高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其實現(xiàn)

1、整理ppt高級數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及其實現(xiàn)Advanced Theory on Database Systems整理ppt第1章 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫 新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用 數(shù)據(jù)模型的發(fā)展 ODMG對象數(shù)據(jù)模型 持久性編程語言 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)發(fā)展歷史整理ppt1.1 新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用 傳統(tǒng)應(yīng)用的共同特點 數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)的一致性：具有相似的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和相同的大小 面向記錄：基本數(shù)據(jù)由定長數(shù)據(jù)組成 小數(shù)據(jù)項：記錄不超過幾百字節(jié)長 原子字段：記錄字段短、定長、無結(jié)構(gòu)，滿足1NF。整理ppt1.1 新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用 新型應(yīng)用領(lǐng)域： 計算機輔助設(shè)計(CAD)：儲存工程設(shè)計數(shù)據(jù)，包括被設(shè)計的構(gòu)件、構(gòu)件間

2、的聯(lián)系、設(shè)計的版本等 計算機輔助軟件工程(CASE)：存儲和管理軟件開發(fā)人員使用的數(shù)據(jù)，包括源代碼、軟件模塊間的依賴關(guān)系、變量的定義與使用、軟件系統(tǒng)的發(fā)展歷史等 多媒體數(shù)據(jù)庫：多媒體數(shù)據(jù)包括：圖像、空間數(shù)據(jù)、音頻(Audio)數(shù)據(jù)、視頻(Video)數(shù)據(jù)等，主要的應(yīng)用包括：地理信息系統(tǒng)(GIS)、Voice-mail系統(tǒng)、圖形系統(tǒng)、音頻點播(AOD: Audio-On-Demand)、視頻點播(VOD)等整理ppt1.1 新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用新型數(shù)據(jù)庫應(yīng)用 新型應(yīng)用領(lǐng)域： 辦公信息系統(tǒng)(OIS)：辦公自動化主要包括文檔建立工具和文檔檢索工具 超文本數(shù)據(jù)庫：超文本是由文本和指向其他文檔的勾鏈構(gòu)成。WW

3、W系統(tǒng)是一個超文本的例子，確切地說，它是一個超媒體的例子，因為Web文檔可能是多媒體文檔。超文本數(shù)據(jù)庫必須支持基于勾鏈的文檔檢索和基于結(jié)構(gòu)的文檔查詢功能。整理ppt1.2 數(shù)據(jù)模型的發(fā)展Record-orientedHierarchical Data ModelNetwork Data ModelValue-orientedRelational Data ModelObject-orientedExtended Relational Data ModelODMG Data Model整理ppt1.3 ODMG對象模型 模型概述 型(Types) 對象(Objects) 字面量(Literals

4、) 建模對象的狀態(tài)-特征 建模對象的行為-操作整理ppt1.3.1 對象模型概述 基本建模單位：對象對象和字面量字面量，對象有一個唯一的標識符而字面量沒有 每個對象(字面量)具有一個型型，某個型的所有元素具有相同的狀態(tài)和行為 一個對象的狀態(tài)由一組特征來描述：屬性與聯(lián)系 一個對象的行為由一組操作來描述整理ppt1.3.2 對象的型 型的定義：一個外部說明和一個或多個實現(xiàn)，外部說明是對象的抽象 外部說明包括：對象的操作和特征 對象(Objects) 型的三種定義方式：Interface、class、literal 接口接口型僅定義一個對象型的抽象行為抽象行為 類類型定義一個對象型的抽象行為和抽象狀

5、態(tài) 字面量字面量型僅定義了一個字面量型的抽象狀態(tài)整理ppt1.3.2 對象的型 Interface Employee ; class Person ; struct Complex float re; float im; 型的說明interfaceclassliteral抽象行為抽象狀態(tài)整理ppt1.3.2 對象的型 一個型可以有多個實現(xiàn)，但在一種綁定語言中，一個型通常只有一個實現(xiàn) C+實現(xiàn) Java實現(xiàn) 型的說明獨立于型的實現(xiàn)所帶來的好處 可以使型的語義獨立于綁定語言的表示細節(jié) 有利于型的多語言存取和異構(gòu)計算環(huán)境中對象的共享整理ppt1.3.2 對象的型 - 子型化(subtyping)與行

6、為繼承 繼承 子型化僅僅反映了行為的繼承過程 Interface Employee ; interface Professor: Employee ; interface Associate_Professor: Professor . ; Professor/Employee：子型/超型聯(lián)系 子型繼承其所有超型的特征與行為 子型可以提煉(refine)或重載來自超型的特征與行為 類是可實例化的型、接口是不可實例化的型 行為繼承反映了兩個interface間的ISA聯(lián)系(generalization-specialization)整理ppt繼承 繼承：由現(xiàn)有類導(dǎo)出新的類，這個新的類不但可以繼承

7、原類的全部屬性和方法，而且還可以定義它自己額外的屬性和方法，以及重定義繼承的方法 子類：新類稱為原類的“子類”特化 超類：原類稱為導(dǎo)出類的“超類”泛化 繼承實現(xiàn)了概念建模中的“IS-A”聯(lián)系 單繼承：一個類只能有一個超類 多繼承：一個類可有多個超類，通過組合幾個類的描述到一個類而提高共享能力整理pptExample of IS-A Inheritance整理pptClass DAG for banking example.Example of Multiple Inheritance返回整理ppt1.3.2 對象的型 - 子型化(subtyping)與行為繼承 繼承 子型化僅僅反映了行為的繼承

8、過程 Interface Employee ; interface Professor: Employee ; interface Associate_Professor: Professor . ; Professor/Employee：子型/超型聯(lián)系 子型繼承其所有超型的特征與行為 子型可以提煉(refine)或重載來自超型的特征與行為 類是可實例化的型、接口是不可實例化的型 行為繼承反映了兩個interface間的ISA聯(lián)系(generalization-specialization)整理ppt1.3.2 對象的型 - 狀態(tài)繼承 行為繼承反映的是兩個interface間的ISA聯(lián)系狀態(tài)繼

9、承反映的是兩個class間的EXTENDS聯(lián)系 一個類將繼承被它擴展的另一個類的所有的特征和行為 Example整理ppt1.3.2 對象的型 - 狀態(tài)繼承interface Employee ;class Person attribute string name;attribute Date birthDate; class EmployeePerson extends Person : Employeeattribute Date hireDate;attribute Currency payRate; ;整理ppt1.3.2 對象的型 - 外延(extents) 一個型的外延是由數(shù)據(jù)庫中

10、該型的所有實例組成 如果一個對象o是型A的一個實例，則對象o必然是A的外延中的成員 如果型A是型B的一個子型，則A的外延是B的外延的一個子集 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中為每個表維持一個外延，而在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中型的外延維護是由型的設(shè)計者決定的整理ppt1.3.3 對象 - 對象標識 l對象標識符：對象的身份表示l唯一性：OID在對象的整個生命周期內(nèi)是保持不變的l不可重用性：一旦某個對象被刪除之后，該對象的OID不可重用l獨立于對象狀態(tài)：不隨對象變量狀態(tài)的變化而變化l獨立于對象的物理存儲位置：當對象的存儲位置發(fā)生變化時OID應(yīng)保持不變整理ppt1.3.3 對象 - 對象標識 l對象標識是由系統(tǒng)分配而不是

11、由應(yīng)用產(chǎn)生l對象標識與關(guān)鍵字的區(qū)別唯一確定關(guān)系中的一行主關(guān)鍵字是可變的主關(guān)鍵字可重復(fù)利用主關(guān)鍵字是一個純邏輯的概念主關(guān)鍵字是由應(yīng)用產(chǎn)生整理ppt1.3.3 對象 - 對象名字 一個對象可以有一個或多個有意義的名字 對象標識是由系統(tǒng)產(chǎn)生的，而對象名字是由應(yīng)用產(chǎn)生的 對象名字在整個數(shù)據(jù)庫范圍中必須唯一，一個對象可以具有多個名字，但一個名字只能表示一個對象 對象名字類似于編程語言中的全局變量整理ppt1.3.3 對象 - 對象生命周期 對象生命周期是在對象建立時確定的 兩種對象：揮發(fā)性對象(volatile or transient) 持久性對象(persistent) 揮發(fā)性對象：存儲在內(nèi)存中，由

12、編程語言運行系統(tǒng)來管理，其生命周期是當前進程 持久性對象：存儲在內(nèi)存和磁盤中，由ODBMS運行系統(tǒng)來管理 對象生命周期獨立于型，即一個型既可以有持久性對象，也可以有揮發(fā)性對象整理ppt1.3.3 對象 - 集(聚)合對象 * Set：無序、無重復(fù)元素* Bag：無序、有重復(fù)元素* List：有序、有重復(fù)元素、可按位置操作 元素位置可變* Array：有序、有重復(fù)元素、可按位置操 作、元素位置不變* Dictionary：無序、k-v對的無重復(fù)集合整理ppt1.3.3 對象 - 結(jié)構(gòu)對象 * Date：日期型* Interval：時間段型* Time：時間型* Timestamp：時間戳型整理p

13、pt1.3.4 字面量 * 原子字面量* 集(聚)合字面量* 結(jié)構(gòu)字面量* 空字面量整理ppt1.3.4 字面量 * 原子字面量- long, short- unsigned long- unsigned short, float- double, boolean- octet, char- string, enum * 集(聚)合字面量- set- bag- list- array- dictionary整理ppt1.3.4 字面量 -結(jié)構(gòu)型* 時間型- date- time- interval- timestamp* 用戶自定義型struct Address string dorm_nam

14、e; string room_no;attribute Address dorm_address;整理ppt1.3.4 建模對象狀態(tài) - 特征 ODMG定義了2種類型的特征 屬性：具有一個類型 聯(lián)系：通過2個對象類型定義 通過遍歷路徑的說明顯式定義一個聯(lián)系 遍歷路徑的說明的功能：描述了參加聯(lián)系的2個對象實例間的邏輯連接 遍歷路徑的說明的方向：成對進行，分別說名來自該聯(lián)系中的不同遍歷方向整理ppt1.3.4 建模對象狀態(tài) - 特征* 屬性interface Person attribute short age; attribute string name; attribute enum gend

15、er male, female; attribute Address home_address; attribute set phones; attribute Department dept;* 聯(lián)系interface Professor . relationship set teaches inverse Course:is_taught_by; .;整理ppt1.3.4 建模對象狀態(tài) - 特征* 如何表示1:1,1:n, n:m relationship X inverse C:R; relationship set inverse C:R;* class Professor . rel

16、ationship set teaches inverse Course:is_taught_by; .;class Course . relationship Professor is_taught_by inverse Professor:teaches; .;整理ppt1.3.4 建模對象行為 - 操作* 多態(tài)性多態(tài)性：一個對象可以具有多種身份,C+中用case語句來體現(xiàn)* 遲后聯(lián)編遲后聯(lián)編：由于多態(tài)性問題而引起在C+中是通過虛函數(shù)來實現(xiàn)的* 操作重載操作重載：同一接口具有不同的實現(xiàn)在C+中是通過函數(shù)重載來實現(xiàn)* 操作提煉操作提煉：子類的操作可對父類繼承過來的操作進行修正而得到，例如圓錐

17、體的體積可通過對圓柱體的體積計算進行提煉(修正而得到)，在C+中通過調(diào)用父類中的方法來實現(xiàn)整理ppt面向?qū)ο蟮恼Z言 增加某種復(fù)雜類型和面向?qū)ο筇卣鱽頂U展某種數(shù)據(jù)操縱語言（如SQL） 對象-關(guān)系系統(tǒng)SQL:1999 找一種現(xiàn)存的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言，將它擴展以便能對數(shù)據(jù)庫進行處理 持久化程序設(shè)計語言整理ppt1.4 持久性編程語言與嵌入式語言的區(qū)別 類型阻抗 嵌入式語言與主語言存在類型阻抗問題 持久性編程語言的查詢語言已完全集成到宿主語言中，共用相同的類型系統(tǒng) 內(nèi)存與磁盤之間的數(shù)據(jù)交換格式 嵌入式語言設(shè)計者負責(zé)編寫外在代碼完成 持久性編程語言無需顯示編程整理ppt1.4 持久性編程語言 持久性編

18、程語言的缺點： 由于編程語言功能強大，程序也相對容易對數(shù)據(jù)庫進行破壞 語言的復(fù)雜性使得自動進行高層優(yōu)化更加困難 目前持久性編程語言不能很好地支持說明性查詢語言整理ppt1.4.1 對象持久化 類持久化類持久化：說明某個類是持久化的，則該類中的所有對象是持久化的，非持久化類的所有對象是揮發(fā)性的。該方法比較簡單但不夠靈活，因為在一個類中既有持久性對象也有揮發(fā)性對象對用戶來講總是有用的和方便的，因此在許多面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中為“可持久化”類 建立持久化建立持久化：通過重載并擴展new操作的功能來建立持久性對象，這樣一個對象是否為持久性的取決于該對象的建立過程。這種方法被一些面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)所采納

19、。整理ppt1.4.1 對象持久化 標記持久化標記持久化：是上一方法的變種，它是在一個對象被建立以后可以標記它為持久性對象。一般來講，所有對象被作為揮發(fā)性對象來建立，但是如果該對象的有效范圍超過程序的執(zhí)行期間的話，則它必須在該程序結(jié)束前被顯式地被標記為持久性對象。方法和的區(qū)別是：前者在對象建立前決定是否持久化，而后者是在對象建立后才決定其是否持久化 引用持久化引用持久化：一個或多個對象被顯式地說明為持久性根對象，所有直接或間接被這些持久性根對象引用的所有對象均為持久性對象整理ppt1.4.2持久性對象存儲與存取持久性對象存儲與存取 在面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫中，一個對象的數(shù)據(jù)部分被單獨地存儲在數(shù)據(jù)庫中

20、，而實現(xiàn)一個類的方法的代碼部分是作為數(shù)據(jù)庫模式部分存儲的，包括類的類型定義。但是在許多系統(tǒng)實現(xiàn)中將方法實現(xiàn)的代碼存儲在數(shù)據(jù)庫外面的文件中，以避免將諸如編譯器這樣的系統(tǒng)軟件集成到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中來。整理ppt1.4.2持久性對象存儲與存取持久性對象存儲與存取 通過對象名字通過對象名字：這種方法僅適合于少量的對象查找，即在數(shù)據(jù)庫中不能命名大量對象，這樣會降低通過名字查找對象的效率。通常數(shù)據(jù)庫的入口是通過名字查找得到的 通過對象標識符通過對象標識符：這種方法是實現(xiàn)導(dǎo)航查找對象的方法 集合對象的查找集合對象的查找：允許程序在一個對象的集合(Collection)之上進行迭代以找到所需要的對象。通常對象的集

21、合被建模為聚集類型(Collection Type)的對象 類的外延類的外延(extent)：如果一個類存在外延，則在創(chuàng)建該類的一個對象時該對象被自動地被插入到類的外延中，刪除該類中的對象時，該對象也自動地從外延中刪除掉。類的外延的維護使得該類具有關(guān)系的性質(zhì)。整理ppt1.4.3 持久性持久性C+系統(tǒng)系統(tǒng) 基于C+的持久化擴展的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫 通過類庫提供持久化支持 優(yōu)點：對C+做的修改少 易于實現(xiàn) 缺點：設(shè)計復(fù)雜 完整性約束 提供說明性查詢整理ppt The ODMG is an industry consortium aimed at standardizing object-orient

22、ed databases in particular persistent programming languages Includes standards for C+, Smalltalk and Java ODMG-93 ODMG-2.0 and 3.0 (which is 2.0 plus extensions to Java) Our description based on ODMG-2.0 ODMG C+ standard avoids changes to the C+ language provides functionality via template classes a

23、nd class libraries C+ ODL、C+OMLODMG C+ ODL整理pptclass Branch : public d_Object .class Person : public d_Object public:d_String name; / should not use String!d_String address;class Account : public d_Object private:d_Long balance; public:d_Long number;d_Set d_Ref owners; int find_balance();int update_

24、balance(int delta);ODMG C+ ODL: Example整理pptclass Customer : public Person public:d_Date member_from;d_Long customer_id;d_Ref home_branch;d_Set d_Ref accounts; ; ODMG C+ ODL: Example (Cont.)整理pptint create_account_owner(String name, String Address) Database bank_db.obj;Database * bank_db= & bank

25、_db.obj;bank_db =open(“Bank-DB”);d.Transaction Trans;Trans.begin();d_Ref account = new(bank_db) Account;d_Ref cust = new(bank_db) Customer;cust-name - name;cust-address = address;cust-accounts.insert_element(account);. Code to initialize other fieldsTmit();ODMG C+ OML: Example整理pptint print_customer

26、s() Database bank_db_obj;Database * bank_db = &bank_db_obj;bank_db-open (“Bank-DB”);d_Transaction Trans; Trans.begin ();d_Extent all_customers(bank_db);d_Iteratord_Ref iter;iter = all_customerscreate_iterator();d_Ref p;while(iter.next (p)print_cust (p); / Function assumed to be defined elsewhere

27、Tmit();ODMG C+ OML: Example of Iterators整理ppt1.4.3 持久性持久性C+系統(tǒng)系統(tǒng) 基于持久性C+擴展的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng) Fish、QuickStore、Mneme、. 基于緩沖區(qū)機制的面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng) O2、Versant、Ontus、ObjectStore、 實現(xiàn)的區(qū)別 單級存儲結(jié)構(gòu) 兩級存儲結(jié)構(gòu)整理ppt1.5 對象與數(shù)據(jù)庫Of object and databases: A decade of turmoil, VLDB96 從學(xué)術(shù)界和工業(yè)界：對象和數(shù)據(jù)庫技術(shù)在1986年、1996年、和2006年的發(fā)展狀況 擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 持久性編程

28、語言 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)工具集/構(gòu)件整理ppt對象與數(shù)據(jù)庫在1986年 傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫研究者：用復(fù)雜數(shù)據(jù)類型來擴展關(guān)系數(shù)據(jù)模型 編程語言研究者：增加編程語言的持久性特征 其他研究者 結(jié)合面向?qū)ο缶幊陶Z言和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的關(guān)鍵特征 - 新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)：面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng) 用一組工具來輔助系統(tǒng)開發(fā)者來構(gòu)造領(lǐng)域特殊的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)整理ppt擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)對象與數(shù)據(jù)庫在1986年 開放關(guān)系數(shù)據(jù)庫的類型系統(tǒng) 允許用戶自定義新的抽象數(shù)據(jù)類型(ADT)，并登記到數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中 一旦ADT被定義后，可等同于任何內(nèi)部(built-in)類型一樣使用 典型的商業(yè)實例：Postgres整理ppt持久性

29、編程語言對象與數(shù)據(jù)庫在1986年 主要研究問題包括 數(shù)據(jù)持久化方法 正交性：所有類型都能持久化？ Binding技術(shù)，主要是DB與PL的無縫集成 系統(tǒng)類型的安全性問題 其他實現(xiàn)技術(shù)：持久性結(jié)構(gòu)的導(dǎo)航、持久性數(shù)據(jù)的維護、垃圾回收等整理ppt面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)對象與數(shù)據(jù)庫在1986年 主要研究 數(shù)據(jù)模型、查詢語言、索引技術(shù)、查詢處理與優(yōu)化、系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、用戶接口 問題 在關(guān)系數(shù)據(jù)庫早期，有一個公認的數(shù)據(jù)模型和查詢語言，而在OODB早期沒有一個統(tǒng)一的認識，不存在一個統(tǒng)一的標準 早期產(chǎn)品 Gemstone、Vbase、Ontos、Orion等整理ppt數(shù)據(jù)庫構(gòu)件系統(tǒng)對象與數(shù)據(jù)庫在1986年 理念理念：

30、任何一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)不可能滿足所有下一代應(yīng)用的功能與性能要求，通過一組數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)構(gòu)件來快速構(gòu)造一個適合某個領(lǐng)域特殊要求的DBMS,以滿足他們對查詢語言、存取方法、存儲組織、事務(wù)機制等不同要求 Exodus: 提供對象存儲管理器、持久性編程語言、和一個查詢優(yōu)化器生成器 Genesis: 提供一組可復(fù)合的存儲和索引原語和一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)編譯器(通過一個說明來構(gòu)造一個合適的存儲管理器) Starburst: 提供一組存儲和索引構(gòu)件、通過規(guī)則來定義一個可擴展的查詢處理子系統(tǒng)整理ppt對象與數(shù)據(jù)庫在1996年 從商業(yè)角度而言，數(shù)據(jù)庫構(gòu)件系統(tǒng)和持久性編程語言系統(tǒng)已經(jīng)失敗 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)在學(xué)術(shù)上產(chǎn)生了許多研

31、究成果，也有一些小的OODB公司開發(fā)的產(chǎn)品，但遠未達到原來的商業(yè)期望 擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫和持久性編程語言沒有任何商業(yè)產(chǎn)品 擴展關(guān)系數(shù)據(jù)庫-對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)整理ppt兩個失敗對象與數(shù)據(jù)庫在1996年 數(shù)據(jù)庫構(gòu)件系統(tǒng) 需要特殊的專門知識 被生成程序效率非常低下 不靈活：數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)者喜歡更低層的控制，而面向應(yīng)用的程序員認為他們又太低層了 持久性編程語言 目前在學(xué)術(shù)界仍然很活躍 沒有一個產(chǎn)品出現(xiàn) 但很多研究成果可直接應(yīng)用到面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)中：導(dǎo)航編程查詢語言接口、持久化模型、指針混用、垃圾回收算法整理ppt面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)對象與數(shù)據(jù)庫在1996年 里程碑：面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)宣言 必要特征：復(fù)雜對象、對象標識、封裝、繼承、遲后聯(lián)編、方法的計算完備性、可擴展類型系統(tǒng)、并發(fā)控制、恢復(fù)、ad hoc查詢 可選特征：多繼承、靜態(tài)與動態(tài)類型檢查、分布式、長事務(wù)、版本管理 研究工作 數(shù)據(jù)模型問題：基本對象模型、模式演進 查詢處理問題：路徑表達式、基于類層次的查詢、基于指針的連接方法、基于大對象查詢的復(fù)雜對象組裝模式 面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)索引 客戶/服務(wù)器體系結(jié)構(gòu) OODB的Benchmarks：OO1、OO7、TPC-C整理ppt面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)對象與數(shù)據(jù)庫在1996年 標準：對象數(shù)據(jù)庫管理組ODMG -