Objektorientierte Datenbanksysteme (OODBS)

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1 Objektorientierte Datenbanksysteme (OODBS) Motivation: siehe Postrelationale System + Kompatibilität mit OOPS OODBMS Manifesto 1989: The golden rules: Komplexe Objekte Objektidentität Datenabstraktion / Kapselung Typen / Klassen Vererbung Polymorphismus Berechnungsvollständigkeit g Erweiterbarkeit Persistenz Sekundärspeicherverwaltung Ablaufintegrität (Concurrency) Physische Integrität (Recovery) Interaktive Anfragesprache 1

2 Objektidentität und Objektstruktur OID (eindeutig, unveränderlich, persistent) Was ist ein Objekt? Körpergröße = Länge des Schreibtisches? Was sind Werte? Typkonstruktoren (Atom, Tupel, Menge, (List, Bag, Array)) Ein Objekt (i, c, v) besteht aus i = Objekt ID c = Typkonstruktor v = Objektzustand (Wert) c == Atom Atom => v ist atomarer Wert aus den vom Systeme zur Verfügung gestellten Wertebereichen c == Tupel => v hat die Form <a 1 :i 1,..., a n :i n > mit a i Attributname und i j Objektidentifikator c == Menge => v hat die Form {i 1,..., i n } mit i j Objektidentifikator 2

3 Beispiele: o 1 = (i 1, atom, Houston ) o 2 = (i 2, atom, Bellaire ) o 3 = (i 3, atom, Sugarland ) o 4 = (i 4, atom, 5) o 5 = (i 5, atom, Research ) o 6 = (i 6, atom, ) OODBS: o 7 = (i 7, set, {i1, i2, i3}) o 8 = (i 8, tuple, <dname:i 5, dnumber:i 4, mgr:i 9, locations:i 7, employees:i 10, projects:i 11 >) o 9 = (i 9, tuple, <manager:i 1 2, manager_start_date:i 6 >) o 10 = (i 10, set, {i 12, i 13, i 14 }) o 11 = (i 11, set {i 15, i 16, i 17 }) o 12 = (i 12, tuple, <fname:i 18, minit:i 19, lname:i 20, ssn:i 21,..., salary:i 26, supervi sor:i 27, dept:i 8 >) Identität und Gleichheit: Beispiel o1 = (i1, tuple, <a1:i4, a2:i6>) o2 = (i2, tuple, <a1:i5, a2:i6>) o3 = (i3, tuple, <a1:i4, a2:i6>) o4 = (i4, atom, 10) o5 = (i5, atom, 10) o6 = (i6, atom, 20) 3

4 Typkonstruktoren: Object Definition Language Beispiel: define type Angestellter: tuple( vname: string; initial: char; nname: string; ssn: string; geburtsdatum: Datum; adresse: string; geschlecht: char; gehalt: float; vorgesetzter: Angestellter; abt: Abteilung;); define type Datum tuple( jahr: integer; monat: integer; tag: integer;); define type Abteilung tuple( aname: string; abtnummer:integer; mgr: tuple ( manager: Angestellter; anfangsdatum: Datum;); standorte set(string); angestellte set(angestellter); projekte set(projekt);); 4

5 Kapselung Information Hiding Schnittstelle des Objekts = Menge von Operationen Signatur in ODL Implementierung = Methode in Programmiersprache Aufruf durch Nachricht an das jeweilige Objekt create, alter, destroy Operationen Define class Abteilung type tuple( aname: string; abtnummer:integer; mgr: tuple ( manager: Angestellter; anfangsdatum: Datum;); standorte set(string); angestellte set(angestellter); projekte set(projekt);); operations( anzahl_angest: integer; create_abt: Abteilung; destroy_abt: boolean; assign_angest(e: Angestellter): boolean; remove_angest(e: Angestellter): boolean; end Abteilung; Problem Datenbanken: zu starre Regeln für den Zugriff auf Zustand 5

6 Objektpersistenz über Benennung und Erreichbarkeit Benennung: eindeutiger Name für ein Objekt, persistent Erreichbarkeit: direkt und indirekt referenzierte Objekte sind vom Ausgangsobjekt erreichbar Alle erreichbaren Objekte eines persistenten Objekts sind ebenfalls persistent! Define class Abteilungen type set( Abteilung); operations( add_abt(d: Abteilung): boolean; remove_abt(d: Abteilung): boolean; create_abt_set: Abteilungen; destroy_abt_set: boolean; end Abteilungen;... persistent name Alle_Abteilungen: Abteilungen;... d := create_abt;... b := AlleAbteilungen.add_abt(d);... 6

7 Typhierarchien und Vererbung OODBS: Einfachste Art der Typvereinbarung: Name + öffentliche Funktionen (Attribute und/oder Operationen) PERSON: Name, Adresse, GebDat, Alter, SSN Subtyp erbt alle Eigenschaften des Supertyps: STUDENT subtype of PERSON : Fachrichtung, Semester ANGESTELLTER subtype of PERSON : Gehalt, Vorgesetzter, Abteilung Jeder Typ hat zugehörige Kollektion (Extent) von kompatiblen Objekten Jedes Objekt eines Typs gehört zum entsprechenden Extent sowie zu allen Extents aller Supertypen ROOT Klasse (OBJECT Klasse) enthält alle Objekte einer OODB InOO(DB) OO(DB) Systemen wird zwischen persistenten undtransienten Objekten unterschieden. 7

8 Weitere Konzepte von OO Datenmodellen Unstrukturierte Objekte BLOB, CLOB; siehe ih auch SQL:1999 Polymorphismus Unterschiedliche Implementierungen für eine Operator Signatur (siehe auch SQL:1999) Mehrfach / Selektivvererbung Vermeindung / Auflösung von Namenskonflikten Except Klausel beschreibt im Subtyp die nicht vererbten Aspekte des Supertyps Versionen und Konfigurationen In vielen Anwendungsdomänen sinnvoll (CAx) Version von Objekten Konfigurationkomplexer Objekteaus passenden passenden Versionen der Basisobjekte 8

9 Das ODMG Objektmodell ODMG: Object Data Management Group (Herstellerkonsortium) Der Standard enthält: Objektmodell Objektdefinitionssprache (ODL) Objektanfragesprache (OQL) Bindings für OOPL Versionen 1.0: 1993 (ODMG 93) 2.0: 1997 (ODMG 2.0) 9

10 Das ODMG Objektmodell OODBS: Objekte (haben ID und Zustand) und Literale (haben Wert) Objekte beschrieben b durch Objektidentifikator (systemweit eindeutig) Name (eindeutig in DB, optional) Lebensdauer (transient oder persistent) Struktur beschrieben über Typkonstruktoren Objekt ist entweder atomar oder eine Sammlung (collection object) Literal kann atomar, eine Sammlung oder strukturiert sein atomare Literale entsprechen den Werten der Basistypen (wie C, C++) strukturierte Literale entspechen Tupeln, Definition über Struct wie C, C++ Sammlungsliterale spezifizieren einen Wert, der eine Sammlung von Objekten oder Literalen darstellt; die zugehörige Sammlung hat eine OID Interface Definitionen für Schnittstellen; Alle Objekte erben von dem Interface Object 10

11 Eingebaute Schnittstellenhierarchie für OODBMS Iterator Object Collection Dt Date Timestamp Interval Time set list bag array dictionary 11

12 Sammlungsobjekte: OODBS: Erben von der Schnittstelle Collection Für jedes Sammlungs Objekt O existieren O.cardinaltity() O.is_empty() Oinsert O.insert_element(e), element(e) Oremove O.remove_element(e) element(e) O.contains_element(e) (i = )O.create_iterator() erzeugt ein Iterator Objekt mit i.reset(), i.next_position, i.get_element element Sammlungsobjekte werden in Set, List, Array, Bag und Dictionary spezialisiert: Set enthält zusätzlich Mengenoperationen Lististgeordnete Liste (first, last, i te Stelle) Array ist wie List mit max. Anzahl Elemente Bag ist wie Set; enthält zusätzlich Duplikat Eliminierung Dictionary verwaltet t Paare von (eindeutigen) (i )Schlüsseln l mit Werten <k, v> (bind, unbind, lookup); liefert assoziativen Zugriff auf Objekte 12

13 Atomare Objekte OODBS: Jedes benutzerdefinierte Objekt, das keine Sammlung ist, ist ein atomare Objekt Schlüsselwort class Spezifiziert Eigenschaften und Operationen Eigenschaften sind dattribute t und Beziehungen Attribute haben Werte (in der Regel Literale, oder OID) Beziehungen sind binär und als Paar von Umkehrreferenzen definiert Für Operationen werden Signatur und Ausnahmen definiert Einfaches Beispiel: class Employee (extent all_emplyees key ssn) { attribute string name; attribute string ssn; attribute t short age; relationship Dept works_for; void reassign(in string new_name); } 13

14 Bi Beispiel il mit (inverser) Beziehung (relationship) class Faculty extends Person (extent faculty) { attribute string rank; attribute float salary; attribute string phone; relationship Dept works_in inverse Dept::has _ faculty; relationship set<gradstu> advises inverse GradStu::advisor; void give _ raise (in float raise); void promote (in string new_rank); }; 14

15 Vererbung OODBS: Von einer Schnittstelle oder Klasse werden nur die Operationen geerbt (nicht die Zustandseigenschaften); Eine Schnittstelle ist nicht instanziierbar Eine Klasse ist instanziierbar EXTENDS Schlüssel erlaubt die zusätzliche Vererbung von Zustandseigenschaften (nur zwischen Klassen!) Mehrfachvererbung über EXTENDS nicht zulässig. Extents Zu jeder Klasse (class) kann ein benannter Extent definiert werden, der alle persistenten Objekteder Klasse dauerhaftverwaltet verwaltet. Eine Klasse mit einem Extent kann Schlüssel besitzen, die Objekte eindeutig identifizieren Factory Objekte werden durch Operationen der sogenannten Factory Objekte erzeugt; erben von ObjectFactory, das new() bereitstellt. 15

16 Die Objektdefinitionssprache (ODL) Unterstützung der semantischen Konstrukte des ODMG 2.0 Modells Programmiersprachenunabhängig i Dient der Definition von Objektspezifikationen (keine vollständige Programmiersprache) Über Sprachbindungen werden Konstrukte abgebildet Grafische Elemente von ODL: Schnittstelle Person-IF Klasse Student Beziehungen 1:1 Vererbung 1:N M:N Schnittstellenvererbung (IST-EIN) mit : Klassenvererbung mit extends 16

17 Beispiel: Person works_in Faculty Student t has_majors has_faculty 1 1 Department offers 1 m majors_in m m Course 1 advises 1 completed_sections m m registered_in m offered_by has_section students m Section of_course m advisor GradStudent m registered_students d CurrSection 17

18 Die Anfragesprache OQL Grundlegende Syntax select... from... where FürjedeAnfrageistein ein Einstiegspunkt (benanntes persistentes Objekt) erforderlich Name der Extents einer Klasse Iteratorvariable in der from Klausel (mehrere syntaktische Möglichkeiten) Ergebnistyp bag (oder set bei select distinct... ) Im Allgemeinen jeder Typ der in ODMG 2.0 darstellbar ist Jeder persistente Name an sich ist eine Anfrage, deren Resultat eine Referenz auf das persistente Objekt ist Pfadausdrücke spezifizieren ein Anfrageergebnis ausgehend von einem Einstiegspunkt oder von einer Iteratorvariablen Spezifikation von Pfadausdrücken ist orthogonal Probleme: Mehrdeutigkeiten bei Ergebnistypen Konstruktion komplexer Ergebnistypen (struct) möglich 18

19 Weitere OQL Features Views (define... as) Elemente von Singletons (einelementige Ergebnisse) Aggregatfunktionen (min, max, count, avg, sum) Quantoren (existiert, für alle, (Elementtest)) Listen und Arrays als Anfrageergebnisse Gruppierung mit expliziter Referenz auf die Partitionen Having Klausel mit expliziter Referenz auf die Partitionen 19