Объектно-ориентированные базы данных

4. Объектно-ориентированные базы данных.

1. Why ODBMS?

     “Белыми книгами” с названием, вынесенным в заголовок, с избытком снабдит любая компания, занимающаяся объектными базами данных. Кое-что о преимуществах и недостатках объектно-ориентированных СУБД уже упоминалось выше, подведем в таком случае итог.

     Объектно-ориентированные  базы данных применяются с конца 1980-х для обеспечения управления базами данных приложениями, построенными в соответствии с концепцией объектно-ориентированного программирования. Объектная технология расширяет традиционную методику разработки приложений новым моделированием данных и методами программирования. Для повторного использования кода и улучшения сохранности целостности данных в объектном программировании данные и код для их обработки организованы в объекты. Таким образом, практически полностью снимаются ограничения на типы данных.

     Если  данные состоят из коротких, простых  полей фиксированной длины (имя, адрес, баланс банковского счета), то лучшим решением будет применение реляционной  базы данных. Если, однако, данные содержат вложенную структуру, динамически изменяемый размер, определяемые пользователем произвольные структуры (мультимедиа, например), представление их в табличной форме будет, как минимум, непростым. В то же время в ООСУБД каждая определенная пользователем структура – это объект, непосредственно управляемый базой данных.

     В РСУБД связи управляются пользователем, создающим внешние ключи. Затем  для обнаружения связей динамически  во время выполнения система просматривает  две (или больше) таблицы, сравнивая внешние ключи до достижения соответствия. Этот процесс, называемый объединением (join), является слабой стороной реляционной технологии. Более двух или трех уровней объединений – сигнал, чтобы искать лучшее решение. В ООСУБД пользователь просто объявляет связь, и СУБД автоматически генерирует методы управления, динамически создавая, удаляя и пересекая связи. Ссылки при этом прямые, нет необходимости в просмотре и сравнении или даже поиске индекса, который может сильно сказаться на производительности. Таким образом, применение объектной модели предпочтительнее для баз данных с большим количеством сложных связей: перекрестных ссылок, ссылок, связывающих несколько объектов с несколькими (many-to-many relationships) двунаправленными ссылками.

     В отличие от реляционных, ООСУБД полностью поддерживают объектно-ориентированные языки программирования. Разработчики, применяющие С++ или Smalltalk, имеют дело с одним набором правил (позволяющих использовать такие преимущества объектной технологии, как наследование, инкапсуляция и полиморфизм). Разработчик не должен прибегать к трансляции объектной модели в реляционную и обратно. Прикладные программы обращаются и функционируют с объектами, сохраненными в базе данных, которая использует стандартную объектно-ориентированную семантику языка и операции. Напротив, реляционная база данных требует, чтобы разработчик транслировал объектную модель к поддерживаемой модели данных и включил подпрограммы, чтобы обеспечить это отображение во время выполнения. Следствием являются дополнительные усилия при разработке и уменьшение эффективности.

     И, наконец, ООСУБД подходят (опять же без трансляций между объектной  и реляционной моделями) для организации  распределенных вычислений. Традиционные базы данных (в том числе и реляционные  и некоторые объектные) построены вокруг центрального сервера, выполняющего все операции над базой. По существу, эта модель мало отличается от мэйнфреймовой организации 60-х годов с центральной ЭВМ – мэйнфреймом (mainframe), выполняющей все вычисления, и пассивных терминалов. Такая архитектура имеет ряд недостатков, главным из которых является вопрос масштабируемости. В настоящее время рабочие станции (клиенты) имеют вычислительную мощность порядка 30 - 50 % мощности сервера базы данных, то есть большая часть вычислительных ресурсов распределена среди клиентов. Поэтому все больше приложений, и в первую очередь базы данных и средства принятия решений, работают в распределенных средах, в которых объекты (объектные программные компоненты) распределены по многим рабочим станциям и серверам и где любой пользователь может получить доступ к любому объекту. Благодаря стандартам межкомпонентного взаимодействия (об этом позже) все эти фрагменты кода комбинируются друг с другом независимо от аппаратного, программного обеспечения, операционных систем, сетей, компиляторов, языков программирования, различных средств организации запросов и формирования отчетов и динамически изменяются при манипулировании объектами без потери работоспособности.

2. Спорные моменты технологии.

     Все ООСУБД по определению поддерживают сохранение и разделение объектов. Но, когда дело доходит до практической разработки приложений на разных ООСУБД, проявляется множество отличий в реализации поддержки трех характеристик:

• Целостность;
• Масштабируемость;
• Отказоустойчивость.

     Отметим, что ООБД не требуют многих из тех  внутренних функций и механизмов, которые столь привычны и необходимы в реляционных БД. Например, при  небольшом числе пользователей, длинных транзакциях и незначительной загрузке сервера объектные СУБД не нуждаются в поддержке сложных механизмов резервного копирования/восстановления (исторически сложилось так, что первые ООБД проектировались для поддержки небольших рабочих групп – порядка десяти человек – и не были приспособлены для обслуживания сотен пользователей). Тем не менее технология БД определенно созрела для крупных проектов.

     Для иллюстрации первой категории рассмотрим механизм кэширования объектов. Большинство  объектных СУБД помещают код приложения непосредственно в то же адресное пространство,  где работает сама СУБД. Благодаря этому достигается повышение производительности часто в 10-100 раз по сравнению с раздельными адресными пространствами. Но при такой модели объект с ошибкой может повредить объекты и разрушить базу данных.

     Существуют  два подхода к организации реакции СУБД для предотвращения потери данных. Большинство систем передают приложению указатели на объекты, и рано или поздно такие указатели обязательно становятся неверными. Так, они всегда неправильны после перехода объекта к другому пользователю (например, после перемещения на другой сервер). Если программист, разрабатывающий приложение, пунктуален, то ошибки не возникает. Если же приложение попытается применить указатель в неподходящий для этого момент, то в лучшем случае произойдет крах системы, в худшем – будет утеряна информация в середине другого объекта и нарушится целостность базы данных.

     Есть  метод, лучший, чем использование  прямых указателей (Рисунок 3). СУБД добавляет дополнительный указатель и при необходимости, если объект перемещается, система может автоматически разрешить ситуацию (перезагрузить, если это необходимо, объект) без возникновения конфликтной ситуации.

     Существует  еще одна причина для применения косвенной адресации: благодаря этому можно отслеживать частоту вызовов объектов для организации эффективного механизма свопинга.

     Это необходимо для реализации уже второго  необходимого свойства баз данных –  масштабируемости. Опять следует  упомянуть организацию распределенных компонентов. Классическая схема клиент-сервер, где основная нагрузка приходится на клиента (такая архитектура называется еще “толстый клиент-тонкий сервер”), лучше справляется с этой задачей, чем мэйнфреймовая структура, однако ее все равно нельзя масштабировать до уровня предприятия. Благодаря многозвенной архитектуре клиент-сервер (N-Tier architecture) происходит равномерное распределение вычислительной нагрузки между сервером и конечным пользователем. Нагрузка распределяется по трем и более звеньям, обеспечивающим дополнительную вычислительную мощность. К чему же еще ведет такая практика? “Архитектура клиент-сервер, еще совсем недавно считавшаяся сложной средой, постепенно превратилась в исключительно сложную среду. Почему? Благодаря ускоренному переходу к использованию систем клиент-сервер нескольких звеньев” (PC Magazine). Разработчикам приходится расплачиваться дополнительными сложностями, большими затратами времени и множеством проблем, связанных с интеграцией. Оставим очередное упоминание распределенных компонентов на этой не лишенной оптимизма ноте.

Рисунок 3 Прямая и косвенная адресации.

     Третье  необходимое качество базы данных –  это отказоустойчивость. Именно это  свойство отличает программный продукт  от “прилады”. Существуют несколько способов обеспечения отказоустойчивости:

• резервное копирование и восстановление;
• распределение компонентов;
• независимость компонентов;
• копирование.

     Руководствуясь  первым принципом, программист определяет потенциально опасные участки кода и вставляет в программу некоторые действия, соответствующие началу транзакции – сохранение информации, необходимой для восстановления после сбоя, и окончанию транзакции – восстановление или, в случае невозможности, принятие каких-то других мер, например, отправка сообщения администратору. В современных СУБД этот механизм обеспечивает восстановление в случае возникновения практически любой ошибки системы, приложения или компьютера, хотя, конечно, нельзя говорить об идеальной защите от сбоев.

     В мэйнфреймовой архитектуре единственным источником сбоев была центральная ЭВМ. При переходе к распределенной многозвенной организации ошибки могут вызывать не только компьютеры, включенные в сеть, но и коммуникационные каналы. В многозвенной архитектуре при сбое одного из звеньев без специальных мер результаты работы других окажутся бесполезными. Поэтому при разработке распределенных систем обеспечивается принципиально более высокий уровень обеспечения отказоустойчивости. Назовем обязательные для современных распределенных СУБД свойства:

• прозрачный доступ ко всем объектам независимо от их местоположения, благодаря чему пользователю доступны все сервисы СУБД и может производиться перераспределение компонентов без нежелательных последствий.
• так называемый “трехфазный монитор транзакций” (third-party transaction monitor), благодаря которому транзакция выполняется не в два, а в три этапа – сначала посылается запрос о готовности к транзакции.

     Что произойдет, если один из компонентов  выйдет из строя? Система, созданная  в соответствии только с вышеизложенными  доводами, приостановит работу всех пользователей и прервет все транзакции. Поэтому важно такое свойство СУБД, как независимость компонентов.

     При сетевом сбое сеть разделяется на части, компоненты каждой из которых  не могут сообщаться с компонентами другой части. Для того, чтобы сохранить возможность работы внутри каждой такой части, необходимо дублирование критически важной информации внутри каждого сегмента. Современные системы позволяют администратору базы данных динамически определять сегменты сети, варьируя таким образом уровень надежности всей системы в целом.

     И, наконец, о копировании (replication) данных. Простейшим способом является добавление к каждому (основному) серверу резервного. После каждой операции основной сервер передает измененные данные резервному, который автоматически включается в случае выхода из строя основного. Естественно, такая схема не лишена недостатков. Во-первых, это приводит к значительным накладным расходам при дублировании данных, что не только сказывается на производительности, но и само по себе является потенциальным источником сбоев. Во-вторых, в случае сбоя, повлекшего за собой разрыв соединения между двумя серверами, каждый из них должен будет работать в своем сегменте сети в качестве основного сервера, причем изменения, сделанные на серверах за время работы в таком режиме, будет невозможно синхронизовать даже после восстановления работоспособности сети.

     Более совершенным является подход, когда  создается необходимое (подбираемое  в соответствии с требуемым уровнем  надежности) число копий в сегменте. Таким образом увеличивается доступность копий и даже (при распределении нагрузки между серверами) повышается скорость чтения. Проблема невозможности обновления данных несколькими серверами одновременно в случае их взаимной недоступности решается за счет разрешения проведения модификаций только в одном из сегментов, например имеющем наибольшее число пользователей. При хорошо настроенной схеме кэширования затраты на накладные расходы при дублировании модифицированных данных близки к нулю.

3. Стандарты объектных баз данных.

     Для обеспечения переносимости приложений (приложение может работать на разных СУБД) и совместимости с СУБД (может  взаимодействовать с разными  СУБД), естественно, необходима выработка  стандартов. Сразу заметим, что установление стандартов лишает производителя в некоторой степени свободы в принятии решений и увеличивает стоимость продукта за счет лицензионных отчислений и больше не будем обсуждать целесообразность (прямо скажем, очевидную) стандартизации.

     В области объектных СУБД в настоящее время выработаны стандарты для:

• объектной модели;
• языка описания объектов;
• языка организации запросов (Object Query Language – OQL);
• “связующего” языка (C++ и, конечно же, Smalltalk);
• администрирования;
• обмена (импорт/экспорт);
• интерфейсов инструментария и др.