Язык описания информационных моделей EXPRESS

Для представления метаданных в рамках схемо-независимой и смешанной стратегий объектно-реляционного отображения необходимо предусмотреть специальную систему таблиц, которая в свою очередь может рассматриваться как результат отображения объектно-ориентированной метамодели языка EXPRESS на реляционную модель. Поскольку полная метамодель языка EXPRESS довольно сложна, а объектно-реляционное отображение допускает множество реализаций, в том числе на основе вышеописанных паттернов, ограничимся рассмотрением следующего возможного варианта организации таблиц. Система таблиц, позволяет представить необходимую метаинформацию об EXPRESS схеме, ее составе в виде определяемых простых и объектных типов данных и организации атрибутов в классах объектов. Допустимы расширения реляционной схемы, обеспечивающие представление различного рода ограничений, допускаемых языком EXPRESS.

Таблица Schemas предназначена для представления информационных схем языка EXPRESS, зарегистрированных в реляционной базе данных. Она хранит первичные ключи записей и уникальные имена схем. Defined_Types -- это таблица простых типов данных, определяемых пользователем, которая хранит первичный ключ типа, его имя, а также ссылку на базовый тип в виде внешнего ключа записи в этой же таблице. Одиннадцать предопределенных типов, соответствующих семи элементарным типам языка EXPRESS, обобщенным ассоциативному и перечисляемому типам, а также селективному и агрегатному супертипам, заносятся заранее при инициализации таблицы. Предопределенные типы являются листьями в дереве иерархии сложных типов, рекурсивно определяемых пользователем и заносимых в данную таблицу в виде отдельных записей. Defined_Types_To_Schemas -- это таблица соответствия определяемых типов данных конкретным схемам. Связь между пользовательским типом и информационной схемой устанавливается через отдельную таблицу, а не через внешний ключ в таблице Defined_Types, поскольку один и тот же тип может включаться в разные схемы, если в спецификации на языке EXPRESS для него определены директивы импорта. Таблица хранит внешние ключи определяемых пользователем типов и соответствующих им информационных схем. Пара внешних ключей «тип-схема» формирует составной первичный ключ записи в таблице Defined_Types_To_Schemas, чем контролируется уникальность включения типа в одну и ту же схему.

Для детального описания перечислимых, селективных и агрегатных типов дополнительно используются таблицы Enumeration_Constants, Select_Types и Aggregate_Types. Таблица Enumerations_Constants содержит списки возможных значений для каждого перечислимого пользовательского типа. Ее столбцы хранят символьные значения перечислимого типа и внешний ключ соответствующей записи типа в таблице Defined_Types. Аналогичным образом, таблица Select_Types представляет списки базовых типов, входящих в определение каждого конкретного селективного типа, в виде внешних ключей записей типов в таблице Defined_Types. В столбцах таблицы агрегатных типов Aggregate_Types содержится информация о типе агрегата (ARRAY, LIST, SET или BAG), базовом типе его элементов в виде внешнего ключа соответствующей записи в таблице Defined_Types, разрешенных значениях нижней и верхней границ агрегата, признаках допустимости наличия уникальных и неопределенных элементов.

Таблица классов Entities предназначена для представления объектных типов информационной схемы, зарегистрированной в базе данных. Ее столбцы хранят первичные ключи записей и уникальные имена сущностей. Аналогично определяемым типам, привязка классов к схеме осуществляется через отдельную таблицу соответствия Entities_To_Schemas. Для реконструкции отношений наследования между классами используется таблица Inheritance_Relations, в которой данные отношения представлены парами внешних ключей записей классов родителей и потомков в таблице Entities. Поскольку язык EXPRESS допускает множественное наследование с признаками AND или ANDOR, важно иметь альтернативное представление иерархии наследования в виде множеств всех родительских классов, данные которых включаются в конструируемые объекты сложных классов. Для этой цели используется таблица Complex_Entities. Для единообразия обработки объектов простые классы также представляются записями этой таблицы. Таблица Complex_Entities_To_Entities хранит все соответствия сложных классов родительским классам в виде пары внешних ключей записей в таблицах Complex_Entities и Entities.

Наконец, таблица атрибутов Attributes содержит столбцы для представления имени атрибута, класса, в котором данный атрибут определяется (или переопределяется), в виде соответствующего внешнего ключа записи в таблице Entities, типа атрибута в виде внешнего ключа записи в таблице Defined_Types, признака обязательности значений и контекста использования (EXPLICIT, DERIVED или INVERSE).

В заключение отметим, что приведенная схема достаточно удобна для реализации промежуточного объектно-реляционного слоя в рамках схемо-независимой и смешанной стратегий непосредственно средствами реляционной СУБД. Вместе с тем, возможен ряд ее модификаций, связанных с иными способами реляционного представления метамодели EXPRESS путем использования альтернативных паттернов отображения прикладных объектно-ориентированных моделей, рассмотренных выше.

7. Реализация промежуточного объектно-реляционного слоя в

В настоящее время в рамках проекта создания программной платформы для интеграции приложений ведется разработка промежуточного объектно-реляционного слоя общего назначения. Объектно-реляционный слой предназначен для работы с произвольными прикладными объектно-ориентированными данными, модели которых описаны на языке EXPRESS.

Для интегрируемых приложений объектно-реляционный слой предоставляет программные объектно-ориентированные интерфейсы доступа к прикладным данным на некоторых популярных языках реализации). Организация этих интерфейсов следует перечисленным выше принципам прозрачного манипулирования хранимыми данными, декларируемым Манифестом объектно-ориентированных баз данных. Интерфейсы предоставляют функционально развитый набор операций для манипулирования хранимыми и временными объектами, включая операции создания, модификации, удаления объектов, навигации по их однонаправленным и двунаправленным ассоциативным связям и выборки объектов на основе языка запросов. Запросы базируются на конструкции QUERY языка EXPRESS, позволяющей задать произвольный предикат на множестве объектов и отобрать те из них, которые удовлетворяют условию данного предиката. Интерфейсы предусматривают несколько пессимистических и оптимистических моделей транзакций с различными способами изоляции на уровне отдельных прикладных объектов и самостоятельных объектных популяций, содержательных для коллективных пользовательских сессий и участвующих в них приложений.

По спецификации данные интерфейсы совместимы с соответствующими частями международного информационного стандарта по интероперабельности STEP и поэтому обеспечивают интегрируемость широкого класса унаследованных и вновь создаваемых программных систем научного и промышленного назначения.

В качестве хранилища данных реализация объектно-реляционного слоя предусматривает использование реляционных СУБД со схемами, основанными на рассмотренных выше паттернах объектно-реляционного отображения. При этом функции по управлению транзакциями, разрешению запросов, контролю целостности данных, управлению версиями и контролю прав доступа распределяются между сервером объектно-реляционного слоя, через который непосредственно взаимодействуют приложения, и реляционной СУБД, выступающей в роли вторичного хранилища данных.

Важнейшими функциями, реализуемыми непосредственно средствами реляционной СУБД, являются операции манипулирования хранимыми объектами и выполнения простых объектных запросов. С этой целью на языке PL/SQL разрабатываются пакеты программ, эмулирующие объектно-ориентированные интерфейсы доступа к данным путем предоставления функциональных средств для создания, модификации, поиска и удаления объектов. Поскольку полная поддержка объектного языка запросов средствами реляционной СУБД представляется проблематичной с учетом разнообразия императивных конструкций языка EXPRESS, пакеты программ выполняют простейшие виды запросов на основе хранимых объектных идентификаторов (PID), объектных типов и навигационных маршрутов в виде графов переходов по ассоциативным связям типизированных объектов. Поддерживая кэширование объектов, посредник в ряде случаев разрешает запросы самостоятельно, а иногда переадресовывает их реляционной СУБД. При этом происходит редукция клиентского запроса, представленного в общей форме, к запросу упрощенного вида, расширяющего множество объектов и выполнимого пакетом программ реляционной СУБД. Результаты затем обрабатываются посредником с целью исключения объектов, полученных в результате интерпретации упрощенного запроса и не удовлетворяющих исходному.

Поскольку выбор стратегии отображения для реализации объектно-реляционного слоя подобной функциональности крайне неоднозначен с учетом разнообразия потенциальных приложений, предполагается реализация и поддержка нескольких альтернативных стратегий, а именно: схемо-независимого, схемо-зависимого и BLOB подходов. Они базируются на тех или иных сочетаниях рассмотренных выше паттернов ОР отображения и используют собственные пакеты программ на PL/SQL для реализации базовой функциональности объектно-реляционного слоя. Хотя все пакеты реализуют семантически эквивалентные наборы операций для манипулирования объектами и их поиска, их внешние интерфейсы не допускают унификацию в силу ограниченных возможностей языка SQL при формировании клиентских запросов со стороны объектно-реляционного посредника для специфических реляционных схем представления объектно-ориентированных моделей данных. Для адаптации посредника к иным объектно-реляционным стратегиям в его архитектуре предусмотрены специальные компоненты-адаптеры, обеспечивающие требуемую виртуализацию хранилищ данных. Каждый адаптер реализуется с учетом специфики конкретного ОР отображения.

В качестве целевой платформы реализации промежуточного объектно-реляционного слоя выбрана СУБД Oracle9.

7.1 Схемо-независимая стратегия

Альтернативу рассмотренному способу реализации объектно-реляционного отображения составляет разработанный вариант схемо-зависимой стратегии, основанный на использовании паттернов отображения классов и атрибутов OneInheritancePath-OneTable, Attribute-Column, ClassAssociation, ClassSelect и ClassAggregate. Данный вариант представляет собой попытку оптимизировать реляционную схему для наиболее эффективной работы с данными внутри одной прикладной модели. Подобная постановка задачи возникает довольно часто на практике и представляет интерес для приложений, оперирующих с одной, возможно масштабной, междисциплинарной прикладной моделью. Указанное сочетание паттернов отображения приводит к большому количеству таблиц, требуемых для адекватного представления объектно-ориентированных данных. Однако при этом оно обеспечивает более эффективную реализацию базовых операций манипулирования объектами. Паттерн OneInheritancePath-OneTable использует преимущества сериализованного представления атрибутов конкретных классов и упрощает компоновку наследуемых атрибутов для объектов выбранных типов. Перечисленные паттерны отображения исключают многоуровневую косвенную адресацию при доступе к таблицам атрибутов и обеспечивают высокую эффективность реализации вспомогательных операций сборки значений из таблиц атрибутов при чтении объектов и их рассылку по соответствующим таблицам при записи и модификации объектов.

Реализация адаптера посредника для схемо-зависимой стратегии существенно отличается от реализации схемо-независимой стратегии. Во-первых, реляционная схема для СУБД генерируется соответствующим CASE инструментом для каждой прикладной модели, специфицированной на языке EXPRESS. Ниже представлен фрагмент описания такой схемы на языке SQL для прикладной модели ActorResource, приведенной ниже. Во-вторых, одновременно со схемой генерируются исходные тексты пакета процедур на языке PL/SQL для манипулирования объектами данной прикладной модели. Каждая процедура пакета ориентирована на работу с объектами определенного типа и имеет специфический для него интерфейс. Поддержка подобных хранимых процедур со стороны реляционной СУБД существенно упрощает реализацию адаптера для посредника и позволяет повысить эффективность его работы за счет компиляции соответствующих директив манипулирования объектами в среде самой СУБД. В-третьих, не требуется какая-либо работа с метаданными, поскольку организация таблиц данных следует структурным особенностям прикладной информационной модели и позволяет явно адресоваться к ним при работе.

-- создание таблицы для описателей объектов схемы

ActorResource

CREATE TABLE actorresource_instance (

PID INTEGER DEFAULT 1 NOT NULL PRIMARY KEY,

Title VARCHAR2(128) NOT NULL,

Entity VARCHAR2(128) NOT NULL,

Model INTEGER NOT NULL,

Commentary VARCHAR2(4000),

FOREIGN KEY (Model) REFERENCES model(PID)

ON DELETE CASCADE

);

CREATE SEQUENCE sq$actorresource_instance;

CREATE UNIQUE INDEX i$actorresource_title_model

ON actorresource_instance (Title, Model);

CREATE INDEX i$actorresource_entity_model

ON actorresource_instance (Entity, Model);

CREATE INDEX i$actorresource_model

ON actorresource_instance (Model);

-- таблица для объектов типа Organization

CREATE TABLE actorresource_organization (

PID INTEGER DEFAULT 1 NOT NULL PRIMARY KEY,

Instance INTEGER NOT NULL,

Id_ INTEGER NOT NULL,

Name_ VARCHAR2(255) NOT NULL,

Description_ VARCHAR2(4000),

FOREIGN KEY (Instance) REFERENCES

actorresource_instance(PID) ON DELETE CASCADE

);

CREATE SEQUENCE sq$actorresource_organization;

CREATE INDEX i$actorresource_organization

ON actorresource_organization (Instance);

CREATE TABLE actorresource_organizat_3 (

PID INTEGER DEFAULT 1 NOT NULL PRIMARY KEY,

Parent INTEGER NOT NULL,

Element_Index1 INTEGER,

Element_Value VARCHAR2(255),

FOREIGN KEY (Parent) REFERENCES

actorresource_organization(PID) ON DELETE CASCADE

);

CREATE SEQUENCE sq$actorresource_organizat_3;

CREATE INDEX i$actorresource_organizat_3

ON actorresource_organizat_3 (Parent);

CREATE TABLE actorresource_organizat_4 (

PID INTEGER DEFAULT 1 NOT NULL PRIMARY KEY,

Parent INTEGER NOT NULL,

Element_Index1 INTEGER,

Element_Value VARCHAR2(128),

FOREIGN KEY (Parent) REFERENCES

actorresource_organization(PID) ON DELETE CASCADE

);

CREATE SEQUENCE sq$actorresource_organizat_4;

CREATE INDEX i$actorresource_organizat_4

ON actorresource_organizat_4 (Parent);

…

7.3 BLOB стратегия

Наконец, третий разработанный вариант реализации адаптера основан на применении BLOB&Text&XML_Encoding паттернов для реляционного представления объектов классов и их атрибутов. Этот вариант воспроизводит упрощенную схему СН стратегии за счет упакованного представления значений атрибутов объекта в виде бинарной или текстовой строки. Сами строки хранятся как элементы записей в таблице объектов BLOB_Instances. Как следствие, таблицы представления простых и сложных атрибутов отсутствуют. Модифицированная таблица Associations хранит ассоциации всех видов и используется для реализации навигационных запросов по ним. Из таблиц метаданных поддерживаются лишь Schemas, Entities, Entities_To_Schemas, Inheritance_Relations, Complex_Entities и Complex_Entities_To_Entities, записи которых воспроизводят отношения наследования классов в прикладной модели и используются для реализации запросов по типам объектов. Соответствующий CASE инструмент позволяет сгенерировать скрипт инициализации таблиц метаданных по спецификации прикладной информационной модели на языке EXPRESS.

Разработанный на языке PL/SQL пакет процедур предоставляет базовый набор операций манипулирования объектами и их поиска по идентификаторам, типам и навигационным маршрутам в рамках BLOB стратегии. Поскольку значения атрибутов объекта представлены в БД единой строкой, функции по упаковке и распаковке строк целиком ложатся на адаптер посредника. В силу этой же причины в рамках BLOB стратегии невозможно выполнение более тонких запросов на основе атрибутных свойств объектов непосредственно средствами СУБД.

8. Рекомендации использования

Таким образом, на основе выделенных паттернов проведена систематизация методов объектно-реляционного отображения. Паттерны отображения информационных схем, классов, атрибутов, метаданных и их сочетания приводят к существенным различиям в организации реляционных таблиц и способах реализации промежуточного объектно-реляционного слоя. Получаемые решения обладают разной степени эффективностью, гибкостью и адаптируемостью к изменениям и развитию прикладных моделей.

Так, приведенный пример реализации схемо-независимой стратегии объектно-реляционного отображения, основанный на фиксированной системе таблиц, может быть рекомендован для использования в приложениях, оперирующих одновременно с несколькими перманентно изменяемыми моделями либо с масштабными промышленными моделями, включающими тысячи классов. Однако эффективность выполнения запросов, а также базовых операций манипулирования объектами при использовании данной стратегии оказывается низкой, поскольку их реализация связана с необходимостью дополнительного анализа таблиц метаданных, а также сборки значений атрибутов объектов из нескольких таблиц при чтении и их обратной рассылки по таблицам при записи.

Частично компенсировать данные недостатки, а также сократить количество необходимых реляционных таблиц позволяет упрощенный вариант реализации схемо-независимой стратегии, основанный на представлении значений атрибутов, упакованных в единую бинарную или текстовую строку (BLOB) и хранимых как элементы записей в таблице объектов. Недостатком данной стратегии является невозможность непосредственной реализации запросов и базовых операций манипулирования объектами средствами самой СУБД. Вся нагрузка здесь ложится на промежуточный слой, выполняющий операции упаковки/распаковки строк со значениями атрибутов. Реализованный вариант BLOB стратегии, описанный в настоящей статье, позволяет разгрузить слой-посредник и выполнить простые запросы по идентификаторам объектов, их типам, а также навигационным маршрутам средствами СУБД, поскольку использует дополнительную систему таблиц для хранения отношений наследования и ассоциативных связей между отдельными объектами.

Наиболее эффективную реализацию запросов и операций манипулирования объектами обеспечивает разработанный вариант схемо-зависимой стратегии, основанный на сериализованном представлении атрибутов конкретных классов. Данная стратегия рекомендуется для использования в приложениях, оперирующих с одной прикладной моделью, включающей несколько сотен классов. Ее недостатками являются большое количество используемых таблиц, критичное для большинства реализаций современных реляционных СУБД, чувствительность к эволюции прикладной модели, а также необходимость применения CASE инструментария для генерации реляционной схемы и процедур, реализующих запросы и операции манипулирования объектами. Подобный инструментарий позволяет существенно упростить сопровождение и администрирование базы данных, эксплуатирующей данную стратегию объектно-реляционного отображения.

Таким образом, разрабатываемый программно-инструментальный комплекс предоставляет развитые средства для эффективной организации промежуточного объектно-реляционного слоя в типовых прикладных контекстах. Представленные рекомендации могут служить конструктивной основой для выбора наиболее оптимальных решений.