Модели организации СУБД

Сложность современной технологии баз данных явилась результатом развития в течении нескольких десятилетий способов обработки данных и управления информацией. Подталкиваемая, с одной стороны, нуждами и требованиями менеджмента и ограниченная, с другой стороны, возможностями технологии, обработка данных развивалась от примитивных методов пятидесятых годов к сложным интегрированным системам сегодняшнего дня. В настоящее время процесс создания максимально мощных систем управления базами данных идет полным ходом. За несколько десятилетий последовательно появились системы, основанные на трех базовых моделях данных. Перечислим эти три модели: дореляционные, реляционные и постреляционные.

Начнем с некоторых наиболее общих характеристик ранних (дореляционных) систем:

a. Эти системы активно использовались в течение многих лет, дольше, чем используется какая-либо из реляционных СУБД. На самом деле некоторые из ранних систем используются даже в наше время, накоплены громадные базы данных, и одной из актуальных проблем информационных систем является использование этих систем совместно с современными системами.

b. Все ранние системы не основывались на каких-либо абстрактных моделях. Как мы упоминали, понятие модели данных фактически вошло в обиход специалистов в области БД только вместе с реляционным подходом. Абстрактные представления ранних систем появились позже на основе анализа и выявления общих признаков у различных конкретных систем.

c. В ранних системах доступ к БД производился на уровне записей. Пользователи этих систем осуществляли явную навигацию в БД, используя языки программирования, расширенные функциями СУБД. Интерактивный доступ к БД поддерживался только путем создания соответствующих прикладных программ с собственным интерфейсом.

d. Можно считать, что уровень средств ранних СУБД соотносится с уровнем файловых систем примерно так же, как уровень языка Кобол соотносится с уровнем языка Ассемблера. Заметим, что при таком взгляде уровень реляционных систем соответствует уровню языков Ада или APL.

e. Навигационная природа ранних систем и доступ к данным на уровне записей заставляли пользователя самого производить всю оптимизацию доступа к БД, без какой-либо поддержки системы.

f. После появления реляционных систем большинство ранних систем было оснащено «реляционными» интерфейсами. Однако в большинстве случаев это не сделало их по-настоящему реляционными системами, поскольку оставалась возможность манипулировать данными в естественном для них режиме.

Сильные места ранних СУБД:

• · Развитые средства управления данными во внешней памяти на низком уровне;
• · Возможность построения вручную эффективных прикладных систем;
• · Возможность экономии памяти за счет разделения подобъектов (в сетевых системах).

Недостатки:

• · Слишком сложно пользоваться;
• · Фактически необходимы знания о физической организации;
• · Прикладные системы зависят от этой организации;
• · Их логика перегружена деталями организации доступа к БД.

Реляционные базы данных и системы управления реляционными базами данных являются наиболее распространенными в настоящее время, хотя наряду с общепризнанными достоинствами обладают и рядом недостатков. В настоящее время основным предметом критики постреляционных систем является не их недостаточная эффективность, а присущая этим системам некоторая ограниченность (прямое следствие простоты) при использовании в нетрадиционных областях, в которых требуются предельно сложные структуры данных. Другим, часто отмечаемым недостатком реляционных баз данных, является невозможность адекватного отражения семантики предметной области. Поэтому современные исследования в области постреляционных систем, главным образом, посвящены устранению именно этих недостатков, и во многом требования к этим системам означают просто необходимость реализации свойств, отсутствующих в большинстве текущих реляционных СУБД. В их число, например, входит полнота системы типов, поддержка иерархии и наследования типов, возможность управления сложными объектами и т. д. Таким образом постреляционные системы, сохраняя основные свойства реяционных СУБД, в то же время имеют свои, отличные от других, возможности.

Так, например СУБД POSTGRES поддерживает темпоральную модель хранения и доступа к данным. То есть для любого объекта данных, созданного в момент времени t1 и уничтоженного в момент времени t2, в БД сохраняются (и доступны пользователям) все его состояния во временном интервале (t1,t2). Обычные же БД хранят мгновенный снимок модели предметной области, и любое изменение в момент времени t некоторого объекта приводит к недоступности этого объекта в предыдущий момент времени. Хотя, на самом деле, в большинстве развитых СУБД предыдущее состояние объекта сохраняется в журнале изменений, но осуществления доступа со стороны пользователя нет.

Рассмотрим основные направления исследований и разработок в области так называемых постреляционных систем, т. е. систем, относящихся к следующему поколению (хотя термин «next-generation DBMS» зарезервирован для некоторого подкласса современных систем).

Хотя отнесение СУБД к тому или иному классу в настоящее время может быть выполнено только условно (например, иногда объектно-ориентированную СУБД O2 относят к системам следующего поколения), можно отметить три направления в области СУБД следующего поколения. Чтобы не изобретать названий, будем обозначать их именами наиболее характерных СУБД.

1. Направление Postgres. Основная характеристика: максимальное следование (насколько это возможно с учетом новых требований) известным принципам организации СУБД (если не считать коренной переделки системы управления внешней памятью).

2. Направление Exodus/Genesis. Основная характеристика: создание собственно не системы, а генератора систем, наиболее полно соответствующих потребностям приложений. Решение достигается путем создания наборов модулей со стандартизованными интерфейсами, причем идея распространяется вплоть до самых базисовых слоев системы.

3. Направление Starburst. Основная характеристика: достижение расширяемости системы и ее приспосабливаемости к нуждам конкретных приложений путем использования стандартного механизма управления правилами. По сути дела, система представляет собой некоторый интерпретатор системы правил и набор модулей-действий, вызываемых в соответствии с этими правилами. Можно изменять наборы правил (существует специальный язык задания правил) или изменять действия, подставляя другие модули с тем же интерфейсом.

В целом можно сказать, что СУБД следующего поколения — это прямые наследники реляционных систем. Тем не менее, различные направления систем третьего поколения стоит рассмотреть отдельно, поскольку они обладают некоторыми разными характеристиками.

Развитие объектно-ориентированного программирования привело к разработке объектно-ориентированных СУБД. Направление объектно-ориентированных баз данных (ООБД) возникло сравнительно давно. Публикации появлялись уже в середине 1980;х. Однако наиболее активно это направление развивается в последние годы. С каждым годом увеличивается число публикаций и реализованных коммерческих и экспериментальных систем.

Возникновение направления ООБД определяется прежде всего потребностями практики: необходимостью разработки сложных информационных прикладных систем, для которых технология предшествующих систем БД не была вполне удовлетворительной.

Конечно, ООБД возникли не на пустом месте. Соответствующий базис обеспечивают как предыдущие работы в области БД, так и давно развивающиеся направления языков программирования с абстрактными типами данных и объектно-ориентированных языков программирования.

Что касается связи с предыдущими работами в области БД, то наиболее сильное влияние на работы в области ООБД оказывают проработки реляционных СУБД и следующее хронологически за ними семейство БД, в которых поддерживается управление сложными объектами. Кроме того, исключительное влияние на идеи и концепции ООБД и, как кажется, всего объектно-ориентированного подхода оказал подход к семантическому моделированию данных. Достаточное влияние оказывают также развивающиеся параллельно с ООБД направления дедуктивных и активных БД.

Среди языков и систем программирования наибольшее первичное влияние на ООБД оказал Smalltalk. Этот язык сам по себе не является полностью пионерским, хотя в нем была введена новая терминология, являющаяся теперь наиболее распространенной в объектно-ориентированном программировании. На самом деле, Smalltalk основан на ряде ранее выдвинутых концепций.

Большое число опубликованных работ не означает, что все проблемы ООБД полностью решены. Как отмечается в Манифесте группы ведущих ученых, занимающихся ООБД, современная ситуация с ООБД напоминает ситуацию с реляционными системами середины 1970;х. При наличии большого количества экспериментальных проектов (и даже коммерческих систем) отсутствует общепринятая объектно-ориентированная модель данных, и не потому, что нет ни одной разработанной полной модели, а по причине отсутствия общего согласия о принятии какой-либо модели. На самом деле имеются и более конкретные проблемы, связанные с разработкой декларативных языков запросов, выполнением и оптимизацией запросов, формулированием и поддержанием ограничений целостности, синхронизацией доступа и управлением транзакциями и т. д.

В наиболее общей и классической постановке объектно-ориентированный подход базируется на следующих концепциях:

• * объекта и идентификатора объекта;
• * атрибутов и методов;
• * классов;
• * иерархии и наследования классов.

Любая сущность реального мира в объектно-ориентированных языках и системах моделируется в виде объекта. Любой объект при своем создании получает генерируемый системой уникальный идентификатор, который связан с объектом все время его существования и не меняется при изменении состояния объекта.

Каждый объект имеет состояние и поведение. Состояние объекта — набор значений его атрибутов. Поведение объекта — набор методов (программный код), оперирующих над состоянием объекта. Значение атрибута объекта — это тоже некоторый объект или множество объектов. Состояние и поведение объекта инкапсулированы в объекте; взаимодействие объектов производится на основе передачи сообщений и выполнении соответствующих методов.

Множество объектов с одним и тем же набором атрибутов и методов образует класс объектов. Объект должен принадлежать только одному классу (если не учитывать возможности наследования). Допускается наличие примитивных предопределенных классов, объекты-экземпляры которых не имеют атрибутов: целые, строки и т. д. Класс, объекты которого могут служить значениями атрибута объектов другого класса, называется доменом этого атрибута.

Допускается порождение нового класса на основе уже существующего класса — наследование. В этом случае новый класс, называемый подклассом существующего класса (суперкласса), наследует все атрибуты и методы суперкласса. В подклассе, кроме того, могут быть определены дополнительные атрибуты и методы. Различаются случаи простого и множественного наследования. В первом случае подкласс может определяться только на основе одного суперкласса, во втором случае суперклассов может быть несколько. Если в языке или системе поддерживается единичное наследование классов, набор классов образует древовидную иерархию. При поддержании множественного наследования классы связаны в ориентированный граф с корнем, называемый решеткой классов. Объект подкласса считается принадлежащим любому суперклассу этого класса.

Одной из более поздних идей объектно-ориентированного подхода является идея возможного переопределения атрибутов и методов суперкласса в подклассе (перегрузки методов). Эта возможность увеличивает гибкость, но порождает дополнительную проблему: при компиляции объектно-ориентированной программы могут быть неизвестны структура и программный код методов объекта, хотя его класс (в общем случае — суперкласс) известен. Для разрешения этой проблемы применяется так называемый метод позднего связывания, означающий, по сути дела, интерпретационный режим выполнения программы с распознаванием деталей реализации объекта во время выполнения посылки сообщения к нему.

Введение

некоторых ограничений на способ определения подклассов позволяет добиться эффективной реализации без потребностей в интерпретации.

Как видно, при таком наборе базовых понятий, если не принимать во внимание возможности наследования классов и соответствующие проблемы, объектно-ориентированный подход очень близок к подходу языков программирования с абстрактными (или произвольными) типами данных.

С другой стороны, если абстрагироваться от поведенческого аспекта объектов, объектно-ориентированный подход весьма близок к подходу семантического моделирования данных (даже и по терминологии). Фундаментальные абстракции, лежащие в основе семантических моделей, неявно используются и в объектно-ориентированном подходе. На абстракции агрегации основывается построение сложных объектов, значениями атрибутов которых могут быть другие объекты. Абстракция группирования — основа формирования классов объектов. На абстракциях специализации/обобщения основано построение иерархии или решетки классов.

Видимо, наиболее важным новым качеством ООБД, которого позволяет достичь объектно-ориентированный подход, является поведенческий аспект объектов. В прикладных информационных системах, основывавшихся на БД с традиционной организацией (вплоть до тех, которые базировались на семантических моделях данных), существовал принципиальный разрыв между структурной и поведенческой частями. Структурная часть системы поддерживалась всем аппаратом БД, ее можно было моделировать, верифицировать и т. д., а поведенческая часть создавалась изолированно. В частности, отсутствовали формальный аппарат и системная поддержка совместного моделирования и гарантирования согласованности этих структурной (статической) и поведенческой (динамической) частей. В среде ООБД проектирование, разработка и сопровождение прикладной системы становится процессом, в котором интегрируются структурный и поведенческий аспекты. Конечно, для этого нужны специальные языки, позволяющие определять объекты и создавать на их основе прикладную систему.

Специфика применения объектно-ориентированного подхода для организации и управления БД потребовала уточненного толкования классических концепций и некоторого их расширения. Это определяется потребностями долговременного хранения объектов во внешней памяти, ассоциативного доступа к объектам, обеспечения согласованного состояния ООБД в условиях мультидоступа и тому подобных возможностей, свойственных базам данных. Выделяются три аспекта, отсутствующие в традиционной парадигме, но требующиеся в ООБД.

Первый аспект касается потребности в средствах спецификации знаний при определении класса (ограничений целостности, правил дедукции и т. п.). Второй аспект — потребность в механизме определения разного рода семантических связей между объектами вообще говоря разных классов. Фактически это означает требование полного распространения на ООБД средств семантического моделирования данных. Потребность в использовании абстракции ассоциирования отмечается и в связи с использовании ООБД в сфере автоматизированного проектирования и инженерии. Наконец, третий аспект связан с пересмотром понятия класса. В контексте ООБД оказывается более удобным рассматривать класс как множество объектов данного типа, т. е. одновременно поддерживать понятия и типа и класса объектов.

В настоящее время ведется очень много экспериментальных и производственных работ в области объектно-ориентированных СУБД. Больше всего университетских работ, которые в основном носят исследовательский характер. Но уже несколько лет назад отмечалось существование по меньшей мере тринадцати коммерчески доступных систем ООБД. Среди них системы O2, ORION, GemStone и Iris.

Описание особенностей двух объектно-ориентированных СУБД показывает прагматичность современного подхода к организации таких систем. Их разработчики не стремятся к полному соблюдению чистоты объектно-ориентированного подхода и применяют наиболее простые решения проблем. Пока в сообществе разработчиков объектно-ориентированных систем БД не видно работы, которая могла бы сыграть в этом направлении роль, аналогичную роли System R по отношению к реляционным системам. Правда и проблемы ООБД гораздо более сложны, чем решаемые в реляционных системах.

Потребность в поддержании в объектно-ориентированной СУБД не только языка (или семейства языков) программирования ООБД, но и развитого языка запросов в настоящее время осознается практически всеми разработчиками. Система должна поддерживать легко осваиваемый интерфейс, прямо доступный конечному пользователю в интерактивном режиме.

Наиболее распространенный подход к организации интерактивных интерфейсов с объектно-ориентированными системами баз данных основывается на использовании обходчиков. В этом случае конечный интерфейс обычно является графическим. На экране отображается схема (или подсхема) ООБД, и пользователь осуществляет доступ к объектам в навигационном стиле. Некоторые исследователи считают, что в этом случае разумно игнорировать принцип инкапсуляции объектов и предъявлять пользователю внутренность объектов. В большинстве существующих систем ООБД подобный интерфейс существует, но всем понятно, что навигационный язык запросов — это в некотором смысле шаг назад по сравнению с языками запросов даже реляционных систем. Ведутся активные поиски подходов к организации декларативных языков запросов к ООБД.

Беери отмечает существование трех подходов. Первый подход — языки, являющиеся объектно-ориентированными расширениями языков запросов реляционных систем. Наиболее распространены языки с синтаксисом, близким к известному языку SQL. Это связано, конечно, с общим признанием и чрезвычайно широким распространением этого языка. Второй подход основывается на построении полного логического объектно-ориентированного исчисления. По поводу построения такого исчисления имеются теоретические работы, но законченный и практически реализованный язык запросов нам неизвестен. Наконец, третий подход основывается на применении дедуктивного подхода. В основном это отражает стремление разработчиков к сближению направлений дедуктивных и объектно-ориентированных БД.

Независимо от применяемого для разработки языка запросов подхода перед разработчиками встает одна концептуальная проблема, решение которой не укладывается в традиционное русло объектно-ориентированного подхода. Понятно, что основой для формулирования запроса должен служить класс, представляющий в ООБД множество однотипных объектов. Но что может представлять собой результат запроса? Набор основных понятий объектно-ориентированного подхода не содержит подходящего к данному случаю понятия. Обычно из положения выходят, расширяя базовый набор концепций множества объектов и полагая, что результатом запроса является некоторое подмножество объектов-экземпляров класса. Это довольно ограничительный подход, поскольку автоматически исключает возможность наличия в языке запросов средств, аналогичных реляционному оператору соединения.

Как обычно, основной целью оптимизации запроса в системе ООБД является создание оптимального плана выполнения запроса с использованием примитивов доступа к внешней памяти ООБД.

Оптимизация запросов хорошо исследована и разработана в контексте реляционных БД. Известны методы синтаксической и семантической оптимизации на уровне непроцедурного представления запроса, алгоритмы выполнения элементарных реляционных операций, методы оценок стоимости планов запросов.

Конечно, объекты могут иметь существенно более сложную структуру, чем кортежи плоских отношений, но не это различие является наиболее важным. Основная сложность оптимизации запросов к ООБД следует из того, что в этом случае условия выборки формулируются в терминах «внешних» атрибутов объектов (методов), а для реальной оптимизации (т.е. для выработки оптимального плана) требуются условия, определенные на «внутренних» атрибутах (переменных состояния).

На самом деле похожая ситуация существует и в РСУБД при оптимизации запроса над представлением БД. В этом случае условия также формулируются в терминах внешних атрибутов (атрибутов представления), и в целях оптимизации запроса эти условия должны быть преобразованы в условия, определенные на атрибутах хранимых отношений. Хорошо известным методом такой «предоптимизации» является подстановка представлений, которая часто (хотя и не всегда в случае использования языка SQL) обеспечивает требуемые преобразования. Альтернативным способом выполнения запроса над представлением (иногда единственным возможным) является материализация представления.

В системах ООБД ситуация существенно усложняется двумя обстоятельствами. Во-первых, методы обычно программируются на некотором процедурном языке программирования и могут иметь параметры. Т. е. в общем случае тело метода представляет из себя не просто арифметическое выражение, как в случае определения атрибутов представления, а параметризованную программу, включающую ветвления, вызовы функций и методов других объектов. Вторая сложность связана с возможным и распространенным в ООП поздним связыванием: точная реализация метода и даже структура объекта может быть неизвестна во время компиляции запроса.

Одним из подходов к упрощению проблемы является открытие видимости некоторых (наиболее важных для оптимизации) внутренних атрибутов объектов. В этом контексте достаточно было бы открыть видимость только для компилятора запросов, т. е. фактически запретить переопределять такие переменные в подклассах. С точки зрения пользователя такие атрибуты выглядели бы как методы без параметров, возвращающие значение соответствующего типа. С нашей точки зрения лучше было бы сохранить строгую инкапсуляцию объектов (чтобы избавить приложение от критической зависимости от реализации) и обеспечить возможности тщательного проектирования схемы ООБД с учетом потребностей оптимизации запросов.

Понятно, что возможности оптимизации будут зависеть от особенностей языка программирования, который используется для программирования методов, от особенностей конкретного языка запросов и от того, насколько продуманно спроектирована схема ООБД. В частности, желательно, чтобы используемый язык программирования стимулировал максимально дисциплинированный стиль программирования методов объектов. Язык запросов должен разумно ограничивать возможности пользователей (в частности, в отношении параметров методов, участвующих в условиях запросов). Наконец, в классах схемы ООБД должны содержаться простые методы, не переопределяемые в подклассах и основанные на тех переменных состояния, которые служат основой для организации методов доступа.

Заметим, что указанные ограничения не влекут зависимости прикладной программы от особенностей реализации ООБД, поскольку объекты остаются полностью инкапсулированными. Использование в условиях запросов простых методов должно стимулироваться не требованиями реализации, а семантикой объектов.