Kap. 7: ODMG - Standard für Objektorientierte DBMS ODBMS

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Kap. 7: ODMG - Standard für Objektorientierte DBMS
ODMG 2.0 (Object Database Management Group):
Zusammenschluss von Herstellern objektorientierter DB-Produkte
(Voting Members z.B. Object Design Inc., Objectivity Inc., POET
Software, Sun Microsystems; Vorsitz Rick Cattell)
Grober Vergleich von RDBMS und ODBMS als anfängliche Wunschvorstellung:
Application
Data Structures
Copy and
Translation
Relational
Representation
RDBMS
IS-K2000
Transparent
ODBMS
Data Transfer
ODMG2.0-1
ODBMS gegenüber RDBMS
• Ursprüngliche Zielsetzung von ODBMS (wie Bild vorher): Kein
“Impedance Mismatch”, Programmiersprache = Datenbanksprache
• Daher zunächst keine Wirtsprachen-unabhängige Datendefinition,
Datenabfrage und Datenmanipulation wie es in SQL ist.
• Vorteil:
homogene Entwicklungsumgebung für Entwurf und Entwicklung von IS
• Nachteile:
– eine Datenbank kann nicht von mehreren
Anwendungsprogrammiersprachen angesprochen werden,
– ein ODBMS eines Herstellers kann nicht durch ein ODBMS eines
anderen Herstellers ersetzt werden, es sei denn, die gleiche
Programmiersprache wird verwendet (Widerpruch zur Realität:
Smalltalk, C, C++, Java,...)
• ODMG 2.0 enthält daher einen Vorschlag für
– ODL = sprachunabhängige (stand-alone) Objektdefinition
– OQL = sprachunabhängige (stand-alone) Objekt-Abfragesprache
– keine OML, stattdessen Standard für C++OML, SmalltalkOML,
JavaOML, sowie die Einbettung der ODL und OQL in diese Sprachen
IS-K2000
ODMG2.0-2
1
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7.1 Objekt-Definition (ODL)
• Typen im Vergleich mit dem RMSDM: ODMG enthält mehr Typen als das
RMSDM. Es sind einige wichtige Objekttypen vorgefertigt (z.B. Datum,
Zeit, Zeitintervall). Ausserdem gibt es nicht nur den Set-Konstruktor,
sondern auch Bag, List, Array und Dictionary. Dazu kommt, dass die
oben genannten Typen hinsichtlich Kopiersemantik (“Literal_type”) bzw.
Referenzsemantik (“Object_type”) praktisch zweifach auftreten.
• Übersicht:
Types
Literal_type
Object_type
Atomic_literal
Atomic_object
Collection _literal
Collection_object
Structured_literal
Structured_object
ODMG2.0-3
IS-K2000
ODMG-Typen
::= long, short, unsigned long, unsigned short, float,
double, boolean, octet, char, string, enum<>
• Collection_literal ::= set<>, bag<>, list<>, array<>, dictionary<>
• Structured_literal ::= structure<> , date, time, timestamp, interval
• Atomic_literal
::= benutzerdefiniert durch interface{} und class {}
• Atomic_object
• Collection_object ::= Set<>, Bag<>, List<>, Array<>, Dictionary<>
• Structured_object::= Date, Time, Timestamp, Interval
Legende:
Typen des RMSDM
Collection_object unterscheidet sich vom Collection_literal durch
Referenzsemantik bei Zuweisungen. Also ist unter Verwendung
von Surrogaten (s. RMSDM): Set<> = surr(set<>)), entsprechend
bei Bag (Menge mit Duplikaten), List, Array und Dictionary (Liste
von Attribut-Wertpaaren). Analog ist der Zusammenhang zwischen
Structured_literal und Structured_object.
IS-K2000
ODMG2.0-4
2
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Typdefinitionen und ISA für Atomic_objects
Typdefinition ist zusammengesetzt aus
•
INTERFACE
•
CLASS
Definitionen. Leider ist diese Unterscheidung unklar und (noch) nicht
konsequent. Der Standard sucht eine Klarheit durch folgendes Bild:
Interface
Class
literals
Abstraktes Verhalten
Abstrakter Zustand
(Operationen)
(“Properties”)
IS-K2000
ODMG2.0-5
INTERFACE versus CLASS
• INTERFACE ist die Beschreibung eines Atomic_object Typs unter
Verwendung von Properties und Operations. Zu einem Interface gibt es
keine Instanzen. Ein Interface dient der Beschreibung der Schnittstelle
mehrerer Typen.
• CLASS ist die Beschreibung eines Atomic_object Typs unter
Verwendung von
– höchstens einer (Super-)Class-Beschreibung (IS-A),
– keiner, einer oder mehrerer Interface-Beschreibungen (“HAS-A”),
– einer EXTENT und KEY- Festlegung.
– Properties- und Operations-Deklarationen.
Klassen werden also instanziiert, die Instanzen finden sich im Extent
der Klasse. Bezüglich der Key-Festlegung werden Duplikate im
Extent verhindert.
Beobachtung: Im Vergleich zum RMSDM grob folgende Entsprechung
(besonders hinsichtlich des ODMG-Class-Extents)
RMSDM-Typ
==> ODMG-Interface
RMSDM-Klasse (benutzerdefiniert)
==> ODMG-Class (-Extent)
IS-K2000
ODMG2.0-6
3
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Attribute, Beziehungen und Methoden
Ein Atomic_object Typ wird beschrieben durch
– Properties: Attribute und Beziehungen.
• Attribut ist uni-direktional, d.h. eine Funktion (im RMSDM-Sinn),
die nicht invertiert ist, daher insbesondere häufig einen
Wertebereich mit Literal-Typ hat. Objektwertige Attribute sind
jedoch auch zugelassen. Es ist allerdings besser, ein solches
Attribut als Beziehung zu modellieren.
• Beziehung ist bi-direktional, d.h. Funktion mit Inverser (im
RMSDM-Sinn).
– Operations: Methoden, die durch ihre Signatur beschrieben werden,
insbesondere durch zusätzliche Input (“in”) und Output (“out”,
“inout”) -Parameter. Standard-Inputparameter ist die Objekt-Instanz,
auf der die Methode aufgerufen wird.
Bemerkung: Im Basis-Objektmodell werden Properties und Operations
nicht unterschieden, sondern einheitlich durch Funktionen dargestellt.
ODMG2.0-7
IS-K2000
Beispiel
Studierende
{interface}
adr
name : string
ETHNr : string
Angestellter
Adresse
1
Student
strasse : string 1
ort : string
plz : short
Gehalt
name : string
AHVNr : string
adr
gehalt 1
brutto : float
währung
erhöhen()
Professor
Doktorand
doktorvater
1
rang:Professur
0..*
{ordered}
1 dozent
setzt_voraus
0 .. *
{ordered}
betreut
hört
0..*
Vorlesung
1 .. *
0..*
titel : string
nummer:string
0..*
liest
ist_angeboten()
IS-K2000
ODMG2.0-8
4
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ODL-Typdefinitionen - Vorlesung class Vorlesung ( extent Vorlesungen key nummer )
{
attribute string titel;
attribute string nummer;
relationship Professor dozent
inverse Professor::liest;
relationship list<Doktorand> betreut_von
inverse Doktorand::betreut;
relationship list<Vorlesung> setzt_voraus
inverse Vorlesung::ist_voraussetzung_für;
relationship set<Vorlesung> ist_voraussetzung_für
inverse Vorlesung::setzt_voraus;
boolean ist_angeboten ( in unsigned short semester );
};
ODMG2.0-9
IS-K2000
ODL-Typdefinitionen - Hilfsklassen class Gehalt
{
readonly attribute float
brutto;
readonly attribute enum Währung {CHF,EUR,…} währung;
void erhöhen ( in float betrag, in Währung was );
};
struct Adresse
{
attribute string
attribute string
attribute short
};
IS-K2000
strasse;
ort;
plz;
ODMG2.0-10
5
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ODL-Typdefinitionen - Angestellter und Professor class Angestellter ( extent Angestellte key AHVNr )
{
attribute string
name;
attribute string
AHVNr;
attribute Adresse adr;
attribute Gehalt
gehalt;
};
class Professor extends Angestellter (extent Professoren)
{
attribute enum Professur {Voll, Assistent} rang;
relationship set<Vorlesung> liest
inverse Vorlesung::dozent;
};
IS-K2000
ODMG2.0-11
ODL-Typdefinitionen - Student und Doktorand interface Studierende
{
attribute string
name;
attribute string
ETHNr;
attribute Adresse adr;
};
class Student : Studierende ( extent Studenten key ETHNr )
{
attribute string
name;
attribute string
ETHNr;
attribute Adresse
adr;
attribute set<Vorlesung> hört;
};
class Doktorand extends Angestellter : Studierende (extent Doktoranden)
{
attribute string
ETHNr;
attribute Professor
doktorvater;
relationship set<Vorlesung> betreut
inverse
Vorlesung::betreut_von;
};
IS-K2000
ODMG2.0-12
6
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Klassen als Implementierung von Schnittstellen?
• Einer Interface-Definition werden keine Instanzen zugeordnet. Es gibt
daher kein allgemeineres Objekt, von dem ein spezielleres in der (ODMG)
-ISA Beziehung Properties (Attributwerte, Beziehungspartner) erben kann.
Es wird nur die Art der Eigenschaften und Beziehungen festgelegt.
• Zu einer Class-Definition gibt es Instanzen in dem dazu eingeführten
Extent. Über die “extends”-Anweisung bekommt daher eine “Subclass”
nicht nur die Art sondern auch die Werte der “Properties” also der
Attributwerte und Beziehungspartner. Zu jeder Instanz einer “subclass”
gibt es genau eine Instanz in der übergeordneten “class”.
Mehrfachvererbung von Properties ist ausgeschlossen.
• Wenn in einer Interface-Definition I “Properties” spezifiziert sind, so
müssen diese in einer Klasse C, für die C “HAS-A” I gilt, “nachgereicht”
werden, sofern sie nicht von der übergeordneten Class geerbt werden.
Siehe Beispiel TA. Man sagt in diesem Zusammenhang, dass die Klasse C
eine “Schnittstelle für I implementiert”. Dies ist insofern irreführend, dass
über eine “class”-Definition ein abstrakter Datentyp spezifiziert wird und
keine Implementierung.
• Für ODMG- (oder Java-) Interfaces könnte man auch “abstrakte Klasse”
sagen
IS-K2000
ODMG2.0-13
7.2 OQL - Objektabfragesprache
• OQL ist eine Vereinigung aus (NF2-) relationalen Konstrukten und
solchen des Basisobjektmodells, in einer dem vorgestellten PseudoSQL ähnlichen Syntax.
• OQL enthält SQL-92 (den Anfrageteil ohne DML)
• OQL enthält Konstrukte für einzelne Objekte, nicht nur für Kollektionen.
• OQL kann auch - wie SQL - embedded (in C++, Smalltalk, Java) in
Anwendungsprogrammen, nicht nur “stand-alone” verwendet werden.
• Syntaxdiagramme finden sich als Ergänzungsblätter (siehe auch die
WWW-Seiten dieser Vorlesung)
• Durch das Bemühen, SQL-kompatibel zu sein, verliert man Eleganz. Die
Unterstützung von vielen Collection Types geht auf Kosten der
Einfachheit.
• Es werden im folgenden einige typische Beispiele gegeben:
IS-K2000
ODMG2.0-14
7
aaa
Objekte ansprechen
• Beschränkung im folgenden auf Extent-Namen als Zugang zur
Objektbank (es gibt auch persistente Namen von Einzelobjekten)
• Die entsprechenden Typdefinitionen müssen vorhanden sein.
• Ergebnistyp leitet sich aus der Anfrage ab
• Beispiele:
1) Menge der Namen aller Studenten :
distinct ( select s.name
from
s in Studenten )
Ergebnis ist vom Typ Literal_set<string> ,bzw. Literal_bag<string> falls ohne distinct.
2) Name und Studentennummer aller Studenten:
select struct ( n:s.name, id:s.ETHNr )
from
s in Studenten
Ergebnis ist vom Typ Literal_bag< struct<string, integer> >
IS-K2000
ODMG2.0-15
Einzelobjekte und Objekte Generieren
• Beispiele:
1) Generieren einer Instanz vom Typ Professor:
Professor (name:”Einstein”, AHVNr:“123”, rang:Voll)
2) Zugriff auf Einzelobjekt über Schlüssel:
element(select p from p in Professoren where p.AHVNr=“123”)
3) Verwendung eines solchen Objekts beim Generieren einer Vorlesung:
Vorlesung ( titel: “Relativitätstheorie für Vorgerückte”,
nummer: “95-610”,
dozent: element ( select p from p in Professoren
where p.AHVNr = “123” ),
betreut_von: select d from d in Doktoranden
where d.doktorvater = element (…),
… )
IS-K2000
ODMG2.0-16
8
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Pfadausdrücke und Ausgabe von Werten
• Sei o Objekt, o.A1.A2. ... .Ak ist ein Pfadausdruck für Ak(...A2(A1(o))), wenn
alle Ai einwertige Funktionen (Attribute oder Beziehungen) sind.
• Falls Ai mengen- (oder bag-, listen- )wertig ist, so muss ein Iterator der
Form vi in o.A1.A2. … .Ai verwendet werden, der die Elemente der Menge
durchläuft.
Beispiel:
Ermittle zu jedem Doktoranden seinen Namen und den seines
Doktorvaters, sowie die Namen, Nummern und Dozenten der von ihm
betreuten Vorlesungen.
select struct( name:
d.name,
betreuer: d.doktorvater.name,
lectures: select struct ( t: v.titel,
n: v.nummer,
p: v.dozent.name )
from
v in d.betreut )
from
d in Doktoranden
ODMG2.0-17
IS-K2000
Aufruf von Operationen und generische Operationen
• Via Operationen kann man unter anderm ändern.
• Beispiele:
1) Erhöhe das Gehalt von Professor Einstein:
(element (select p
from
p in Professoren
where p.AHVNr = “123” ) ).gehalt.erhöhen(1000,CHF)
(Methode erhöhen() kann neben Gehalt evtl. auch weitere “Properties” ändern!)
2) Ermittle die erste Vorlesung, die Voraussetzung für die Vorlesung IS-K ist
(unter der Annahme, dass die Nummerierung von Listen bei 0 beginnt):
(element ( select v
from
v in Vorlesungen
where v.titel = “IS-K”) ).setzt_voraus[0]
weitere Geheimnisse: siehe praktische Übung
IS-K2000
ODMG2.0-18
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7.3 ODMG Sprachanbindungen
Programmierung einer
Objektdatenbank:
Sprachanbindungen für
• C++
• Java
• Smalltalk
Deklarationen
in ODL
Deklarationen
in ODL
Precompiler
Compiler
Metadaten
Object Code
Linker
Datenbankzugriff
Ad hoc Anfragen
Object Code
Datenbankzugriff
Objektbank
ausführbares
Programm
ODMG2.0-19
IS-K2000
C++ OML
Es gibt einige spezielle ODMG-Klassen für C++, die Datenzugriffe kapseln:
• Objektpersistenz
– Der new() Operator zum Instanziieren eines neuen Objekts, ist
überladen, so dass auch eine Objektbank angegeben werden kann:
d_Database *
myDB = ...;
d_Ref<Professor> prof = new(myDB) Professor;
• Referenzierung
– mit spezieller “Zeiger-Klasse” d_Ref<T>, die DB-Zugriffe verbirgt (s.o.)
• Löschen
– Persistente Objekte löscht man mit der Löschoperation von d_Ref:
prof.delete_object();
• Objektmodifikation
– Objektänderungen werden entweder direkt auf den Attributen, oder
mittels Methoden (in C++ geschrieben) vorgenommen. Die
Datenbankzugriffe geschehen intern mittels der d_Ref Klasse:
prof->AHVNr = 4711;
IS-K2000
ODMG2.0-20
10
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Java OML
• Objektpersistenz
– “persistence by reachability”:
Jedes Objekt, auf das von einem persistenten Objekt verwiesen wird,
wird automatisch vom System in der Objektbank gespeichert.
– Es gibt keine Unterschiede in der Verwendung von transienten oder
persistenten Java Objekte.
• Referenzierung
– Keine Besonderheiten gegenüber transienten Java-Objekten.
• Löschen
– Keine explizite Löschoperation für persistente Objekte vorgesehen
stattdessen Garbage Collector auf Objektbank ausgedehnt
• Objektmodifikation
– Objektänderungen werden mittels Methoden, die ganz normal in Java
geschrieben sind, vorgenommen.
ODMG2.0-21
IS-K2000
Beispiel Java-Sprachanbindung
import org.odmg.*;
import odmg_example.*;
Database
db;
Transaction trx;
try
{
// Datenbankverbindung herstellen
db = Database.current().open(“ODMG_Example”, Database.openReadWrite);
trx= new Transaction();
trx.begin()
// neues Professorenobjekt anlegen und persistent machen
Professor eins = new Professor(“Einstein”, “123”, Professor.Assistent);
db.bind( eins, “Einstein” );
// Objektmodifikationen
eins.rang = Professor.Voll;
eins.gehalt.erhöhen(10000, Gehalt.CHF);
// Objekt löschen
db.unbind(“Einstein”);
// den Rest macht der Garbage Collector
// Fortsetzung siehe nächste Folie ...
IS-K2000
ODMG2.0-22
11
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Beispiel Java-Sprachanbindung (cont’d)
// deklarative Anfragen
BagOfObject profs = (BagOfObject) db.lookup(“Professoren”);
Object
hjs
= profs.selectElement(“name=\”Schek\””);
OQLQuery
anfrage= new OQLQuery( “select v
from
v in Vorlesungen
where v.dozent = $1”);
anfrage.bind(hjs);
BagOfObject result = (BagOfObject) anfrage.execute();
// do something useful with result
Enumeration iter = result.createIterator();
while ( iter.hasMoreElements() )
{
Vorlesung v = (Vorlesung) iter.nextElement();
System.out.println(v.titel);
}
trx.commit();
db.close();
}
catch ( ODMGException exec )
{ // error handling
trx.abort(); throw exec;
}
ODMG2.0-23
IS-K2000
Syntax von Interface und Class - 1 <Interface>
::= <InterfaceHeader> ‘{’ [<InterfaceBody>] ‘}’
<InterfaceHeader> ::= ‘interface’ <Identifier> [<InheritanceSpec>]
<Class>
<ClassHeader>
::= <ClassHeader> ‘{’ <InterfaceBody> ‘}’
::= ‘class’ <Identifier>
[‘extends’ <ScopedName>]
[<InheritanceSpec>]
[<TypePropertyList>]
<InheritanceSpec> ::=
<TypePropertyList>::=
<ExtentSpec>
::=
<KeySpec>
::=
<KeyList>
::=
<Key>
::=
<PropertyList>
::=
|
<PropertyName>
::=
<ScopedName>
::=
|
IS-K2000
‘:’ <ScopedName> [‘,’ <InheritanceSpec>]
‘(’ [<ExtentSpec>] [<KeySpec>] ‘)’
‘extent’
<String>
‘key’[‘s’] <KeyList>
<Key> | <Key> ‘,’ <KeyList>
<PropertyName> | ‘(’ <PropertyList> ‘)’
<PropertyName>
<PropertyName> ‘,’ <PropertyList>
<Identifier>
<Identifier>
<ScopedName> ‘::’ <Identifier>
ODMG2.0-24
12
aaa
Syntax von Interface und Class - 2 <InterfaceBody> ::= <Export> | <Export> <InterfaceBody>
<Export>
::= <TypeDecl> ‘;’
| <ConstantDecl> ‘;’
| <ExceptionDecl> ‘;’
| <AttributeDecl> ‘;’
| <RelationDecl> ‘;’
| <OperationDecl> ‘;’
<AttributeDecl> ::= [‘readonly’] ‘attribute’ <DomainType> <Ident.>
<DomainType>
::= <SimpleType> | <StructuredType> | <EnumType>
<RelationDecl>
<TargetOfPath>
<InversePath>
::= ‘relationship’ <TargetOfPath> <Identifier>
‘inverse’
<InversePath>
::= <Identifier> | <Collection> ‘<’ <Identifier> ‘>’
::= <Identifier> ‘::’ <Identifier>
<OperationDecl>
<OpType>
<ParameterList>
<ParameterD>
::=
::=
::=
::=
<OpType> <Identifier> ‘ (’ [<ParameterList>] ‘)’
<SimpleType> | ‘void’
<ParameterD> | <ParameterD> ‘,’ <ParameterList>
[‘in’|‘out’|‘inout’] <SimpleType> <Identifier>
ODMG2.0-25
IS-K2000
OQL Syntaxdiagramme - 1 ;
define_query
query_program
define_query
query
define
identifier
as
query
Select Expression
Basic
Simple Expression
Comparison
query
Boolean Expression
Constructor
Accessor
Collection Expression
Set Expression
Conversion
IS-K2000
ODMG2.0-26
13
aaa
OQL Syntaxdiagramme - 2 *
:
identifier
distinct
Select Expression
select
query
query
as
query
identifier
,
from
identifier
query
as
,
ODMG2.0-27
IS-K2000
OQL Syntaxdiagramme - 3 -
identifier
where
query
group by
:
query
query
query
as
identifier
,
having
IS-K2000
query
order by
query
asc
desc
ODMG2.0-28
14
aaa
OQL Syntaxdiagramme - 4 Literals
entry_name
query_name
Basic
bind_argument
from_variable_name
(
)
query
nil
true
false
Literals
Integer
Float
Character
String
ODMG2.0-29
IS-K2000
OQL Syntaxdiagramme - 5 +
*
Simple Expression
query
query
/
mod
II
-
abs
IS-K2000
(
query
query
)
ODMG2.0-30
15
aaa
OQL Syntaxdiagramme - 6 Comparison
comparison op
query
query
like
String
and
Boolean Expression
query
query
or
not
=
!=
>
<
>=
<=
Comparison Op
ODMG2.0-31
IS-K2000
OQL Syntaxdiagramme - 7 query
type_name
(
)
type_name
struct
(
:
identifier
query
)
,
Constructors
set
bag
(
)
query
array
,
list
list
(
IS-K2000
(
query
query
,
..
query
query
)
)
ODMG2.0-32
16
aaa
OQL Syntaxdiagramme - 8 attribute_name
.
query
relationship_name
->
(
operation_name
)
query
,
Accessor
*
query
query
query
:
query
query
first
(
)
query
last
(
function_name
)
query
,
ODMG2.0-33
IS-K2000
OQL Syntaxdiagramme - 9 count
unique
(
*
)
exists
sum
Collection Expression
(
min
)
query
max
avg
query
query
in
some
any
comparison op
all
exists
for
IS-K2000
all
identifier
in
query
:
query
ODMG2.0-34
17
aaa
OQL Syntaxdiagramme - 10 intersect
Set Expression
union
query
query
except
listtoset
element
Conversion
distinct
(
query
)
flatten
(
IS-K2000
class_name
)
query
ODMG2.0-35
18
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