектами).

Центральной в архитектуре является модель данных, представляющая организационную структуру, в которой сохраняются все данные, управляемые ООСУБД. Язык определения объектов, язык запросов и языки манипулирования разработаны таким образом, что все их возможности опираются на модель данных. Архитектура допускает существование разнообразных реализационных структур для хранения моделируемых данных, но важным требованием является то, что все программные библиотеки и все поддерживающие инструментальные средства обеспечиваются в объектно-ориентированных рамках и должны сохраняться в согласовании с данными.

Основными компонентами архитектуры являются следующие:

Объектная модель данных. Все данные, сохраняемые ООСУБД, структуризуются в терминах конструкций модели данных. В модели данных определяется точная семантика всех понятий.
Язык определения данных (ODL). Схемы баз данных описываются в терминах языка ODL, в котором конструкции модели данных конкретизируются в форме языка определения. ODL позволяет описывать схему в виде набора интерфейсов объектных типов, что включает описание свойств типов и взаимосвязей между ними, а также имен операций и их параметров. ODL не является полным языком программирования; реализация типов должна быть выполнена на одном из языков категории OML. Кроме того, ODL является виртуальным языком в том смысле, что в стандарте ODMG не требуется его реализация в программных продуктах ООСУБД, которые считаются соответствующими стандарту. Допускается поддержка этими продуктами эквивалентных языков определения, включающих все возможности ODL, но адаптированных под особенности конкретной системы. Тем не менее, наличие спецификации языка ODL в стандарте ODMG является важным, поскольку в языке конкретизируются свойства модели данных.
Язык объектных запросов (OQL). Язык имеет синтаксис, похожий на синтаксис языка SQL, но опирается на семантику объектной модели ODMG . В стандарте допускается прямое использование OQL и его встраивание в один из языков категории OML.
Языки манипулирования объектами (OML). Для программирования реализаций операций и приложений требуется наличие объектно-ориентированного языка программирования. OML представляется собой интегрирование языка программирования с моделью ODMG; это интегрирование производится за счет определенных в стандарте правил языкового связывания (language binding). Дело в том, что в самих языках программирования, естественно, не поддерживается стабильность объектов. Чтобы разрешить программам на этих языках обращаться к хранимым данным, языки должны быть расширены дополнительными конструкциями или библиотечными элементами. Эту возможность и обеспечивает языковое связывание.
В одной ООСУБД могут поддерживаться несколько OML.
Постоянное хранилище объектов. Логическая организация хранилища данных любой ООСУБД, совместимой со стандартом ODMG, должна основываться на модели данных ODMG. Физическая организация у разных ООСУБД может различаться, но в любом случае она должна обеспечивать эффективные структуры данных для хранения иерархии типов и объектов, являющихся экземплярами этих типов. Иерархия типов связана не только с данными, но и с различными библиотеками и компонентами инструментальных средств, поддерживающими разработку приложений. Так что в ООСУБД, совместимой со стандартом ODMG , хранилище представляет собой интегрированную систему, где согласованным образом сохраняются данные и программный код.
Инструментальные средства и библиотеки. Инструментальные средства, поддерживающие, например, разработку пользовательских приложений и их графических интерфейсов, программируются на одном из OML и сохраняются как часть иерархии классов. Библиотеки функций доступа, арифметических функций и т.д. также сохраняются в иерархии типов и являются единообразно доступными из программного кода разработчика приложения. Ассортимент инструментальных средств и библиотек в стандарте не определяется.

Объектная модель

Модель ODMG является объектной моделью данных, включающей возможность описания как объектов, так и литеральных значений. На разработку модели повлиял тот факт, что она предназначена для поддержки работы с базами данных, так что особо важной является эффективность доступа к данным. Большинство других объектных моделей ориентировано на языки программирования, рассчитанных на работу со всеми данными в основной памяти. В этом случае допустимо представлять все данные как объекты. Но если требуется управлять большим объемом данных, расположенных во внешней памяти, то требуется некоторый компромисс между “чистотой” модели и требуемой эффективностью. Модель ODMG подстраивается под специфику систем баз данных следующим образом:

Для баз данных, схем и подсхем обеспечивается набор встроенных объектных типов.
Модель включает ряд встроенных структурных типов, позволяющих применять традиционные методы моделирования баз данных.
Модель одновременно включает понятия объектов и литералов.
В модели связи между объектами отличаются от атрибутов.

Объекты и литералы

Как утверждалось в Первом манифесте, одним из важнейших отличий объектов от значений является наличие у объекта уникального идентификатора. Накладные расходы, требуемые для обращения к объекту по его идентификатору с целью получения доступа к базовым значениям данных, могут весьма сильно замедлить работу приложений. Поэтому в модели ODMG допускается описание всех данных в терминах объектов и использование традиционного вида значений, которые в модели называются литеральными значениями. Таким образом, возраст человека может задаваться целочисленным литералом, а не объектом, имеющим свойство возраст. В этом случае значение возраста будет сохраняться как часть структуры данных объекта человек, а не в отдельном объекте. Это, в частности, означает, что объект может входить в состав нескольких других объектов, а литерал – нет. Схема базы данных в модели ODMG главным образом состоит из набора объектных типов, но компонентами этих типов могут быть типы литеральных значений.

Другим понятием, используемым для различения объектов и литералов, является понятие изменчивости (mutability). Предположим, например, что данные о человеке составляют структуру <имя, возраст, адрес_проживания>. Тогда возможны два варианта хранения этих данных:

Если человек представляется в виде объекта, то компоненты описывающей его структуры данных могут изменяться (например, может изменяться адрес), но объект (человек) остается тем же самым (поскольку объектный идентификатор не изменяется). Тем самым, объекты обладают свойством изменчивости.

Если же данные о человеке сохраняются в виде литеральной структуры, и один из компонентов этой структуры изменяется, то вся структура трактуется как новое значение. Если данные о человеке не должны изменяться, то не может изменяться ни один элемент структуры, и она является неизменчивым литералом.

Другими словами, объект идентифицируется своим объектным идентификатором (OID – Object Identifier), который полностью отделен от значений компонентов объекта, а литерал полностью идентифицируется значениями своих компонентов.

Связи

В большинстве объектных систем связи неявно моделируются как свойства, значениями которых являются объекты. Например, если человек работает на некоторую компанию, то у каждого объекта-человека должно иметься свойство, которое можно назвать worksFor и значением которого является соответствующий объект-компания. Возникает проблема, если у объекта-компании имеется свойство, которое затрагивает множество служащих этой компании (например, employees – множество, включающее все объекты служащих данной компании). Эти два свойства являются несвязными, и поддержка их согласованности может вызывать значительную программистскую проблему.

В модели ODMG различаются два вида свойств – атрибуты и связи, хотя и несколько другим образом. Атрибутами называются свойства объекта, значение которых можно получить по OID объекта, но не наоборот. Значениями атрибутов могут быть и литералы, и объекты, но только тогда, когда не требуется обратная ссылка. Связи – это инверсные свойства. В этом случае значением свойства может быть только объект, поскольку литеральные значения не обладают свойствами. Поэтому возраст служащего обычно моделируется как атрибут, а компания, в которой работает служащий, – как связь.

При определении связи должна быть определена ее инверсия. В приведенном выше примере, если worksFor определяется как связь, должно быть явно указано, что инверсией является свойство employees объекта-компании, а при определении employees должна быть указана инверсия worksFor . После этого система баз данных должна поддерживать согласованность связанных данных, что позволяет сократить объем работы программистов приложений и повысить надежность их программ. Если в объекте-компании свойство employees не требуется, то свойство объекта-служащего employees может быть атрибутом.