面向对象的数据库技术

面向对象的 数据库技术

主要内容 • 概述 • 面向对象的数据库系统（3部分） • 面向对象的数据库设计（实现） • 面向对象的数据库应用开发工具（2部分） • 现状与未来趋势

概述 • 数据库系统是信息系统的核心，一般地说，综合的信息系统就是大型数据库应用系统，将面向对象技术应用到数据库系统中，这是数据库应用发展的迫切需要，也是面向对象技术和数据库技术发展的必然结果。 • 面向对象技术在数据库系统中的应用主要体现在数据库管理系统和数据库应用开发工具两个方面，即面向对象的数据库系统和面向对象的数据库应用开发工具。

概述 • 数据库管理系统是建立信息系统的基础。将面向对象技术应用到数据库管理系统中，使数据库管理系统能够支持面向对象数据模型，这对提高数据库系统模拟客观世界的能力，扩大数据库应用领域具有重要的意义。

概述 • 数据库应用开发工具是信息系统开发的必备环境，将面向对象技术应用到数据库应用开发工具中，使数据库应用开发工具能够支持面向对象的开发方法并提供相应的开发手段，这对于提高应用开发效率，增强应用系统界面的友好性、系统的可伸缩性、可扩充性等具有重要的意义。

面向对象的数据库系统 • 1.应用的需求 • 数据库技术自60年代后期问世以来，无论从理论上，技术上，还是应用上，都经历了一个飞速发展的过程。现在，大型信息系统一般都是以数据库系统作为其核心的。 • 从数据库系统采用的数据模型来看，70年代广为流行的是网状模型和层次模型的数据库系统。它们采用记录的汇集，以及记录之间一对多(对一)的联系来描述现实世界客观事物，用过程化的数据操纵语言来提供数据管理功能。

1.应用的需求 • 自80年代以来，关系模型的数据库系统逐步取代了网状模型和层次模型的数据库系统关系模型建立在代数的基础之上，用关系(二维表)来描述现实世界客观事物，用面向集合的非过程化的数据操纵语言来提供数据管理功能。由于关系模型严格的数学基础，概念简单清晰，非过程化程度高，数据独立性强，因此关系型数据库系统的发展非常迅速，80年代以来，计算机厂商推出的数据库管理系统几乎都是支持关系模型的。

1.应用的需求 • 随着数据库技术的发展，数据库应用领域已从传统的商务数据处理扩展到许多新的应用领域，例如计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助软件工程(CASE),图象处理、超文本应用等，关系数据库管理系统很难适应这些新应用领域中模拟复杂对象，模拟对象的复杂行为需求。甚至在传统的商务数据处理应用中，也提出了新的处理需求，例如存储和检索保险索赔案件中的照片、手写的证词等，这些要求也是传统的关系数据库系统难以满足的。

1.应用的需求 • 新的应用需求推动了数据库新技术的研究，其中最重要的研究方向之一就是面向对象技术与数据库技术相结合，研究新型的数据库管理系统——面向对象的数据库系统。利用类的设施来描述复杂对象，利用对象中封装的方法来模拟对象的复杂行为，利用继承性来实现对象结构和方法的重用。

2.面向对象数据库系统的特性 • 面向对象数据库系统的研究始于80年代中后期，对于什么是面向对象的数据库系统，目前尚缺乏权威性的统一标准。然而，对于面向对象数据库系统应该具备的基本特性，国际数据库学术界己取得了大体一致的共同认识。 • 首先，面向对象数据库系统必须支持面向对象的数据模型，具有面向对象的特性。

2.面向对象数据库系统的特性 • 这些特性主要包括:支持复杂对象，具有对简单对象运用各种对象构造符组成复杂对象的能力;具有对角标识，对象独立于它的值而存在;具有封装性，数据库对象中既封装数据又封装程序，从而达到信息隐蔽，同时也是逻辑数据独立性的一种形式;支持类型和类的概念，类型概括具有相同特性的一组对象的共同特性;支持类或类型的层次结构，从而支持继承性这一有力的建模工具;允许过载，即将同一名字用于不同类型上的数据操作;通过与现有程序设计语言的合理连接来达到计算完备性;并具有可扩充性。

2.面向对象数据库系统的特性 • 其次，面向对象数据库系统必须是一个数据库管理系统，具有数据库管理系统的基本功能。主要包括:持久性，数据库中的数据是持久保存的;外存管理，包括索引管理、数据缓冲、存取路径选择、查询优化等;并发性，系统应该提供和目前的数据库管理系统同样级别的，对多个用户并发操作数据库的支持;故障恢复，系统应该提供和目前的数据库管理系统同样级别的，将数据库从故障后的错误状态恢复到某一正确状态的功能;以及即席查询功能，查询功能应能是非过程化的，高效的，独立于应用的。面向对象的数据库系统除了必须具备上述面向对象特性和数据库管理系统基本功能外，最好还能具备新应用领域所需要的一些进一步的特性，例如模式演化、版本管理、长事务和嵌套事务、分布式计算等。

3.面向对象数据库系统的优越性 • 面向对象数据库系统将面向对象的能力赋予了数据设计人员和数据库应用开发人员，从而可以大大扩展数据库系统的应用领域，并且提高开发人员的工作效率和应用系统的质量。 • 1)复杂对象构造能力使得对于客观世界的模拟能力强，方式自然。

3.面向对象数据库系统的优越性 关系数据库系统强迫用户用多个关系的元件组来表示层次数据、嵌套数据、或复合数据。例如，职工有职工号、姓名、性别、工资、部门等属性，而部门又有部门号、部门名、部门性质、部门经理等属性。关系数据库中属性的取值只能是基本数据类型，这样，职工元组中的部门属性的取值只能部门号。要查询某职工及其所在部门的信息就需要做“职工”和“部门”这两个关系的连接。这样的表示方式既不自然，又影响查询的速度。面向对象数据库中的对象的属性的取值可以是另外一个对象，一个职工对象的部门属性的取值就可以是该部门对象，实际储存的是该对象的对象标识，这样的表示方式自然、易理解，而且在查询某职工及其所在部门的信息时可以通过该部门的对象标识直接找到那个部门，提高了查询的速度。

3.面向对象数据库系统的优越性 2)封装性向开发人员和最终用户屏蔽复杂性和实现细节，降低了数据库应用系统开发和维护的难度。对象封装将程序和数据封装在一起作为存储和管理的单位，也是用户使用的单位，从外部只能看到它的接口，而看不到实现的细节，对象内部实现的修改不影响对对象的使用，因此使应用系统的开发和维护都变的容易。关系数据库系统现在支持存贮的过程，即允许程序用某种过程性语言编写并存入数据库中以备以后装载和执行。但是，存储的过程并不和数据封装在一起，即它们不和任何关系或关系的元组相关联，构成一个整体，其信息隐蔽和易维护性显然不如面向对象数据库系统中封装起来的对象。

3.面向对象数据库系统的优越性 3)继承性使得数据库设计和应用编程成为可重用的。在面向对象的数据库系统中，类的定义和类库的层次结构体现了系统分析和数据库设计的结果，即体现了客观世界中对象的内部结构及对象之间的联系。同时，类定义中封装的方法保存了数据库应用编程的结果。应用开发人员可以在己建立的类库基础上派生出新的类，继承己存在的类的属性和方法。例如定义“销售人员”类作为已存在的“职工”类的子类，“销售人员”可以继承“职工”的职工号、姓名、性别等属性，重用了数据库设计的结果，还可以继承“职工”的计算工资额、显示奖惩记录等方法，重用了应用编程的结果。数据库设计和应用编程的重用对于建立大型复杂的数据库应用系统具有重要意义。

一些概念的区分 • 面向对象的数据库设计（即数据库模式）思想 • 面向对象数据库管理系统(OODBMS)理论 • 其实前者是数据库用户定义数据库模式的思路，后者是数据库管理程序的思路。用户使用面向对象方法学可以定义任何一种DBMS数据库，即网络型、层次型、关系型、面向对象型均可，甚至文件系统设计也照样可以遵循面向对象的思路。后者则是我们如上所述的一个区别于传统数据库系统的新型数据库管理系统。

面向对象的数据库设计 • 一般数据库设计方法有两种，即属性主导型和实体主导型。属性主导型从归纳数据库应用的属性出发，在归并属性集合(实体)时维持属性间的函数依赖关系。实体主导型则先从寻找对数据库应用有意义的实体入手，然后通过定义属性来定义实体。一般现实世界的实体数在属性数1/10以下时，宜使用实体主导型设计方法。面向对象的数据库设计是从对象模型出发的，属于实体主导型设计。

面向对象的数据库设计 • 一般数据库应用系统都遵循以下相关开发步骤：1设计应用系统结构；2 选择便于将应用程序与 DBMS 结合的DBMS体系结构，如RDBMS；3 根据应用程序使用的环境平台，选择适宜的DBMS(如Oracle)和开发工具(如PB)；4 设计数据库，编写定义数据库模式的SQL程序；5 编写确保数据正确录入数据库的用户接口应用程序；6 录入数据库数据；7 运行各种与数据库相关的应用程序，以确认和修正数据库的内容。

面向对象的数据库设计 • DBMS只是给用户为已采用的数据库提供一个舞台，而是否使用这个舞台上的道具以及唱什么戏，则完全取决于用户的戏剧脚本和导演(开发者)的安排。例如，公路局系统所使用的数据库管理系统，是以二维表为基本管理单元、支持所有关系代数操作、支持实体完整性与实体间参照完整性的全关系型 RDBMS，而我们要在这个舞台上利用上述“道具”设计一个面向对象的关系数据库。

应用对象模型与RDBMS模型的映射实现 • 数据库设计(模式)是否支持应用系统的对象模型，这是判断是否是面向对象数据库系统的基本出发点。由于应用系统设计在前，数据库设计随后，所以应用系统对象模型向数据库模式的映射是面向对象数据库设计的关键。

应用对象模型与RDBMS模型的映射实现 • 1.三层数据库模式面向对象模型的扩展 • 一般数据库设计多参照ANSL/SPARC关于数据库模式的3层标准结构提案。最接近物理数据库的内部模式由 DBMS 提供的SQL来描述。概念模式可以由若干个内部模式聚集而成，它是由数据库用户规范的一些表的集合。例如，公路局计划处数据库模式、机务处数据库模式等，它们是逻辑数据库，常常通过库表 ID来界定库边界。一般的概念模式是数据库物理模式作用域的边界，它能实现数据库的物理意义、特定DBMS 的特殊操作对外部应用程序的信息隐蔽。

应用对象模型与RDBMS模型的映射实现 • 外部模式是从特定用户应用角度看待的数据库模式，从不同的应用出发对同一概念模式可以给出多种不同的外部模式。例如：公路绿化情况查询应用看到的数据库是公路上的树木种类、数量、分布比率等，桥梁隧道状况查询应用看到的是公路上的桥梁、隧道长度、个数、路段等，但是它们可能访问的是同一个库表的不同子集。 • 当外部应用系统以对象模型进行抽象时，从各个应用出发抽象出的对象模型可以映射到外部模型上，对此我们不妨称之为外部对象模型。但是，外部模型只是概念模型的子集，所以面向对象的数据库设计核心在于系统对象模型(不妨称之为概念对象模型) 向数据库概念模型的映射。

应用对象模型与RDBMS模型的映射实现 • 2.对象模型向数据库表的映射规则 • 由于 RDBMS 是以二维表为基本管理单元的，所以对象模型最终是由二维表及表间关系来描述的。换言之，对象模型向数据库概念模型的映射就是向数据库表的变换过程。有关的变换规则简单归纳如下： • （1）一个对象类可以映射为一个以上的库表，当类间有一对多的关系时，一个表也可以对应多个类。 • （2）关系(一对一、一对多、多对多以及三项关系)的映射可能有多种情况，但一般映射为一个表，也可以在对象类表间定义相应的外键。对于条件关系的映射，一个表至少应有3个属性。

应用对象模型与RDBMS模型的映射实现 • （3）单一继承的泛化关系可以对超类、子类分别映射表，也可以不定义父类表而让子类表拥有父类属性；反之，也可以不定义子类表而让父类表拥有全部子类属性。 • （4）对多重继承的超类和子类分别映射表，对多次多重继承的泛化关系也映射一个表。 • （5）对映射后的库表进行冗余控制调整，使其达到合理的关系范式。 • 3.数据库模式要面向应用系统

面向对象关系数据库设计效果 • 1.数据库结构清晰，便于实现OOP • 由于实现了应用模块对象对数据库对象的完全映射，数据库逻辑模型可以自然且直接地模拟现实世界的实体关系。公路局用户所处的当前物理世界、系统开发者所抽象的系统外部功能，与支持系统功能的内部数据库 (数据结构)一一对应，所以用户、开发者和数据库维护人员可以用一致的语言进行沟通。特别是对多数不了解业务的程序开发人员来说，这种将应用对象与相应的数据对象封装在对象统一体中的设计方法，大大减轻了程序实现的难度，使他们只要知道加工的数据及所需的操作即可，而且应用程序大多雷同，可以多处继承由设计人员抽象出来的、预先开发好的各种物理级超类。

面向对象关系数据库设计效果 • 2.数据库对象具有独立性，便于维护 • 除了数据库表对象与应用模块对象一一对应外，在逻辑对象模型中我们没有设计多重继承的泛化关系，所以这样得到的数据库结构基本上是由父表类和子表类构成的树型层次结构，表类间很少有继承以外的复杂关系，是一个符合局部化原则的结构，从而使数据库表数据破坏的影响控制在局部范围且便于修复，给系统开通后的数据库日常维护工作带来便利。

面向对象关系数据库设计效果 • 3.需求变更时程序与数据库重用率高，修改少 • 在映射应用对象时，除关系映射规范化后可能出现一对多的表映射外，大多数应用对象与表对象是一一对应的。我们可以把规范化处理后的、由一个应用对象映射出来的多个表看成一个数据库对象。因此当部分应用需求变更时，首先，系统修改可以不涉及需求不变更的部分。其次，变更部分的修改可以基本上只限于追加或删除程序模块或追加新库表，而基本上不必修改原有程序代码或原有库表定义，从而大大减少了工作量，降低了工作难度。

面向对象的数据库应用开发工具 • 1.应用的需求 • 为提高应用开发人员的生产率，增强数据库应用系统的界面友好性、可维护性、易扩充性，就必须有数据库应用开发工具来支持数据库应用系统的开发。 • 十余年来，数据库厂商和工具开发商在数据库应用开发工具上投入了大量的人力和物力，推出了若干个建立在关系数据库系统之上的应用开发工具。早期的开发工具多是字符界面的、集中式的(非客户/服务器结构的)，一般是与特定的DBMS配套的。

面向对象的数据库应用开发工具 • 随着客户/服务器体系结构的发展，以及对全企业范围数据库应用系统的需求，数据库应用开发人员对应用开发工具提出了新的要求，要求它们支持图形化的用户界面(GUI)开发，软件部件重用，开发组的工作方式，应用系统的可伸缩性、可扩充性等。与这些要求相呼应，数据库厂商和工具开发商开始研究将面向对象技术应用到数据库应用开发工具中，并开始推出面向对象的数据库应用开发工具。

面向对象的数据库应用开发工具 • 2.面向对象的数据库应用开发工具的特性 • 由于关系数据库查询语言SQL标准不同，数据库应用开发工具五花八门，没有统一的标准，当然更没有面向对象的数据库应用开发工具的统一标准。然而，我们还是可以列举出它们应该具备的一些基本特性。 • 首先，作为数据库应用开发工具，它应该提供对应用开发的全而支持，包括图形化的界面描绘工具，应用建立工具，调试工具，图示工具，以及强有力的数据库访问能力和浏览工具等。

面向对象的数据库应用开发工具 • 其次，作为面向对象的开发工具，它应该支持面向对象的开发方法，包括一个可扩充的面向对象编程语言定义、类的层次结构、继承性、多态性等。些外，这样的开发工具还应该是客户/服务器结构的，最好具有与多种数据库服务器的开放联接。以及支持开发组的工作方式，支持应用分割等进一步特性。 • 面向对象的数据库应用开发工具形成了这样一种环境，允许先进的面向对象技术与成熟的关系数据库技术在同一个环境中工作，支持数据库应用系统的开发。

现状与未来趋势 • 1.面向对象的数据库系统 • 近年来，面向对象数据库系统一直是数据库学术界和工业界研究的热点之一。 • 自从1987年以来，已陆续有多个面向对象的数据库产品投入市场，此外，还有不少实验室的原型系统。这些系统在功能，体系结构，实现技术等方面没有统一的标准。比较典型的实现途径有两种。

现状与未来趋势 • 面向对象的数据库管理系统的一种实现途径是，以一种面向对象的程序设计语言，例如C++或Smalltalk为基础，增加数据库功能，主要是持久对象和数据共享。这样实现的面向对象数据库系统与面向对象的程序设计语言紧密结合，容易被熟悉面向对象语言的开发人所接受，而且一般具有比较高的执行效率其不足之处是缺乏某些数据库基本特性，很重要的是缺乏与SQL兼容的查询设施，在安全性，完整性，并发控制，开发工具等方面也比关系数据库产品差。这类面向对象数据库产品适合于复杂数据，简单查询的应用。对于某些应用领域，例如ECAD(Electronic Computer Aided Design)非常适用。目前市场上的这类面向对象数据库产品主要有Object Store,02,Objectivity/DB,Matisse, ONI'OS, Gemstone等。

现状与未来趋势 • 面向对象的数据库管理系统的另一种实现途径是，从关系数据库管理系统扩展，增加面向对象特性，主要是对基类扩充，复杂对象继承性，规则系统等的支持。这样实现的面向对象数据库系统是关系数据库技术与面向对象技术的融合，支持查询语言SQL的超集，具备关系数据库系统的数据库功能，同时又支持面向对象特性。这类数据库系统又称作对象——关系数据库系统。对象——关系数据库产品适合于复杂数据、复杂查询的应用，随着新的多媒体应用的计算机化，随着Web应用的迅猛发展，对象——关系数据库系统有着广阔的应用前景，目前市场上的对象——关系数据库产品主要有UniSQL, Illustra等。

现状与未来趋势 • 面向对象技术应用到数据库系统中，不会完全取代关系数据库。今后的发展趋势是:关系数据库系统，面向对象数据库系统，对象——关系数据库系统同时存在。用户根据自己的应用特色去选择适合于自己的数据库产品。

现状与未来趋势 • 2.面向对象的数据库应用开发工具 • 面向对象数据库系统现在应用不很广泛，将来的趋势出不取代关系数据库系统。关系数据库系统在现在和将来的相当长时间内仍将是应用的主流。因此，基于关系数据库系统的面向对象应用开发工具对于数据库应用的发展具有十分重要的意义。

现状与未来趋势 • 目前，己有一些面向对象的数据库应用开发工具推向市场，并由于它们出色的特性而受到用户的欢迎。例如Infomix公司的Infomix-NewEra,Borland公司的Delphi,PowerSofr公司的PowerBuilder等。预计还继续会有新的面向对象特性的支持、与多种数据库服务器连接的能力、高效性、易用性等方面将进一步改进和提高，从而为在关系数据库系统的应用开发中采用面向对象技术提供更有力的支持。

谢谢大家！

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