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R. 第十八章 面向对象的数据库系统 自从六十年代末七十年代初数据库系统诞生以来,经历了基于 层次、网状和关系三个传统数据模型的发展阶段,在八十年代 已经取得辉煌的成就。但是应用领域基本局限在事务处理方面。 随着计算机应用的扩展,在非事务处理领域应用数据库的迫切 要求下,以面向对象数据模型为核心的数据库技术,即面向对 象的数据库系统 (OODBMS) 产生了并得到快速的发展。人们认 为面向对象数据库系统能有效地支持新一代数据库应用。 第一节 面向对象程序设计方法 第二节 面向对象的数据模型 第三节 面向对象数据库的物理组织

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R

第十八章 面向对象的数据库系统

自从六十年代末七十年代初数据库系统诞生以来,经历了基于

层次、网状和关系三个传统数据模型的发展阶段,在八十年代

已经取得辉煌的成就。但是应用领域基本局限在事务处理方面。

随着计算机应用的扩展,在非事务处理领域应用数据库的迫切

要求下,以面向对象数据模型为核心的数据库技术,即面向对

象的数据库系统(OODBMS)产生了并得到快速的发展。人们认

为面向对象数据库系统能有效地支持新一代数据库应用。

第一节 面向对象程序设计方法

第二节 面向对象的数据模型

第三节 面向对象数据库的物理组织

第四节 面向对象数据库管理系统OODBMS

第五节 面向对象数据库在图形中的应用

第六节 面向对象数据库管理系统(OODBMS)产品介绍

第七节 对象关系数据库系统(ORDBS)

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第一节 面向对象程序设计方法

面向对象的思想把现实世界抽象为一系列对象及其联系的集合。

面向对象程序设计方法是一种支持模块化程序设计和软件重用

的编程方法。它把程序设计的主要活动限定为建立对象及其联

系。一个面向对象程序就是相互联系的对象集合。封装性和继

承性是对象概念的两个重要特性。

对象的封装性是指,对象是以对象名封装的数据结构和可施加

在这些数据上的操作集合。若对象A要启动对象B的操作C,则

A只需以操作名C为主要信息向B发消息。B即启动C完成对数据

结构的加工,使其达到新的状态。程序的运行使各对象达到了

各自的终止状态,输入和输出也由对象自己完成。

消息(操作C)

对象的继承性是指,对

象可有子孙对象形成层

次结构。子孙对象继承

前辈的结构和操作,并

可增加新的结构和操作

A

对 象 名

对 象 名

B

操作

算法

操作

算法

数据

结构

数据

结构

C

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R21

第二节 面向对象的数据模型

面向对象程序设计方法和数据库技术的结合产生了面向对象

数据库系统OODBS。传统数据库面向元组,而OODBS面向

的是对象,对象是具有复杂结构的逻辑整体。

本节介绍OODBS的数据模型,简称为面向对象数据模型。

一 对象的结构

对象是经名字封装的数据结构(若干个变量)及其操作代码集(方法)。

对象之间的界面由一组消息(操作要求)定义。对象有三个组成部分:

1.变量集合:即对象数据的数据

结构。每个变量的值本身也是

一个对象。

2.消息集合:是对象对外提供的

操作界面。每个消息都能够由

该对象接收和响应。

3.方法集合:每个方法是实现对

应消息的程序代码。

主要优点:

修改对象定义而不影响系统其它部分

消息(操作要求)

对 象 名

对 象 名

数据结构

操作算法

数据结构

操作算法

对象A

对象B

接下页

slide4

类和类层次

  • [类的概念] 结构(消息集,方法集,变量集)相同的对象集称为类。
  • 对象是类的实例。同一类的各个实例称为是相似的,它们共
  • 享一个类定义,差别仅在于对变量的赋值不同。类的概念相
  • 似于抽象数据类型,但有更多的特点。
  • 类可看成是特殊的对象,称为类对象。它由三个部分组成:
  • 1. 一个变量,其值是该类全体实例构成的集合。
  • 2. 消息new, 其功能是建立该类的一个新实例。
  • 3. 方法, 这是实现上述消息的程序代码。
  • [类层次结构] 面向对象数据库模式是类的集合。在一个面向对
  • 象数据库模式中,存在相似而又不同的类。这些类有共同的
  • 变量消息方法,也有各自的变量消息方法。为此提供了一种
  • 类层次结构,统一定义共同的变量消息方法,分别定义各自
  • 的变量消息方法。类A可以是类B的子类,并因此称类B是类
  • A的父类(或称为超类)。于是,一个面向对象数据库模式的
  • 一组类构成有限的层次结构,称为类层次。每个类继承其所
  • 有超类的变量方法消息。一个面向对象数据库模式包含若干
  • 个类层次。

R22

接下页

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R21

例子:银行业务应用的面向对象数据库类层次结构

(为简单计,每个对象仅给出变量)

公民

证号,姓名,地址

客户

雇员

工号,雇用日,工资

信贷类,帐号,电话

办事员

出纳

秘书

职责,办公地点

周时数,上级姓名

周时数,台号

每个对象的变量方法消息提供给后代对象所共享,后代对象

还可以增加自身的变量方法消息。例如,对象办事员逻辑地

具有前辈对象公民和雇员以及自身的变量方法消息。

上述六个对象构成一棵对象层次树。结点是对象。后代结点

继承前辈结点的数据结构和操作。

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R23

  • 多重继承性
  • 简单的类层次结构不适合描述某些应用,例如,雇员的种类中
  • 有全职出纳、半职出纳、全职秘书和半职秘书,若专门定义这
  • 些对象,则产生形式上的冗余以及潜在的不一致性。
  • 多重继承性是一个解决方法。这种方法允许一个类可以继承多
  • 个超类的变量方法消息。类/子类关系用一个有向无环图DAG
  • 表示。下边DAG图简洁地描述了全职/半职的出纳/秘书对象。

公民

客户

雇员

全职

半职

出纳

秘书

全职

出纳

半职

出纳

半职

秘书

全职

秘书

为了防止子类继承超类的变量方法消息时发生同名冲突的情

况,可预先约定选择的方法。

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R24

  • 对象的标识OID
  • 关系元组利用其键值作为唯一标识,这类标识称为值标识。
  • 程序变量使用用户提供的名字作为唯一标识,这类标识称
  • 为名标识。
  • 面向对象数据库系统使用‘内标识’。跟上述两类标识不同,
  • 对象标识的概念是建立在数据模型和程序设计语言中,
  • 不要求用户给出标识。可以简单地由指向对象的物理
  • 存储地址的指针来表示,但物理指针的持久性很差,
  • 面向对象数据库系统中标识要求‘永久持久性’。
  • 为了理解对象标识的特殊性,我们讨论标识的三种持久性。
  • 1.程序内持久性:标识仅在程序或查询执行期间有效。例
  • 如程序设计语言中的变量名和SQL语言中的元组标识符。
  • 2.程序间持久性:标识在执行不同程序过渡时仍然有效,
  • 但数据重组时可能改变。例如SQL语言中的关系名。
  • 3.永久持久性:标识不仅在程序执行和程序过渡中而且在
  • 数据重新组合中保持不变。面向对象数据库系统要求对
  • 象标识OID具有这种永久持久性。使能独立于对象内部
  • 的结构,即使变量和方法发生变化,标识仍然保持不变。
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R25

五 对象的嵌套

对象的变量值可以是在较低级别上实现的标准数据类型实例,

也可以是对象。后者的情况导致产生对象之间的嵌套层次结

构。若对象B是对象A某变量的值,则称:A包含B,B含于A,

B是A的子对象,A是复合对象或复杂对象。

右边是对象嵌套层次结构的例:

计算机系统

电路板

指令

设备

总线

界面集

芯片集

电路板、总线、设备和指令都是对象计算机系统的子对象;

芯片集和界面集分别是电路板和总线的子对象。计算机系统

类可能还包含了其它一些变量,例如名称、编号、负责人和

完成日期等,由于性能上的原因,这些变量的值作为直接在

较低级别上实现的标准数据类型实例比作为子对象更为合适

些。嵌套层次结构使得不同的用户采取不同的粒度观察对象。

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R3

第三节 面向对象数据库的物理组织

我们按照如下方式物理地表示类:

1.基本类:对应于基本数据类型(如整数、浮点数和字符串)的类称

为基本类,它直接由计算机系统实现,用于构造其它类。

2.非基本类:按如下方式表为一个记录型。用定长记录文件存储。

类的每个变量用记录型的域来表示,

若变量是基本类,则域存储基本类对象本身的值;

若变量是非基本类,则域存储该类的对象标识。

类的每个集合值变量由链表表示。

记录型提供‘长域’,通过指针存储特殊变量,例如三种数据类型:

文本数据:即由正文处理程序编辑的字符序列;

音频数据:即由音频软件处理过的数字化音频数据序列;

视频和图形数据:由特殊软件处理的位图或几何对象的集合。

允许这些变量对应的对象携带非常大的数据量。

长域表示的变量对象通常存储在一个特殊的文件中。

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R4

第四节 面向对象数据库管理系统OODBMS

OODBMS是面向对象技术与数据库管理的结合体。除具有面

向对象的概念和方法之外,还具有传统DBMS的所有功能。

1989年12月在日本举行的第一届演绎与面向对象数据库国际

会议发表了著名的面向对象数据库宣言。在这个宣言中明确

地提出了OODBMS所需的条件。这些条件分为三类:

第一类是基本功能必需的十五个条件,前七个是有关面

向对象的概念和原理,即对象、对象标识符、封装

性、类、类与类层次结构、重定义和重载;后八个

是传统DBMS所必须满足的条件。

第二类是附加的5个条件,在多继承、扩充的完整性约束、

分布式功能、较强的事务处理能力和版本管理能力

等方面强化OODBMS的功能。

第三类是可选的4个条件。

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R41

一 面向对象数据库管理系统的内容

OODBMS由类管理、对象管理和对象控制三部分组成。

1. 类管理 对类的定义和操作进行管理。

类定义 建立类层次结构,

主要定义类的数据结构、方法和类间的继承和合成。

类模式演化,是与传统DBS的重要差别之一。主要内容是:

类中内容(属性、方法和类名)的变化;

类间关系(继承关系和合成关系)的变化;

类结构重组 包括:在类层次结构中对类的增删、

对类的合成分解和产生超类等。

类层次结构模型的查询,

查询类中的内容(数据结构与方法)、类间关系和类结构。

其它,如权限管理、实例加载和打印功能等。

2. 对象管理(实例管理) 完成对类中对象的操纵管理。主要是:

对象查询(以类层次结构模型图为依据沿图中路径实现查询);

对象的增删改操作;建立索引和集簇。

3.对象控制 完整性约束条件及检验;安全性表示和检查;

并发控制和事务处理;故障恢复等。

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R42

  • 面向对象数据库语言
  • 为实现OODBMS的功能,需要提供一种数据库语言。目前
  • 所用的语言大多选用类SQL形式,其中较为著名的是SQL-3,
  • 它是在SQL-2基础上扩充对象成分的一种OO数据库语言。以下
  • 简单介绍的OSQL具有面向对象数据库语言的特色。
  • 1. 模式定义子语言 主要的语句是:
  • 类创建; 方法创建;类演化; 类名修改;
  • 方法修改;类删除; 方法删除。
  • 2. 对象查询子语言 主要用于对对象的查询和增删改。
  • 对象查询选用SQL中的select-from-where子句形式,但对其
  • 语法语义赋予新的含义。select是必备的目标子句,指出查
  • 询目标属性;from是任选的范围子句,指出查询涉及的类;
  • where是任选的条件子句,以复杂路径式指出查询的限制。
  • 删除对象 delete-from-where
  • 插入对象 insert-into-value
  • 修改对象 update-set-where
  • 3. 对象控制子语言
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R5

第五节 面向对象数据库在图形中的应用

本节以图形应用为例说明,面向对象数据库由于它有别于传

统数据库的特色,因而在新兴的应用领域显示出优越性。为

了用面向对象方法建立图形的数据模型,首先用类表示图元,

然后用类层次结构表示图形中的面与层,最后用类层次结构

模型表示图形应用。

2.图元的结构模型

1.类与图元

图元是图形基本元素,用类表示如下:

图元

接下页

名称 标识 属性 方法

点 pno 位置参数x,y 移动

直线 lno 位置参数a,b,c,d 移动

方向参数ld 旋转拼接

园 cno 圆心x,y 移动

半径r,方向ld 放大缩小

椭圆 eno 中心x,y 移动旋转

横径a,纵径b 放大缩小

线

椭圆

直线

直线段

椭圆弧

直线段、圆弧段、椭圆弧段、双曲线、

抛物线和二次曲线等图元从略。

图元的上述结构反映

他们之间的继承关系

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R51

3. 类层次结构与面(plane)

图形中的面由若干条线组合而成。面内可着色。每个面有唯

一标识,有放大缩小旋转移动等操作。组成面的线必须满足

封闭性约束。面是一个类,与线形成合成关系,可用类层次

结构表示。

4. 类层次结构与图层(layer)

图形中的图层由若干个点线面组合而成。每个图层有唯一标

识。一般无操作。层是一个类,与点线面形成合成关系,可

用类层次结构表示。

5. 类层次结构与图(graph)

一个完整的图由若干层组合而成。每个图有唯一标识,一般

无操作。图是一个类,与层有合成关系,用类层次结构表示。

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第六节 面向对象数据库管理系统(OODBMS)产品介绍

1.OODBMS发展阶段

OODBMS自上世纪八十年代中期以来经历了三个发展阶段

实验室原型阶段 1985-1989 其结构体系和技术路线

为商业化打下基础

工业界原型产品vbasic和orien

初期商业化产品 九十年代初 有实际应用能力,但在功能完整

性、开发工具和稳、定性有待提高

成熟产品阶段 至今 有完整的OODBMS功能;有配套

工具软件,多种平台运行能力;

有众多应用范例和较大的市场。

产品例:object store、ontos及O2

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R61

  • OODBMS产品的结构流派
  • OOP的扩充
  • 充分利用面向对象程序设计语言的能力,以OOP为核心扩
  • 充其持久性成分,增加传统数据库功能。OO功能较强,但
  • 数据库功能不足。典型产品是 object store和ontos.
  • RDBMS的扩充
  • 以RDBMS为核心扩充OO功能,增加传统数据库功能,典
  • 型产品是postgres和openodb,其特点与OOP扩充流派相反。
  • 数据库功能较强,但OO功能不足。目前知名的RDBMS产品
  • oracle,sybase,informix及ingress均已按此方式扩充,因而具有
  • 一定的OODBMS的功能。RDBMS扩充型是最流行的流派。
  • 独立型
  • 不依附某种传统技术,直接按OODBMS的客观需求独立构
  • 建系统,因而具有标准的OODBMS功能和形式。但研制缺
  • 乏参照物,故有生产周期长和使用方式不易为用户接受等
  • 缺点。此类产品的代表是O2

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R62

  • OODBMS典型产品介绍
  • object store(http://www.objectstore.net/index.ssp)
  • 由美国object design公司于1989年推出。目前版本是V6.1
  • 它是C++的持久性扩充,具备OODBMS15个必备条件的大
  • 部分,具备5个附加条件。硬件平台以SUN和SGI等工作
  • 站为主,以UNIX为操作系统, C++为基本系统软件。
  • ontosdb
  • 由美国ontologic公司于1989年推出,前身称为Vbase。目前
  • 版本是V3.0,它是C++的持久性扩充。硬件平台有微机和工
  • 作站,操作系统以UNIX为主, 软件工具以C++为主。
  • O2
  • 由法国Altair公司于1991年推出,目前版本是V4.0,属于独
  • 立型产品。具有OODBMS较全面的功能,有一套完整的开
  • 发工具,其数据库语言OSQL具有较强的功能,有嵌入型和
  • 自主型两种组织方式。目前用户以西欧为主。以工作站为
  • 硬件平台,基本操作系统是UNIX, 基本语言工具是C,C++等.
  • 上述三个产品均能在C/S方式结构下的网上运行。
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第七节 对象关系数据库系统(ORDBS)

ORDBS是OODBS的一个分支,属于第二种结构流派,即

RDBMS的OO扩充。它以关系型的方式吸取OO的部分功

能,既支持广泛使用的SQL,又具有OO特性,适应了传

统应用领域发展和新应用领域的需要。它有如下特征:

对基本类型扩充的支持

具有可扩充的数据类型、函数和操作符,并把一些数据

类型及有关的函数、操作符和访问方法进行封装。

对复杂对象的支持

通过一些构件把多种基本类型或用户定义类型构建成复

杂对象。其中最基本的构件是组合、集合和引用。

支持继承 子类对超类各种特性的继承,包括数据继承和

函数继承、单继承和多重继承。

提供强大和通用的规则系统 RDBMS通过约束定义和触发

器对规则提供支持,ORDBMS支持的规则系统更强大灵活

近年国际上主要数据库产品ORACLE,INGRESS,UDB均先后

推出ORDBS的功能结构模式,这可能预兆着今后数据库发

展的方向。