Software Engineering. 8. Persistenz

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1 Software Engineering 8. Persistenz

2 Gliederung Vorlesung Einführung V-Modell XT Analyse und Anforderungsmanagement Benutzungsoberflächen Architektur Entwurf Entwurfsmuster Persistenz Implementierung Konfigurationsmanagement Testen Abnahme, Einführung, Wartung und Pflege

3 Datenhaltung Objektorientierte Datenbank Direkte Abbildung auf die Datenbank möglich Zu speichernde Objekte müssen als persistent gekennzeichnet werden, ggf. sind Typkonvertierungen erforderlich Für Objektverwaltung sind ggf. spezielle Klassen des ODBMS zu verwenden Flache Dateien Objektstrukturen sind zu sequenzialisieren Z. B. Satzweises Abspeichern in der Datei, zusätzlich Aufbau eines Index zum schnellen Auffinden des jeweiligen Datensatzes Beim Speichern eines Objektes sind jeweils Operationen erforderlich, die die entsprechenden Einträge in die Datei sowie in den Index vornehmen Relationale Datenbank Siehe folgende Folien

4 Schnittstellen zu relationalen Datenbank-Systemen Proprietäre Schnittstellen einzelner Hersteller Embedded SQL: Erweiterung von Programmiersprachen, um direkt aus der Anwendung über SQL-Befehle auf die Datenbank zuzugreifen ODBC (Open Database Connectivity) Standardisierte Schnittstelle zum Zugriff auf relationale DB-Systeme Es existieren ODBC-Treiber für die meisten heute verfügbaren RDBMS JDBC (Java Database Connectivity) Speziell für Java entwickelt Objektorientiert Datenbank-übergreifend

5 Relationale Datenbanken Object-Relational Mismatch: Semantic Gap

6 Anfrage an das relationale Datenmodell Anfrage: Gib alle Bücher die vom Autor XY beim Verlag Z erschienen sind Datenzugriff: Im Prinzip müssen alle Tabellen "ge-joint" werden. Es wird zuerst eine große Tabelle gebaut, auf der dann projiziert wird. SQL-Anweisung SELECT b.titel FROM Buch b, BuchAutoren ba, Autor a, Verlag v WHERE a.nachname = "XY" AND v.name = "Z" AND v.id = b.verlagid AND b.id = ab.buchid AND ab.autorid = a.id

7 Datenstruktur im objektorientierten Modell Daten entsprechen einem Graphen (Objekt-Graph)

8 Anfrage an objektorientiertes Modell Anfrage: Gib alle Bücher die vom Autor XY beim Verlag Z erschienen sind Eine Collection (Collection aller Autoren) durchsuchen und dann navigieren. Es müssen nur noch die Objekte (Bücher) traversiert werden, die auch zum Autor gehören.

9 Integrationsprobleme Object-Relational Mismatch Gewährleisten der Objektidentität (OID) Abbildung von Objekten Abbildung von Vererbungshierachien Realisierung von Polymorphismus Abbildung von Assoziationen, Aggregationen und Kompositionen (Nur 1:n Beziehungen direkt darstellbar)

10 Realisierung von Polymorphismus Bereitstellung von Meta-Information Mechanismus für late binding Festlegung der Wertebereiche von verschiedenen Suchstrategien. Z.B.: Suche nur über Blattklassen (Angestellter oder Kunde) oder über die komplette Hierarchie (alle Personen).

11 Abbildung von Beziehungen Abbildung von Assoziationen, Aggregationen und Kompositionen Kompositionsobjekt (z.b. Inner Class) wird rekursiv aufgelöst. Assoziation und Aggregation werden über Fremdschlüssel abgebildet. Aggregation: Cascade-Delete und Pre-Fetch berücksichtigen (Integritätsund Performanceaspekte).

12 Integration relationaler Datenbanken Dereferenzierung von Beziehungen (Navigation) Verwendung von Proxys oder Lazy Instanciation

13 Einfacher Ansatz für Persistenz Enge Kopplung! Hohe Abhängigkeit zwischen fachlicher Komponente und Datenhaltung! Änderungen sind schwierig Quelle: Starke, Effektive Software Architekturen. 3. Aufl., Hanser 2008

14 Einfache Persistenzschicht mit Datenklassen Einfacher Ansatz Entwickler müssen sich aber immer noch selbst um Details der Speicherung kümmern Hohe Abhängigkeit zwischen Klassenstrukturen und Tabellenstrukturen Vernetzte Klassenstrukturen aufwändig zu speichern Quelle: Starke, Effektive Software Architekturen. 3. Aufl., Hanser 2008

15 Anforderungen an die Persistenzschicht Kapselung der Speicherungsaspekte Fachliche Klassen brauchen nur save(), read(), u.ä. Support verschiedener Speicherungsmechanismen Verschiedene Datenbanken, Dateien, Verschiedene DB-Hersteller und SQL-Dialekte Unterstützung von Vererbungshierarchien Unterstützung von Transaktionen Unterstützung von Lazy Instantiation Bearbeitung mehrerer Objekte auf einmal Automatische Erzeugung eindeutiger Object Identifier (OID) Toleranz gegenüber Änderungen der DB Performance Tuning-Maßnahmen sollten keine Auswirkung auf die Anwendung haben Nach: Starke, Effektive Software Architekturen. 3. Aufl., Hanser 2008

16 Komponenten von Persistenzschichten Quelle: Starke, Effektive Software Architekturen. 3. Aufl., Hanser 2008

17 Data Access Object (DAO) Muster Quelle: Starke, Effektive Software Architekturen. 3. Aufl., Hanser 2008

18 Ablauf bei der Nutzung des DAO-Musters Quelle: Starke, Effektive Software Architekturen. 3. Aufl., Hanser 2008

19 Einfache Persistenzschicht 1. Abbildung auf Tabellen 2. Database Broker-Muster 3. Materialisierung von Objekten 4. Optimierung der Materialisierung mittels Cache 5. Virtual Proxy Muster 6. Materialisierung von Objektstrukturen 7. Transaktionen Quelle: Balzert, H.: Lehrbuch der Objektmodellierung

20 1. Abbildung auf Tabellen Einfache Klasse wird auf eine Tabelle abgebildet, wobei die Objekt-ID (OID) hinzugefügt wird Klassenattribute werden in einer eigenen Tabelle gespeichert 1:*-Assoziationen: Eintrag der entsprechenden OIDs als Fremdschlüssel in die Tabelle am many -Ende der Assoziation *:*-Assoziationen: Nutzung einer eigenen Tabelle Vererbung mehrere Möglichkeiten Eine Tabelle für alle Objekte der gesamten Vererbungsstruktur Eigene Tabelle für jede konkrete Klasse Eigene Tabelle für jede Klasse

21 2. Database Broker-Muster Nutzung einer Klasse Broker Zerlegen der Objekte in Datensätze (De-Materialisierung) Wiedergewinnen der Datensätze (Materialisierung) Cache-Verwaltung Jede persistente Klasse kann einen eigenen Broker haben

22 3. Materialisierung von Objekten Nutzung des Schablonenmethoden-Musters zum Aufbau eines Persistence-Frameworks Siehe folgende Folie Dies ist ein Beispiel für ein typisches Framework Abstrakte Oberklassen verwenden Schablonen-Methoden Die Software-Entwickler fügen Unterklassen hinzu In den Unterklassen werden elementare Operationen definiert, um die geerbten Schablonenmethoden zu vervollständigen

23 Materialisierung von Objekten Artikel OID() nummer() bezeichnung() preis() Broker objectwith(anoid) : Object incache(anoid) : Object materializewith(anoid) : Object Operation zum Aufbau eines Objekts: Prüft, ob bereits im Cache und gibt ggf. das Objekt zurück. Wenn nicht: Aufruf materializewith() RelationalBroker currentrecordasobject() : Object materializewith(anoid) : Object selectfirst(query) : Object Operation zum Zusammensetzen eines Objekts. Hierbei Aufruf von currentrecordasobject currentrecord RDBRecord field(fieldname) : Object 1 1 ArtikelBroker currentrecordasobject() : Artikel Artikel a = new Artikel a.nummer(currentrecord.field( Nummer )... return a

24 4. Optimierung d. Materialisierung mittels Cache Materialisierung von Objekten ist relativ aufwändig Zur Verbesserung der Performance werden materialisierte Objekte in einem Cache-Speicher gehalten Falls jede Anwendungsklasse einen eigenen Broker besitzt, gibt es auch für jede Klasse einen eigenen Cache Es kann bis zu 6 Caches pro Broker geben, wobei die Caches dann jeweils einen Transaktionszustand realisieren (s.u.) Broker objectwith(anoid) : Object incache(anoid) : Object materializewith(anoid) : Object 1 6 ObjectCache add(oid, Object) find(oid) : Object isempty() : boolean

25 5. Virtual Proxy-Muster U. U. kann es sinnvoll sein, ein Objekt erst dann zu materialisieren, wenn es benötigt wird Einsatz des Proxy-Musters Proxy-Objekt kennt nur die OID und die Signaturen des eigentlichen Objekts Wird eine Botschaft, an das Proxy-Objekt gesandt, stößt dieses die Materialisierung des Objektes an und leitet die Botschaft an dieses weiter

26 6. Materialisierung von Objekt-Strukturen Es sollen nicht nur einzelne Objekte materialisiert werden, sondern gesamte Strukturen (z. B. ein Lieferant mit allen Artikeln, die er liefert) Wird die Gesamtstruktur materialisiert, so ist dies sehr aufwändig Lösung: Materialisierung on-demand Erst wenn zu dem assoziierten Objekt eine Botschaft geschickt wird, wird dieses durch sein Proxy materialisiert

27 7. Transaktionen

28 Beispiel: Java Persistence API (JPA) Spezifikation für die Persistierung von Java-Objekten in relationale Datenbanken Ursprünglich aus Java EE (EJB), es handelt sich aber um eine leichtgewichtige Lösung, auch für Java SE-Anwendungen Verschiedene Implementierungen (JPA-Provider) z. B. Hibernate, EclipseLink, TopLink Objekt-relationales Mapping von POJOs (Plain Old Java Objects) mittels Meta-Daten als Annotations im Java Code, oder in separater XML-Datei Weitere Elemente Abfragesprache Implementierungen ermöglichen zumeist auch die Erzeugung des DB-Schemas

29 JPA: Entity-Klasse mit Annotation Quelle: Alexander Kunkel, JPA%20mit%20Hibernate.pdf

30 JPA: Insert Quelle: Alexander Kunkel, JPA%20mit%20Hibernate.pdf

31 JPA: Beziehungen Quelle: Alexander Kunkel, JPA%20mit%20Hibernate.pdf

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