面向對象數據庫技術的發(fā)展研究

0面向對象數據庫技術的發(fā)展和研究面向對象的思想首先出現(xiàn)在程序設計方法中。這一思想指導下產生的面向對象技術是一種按照人們對現(xiàn)實世界習慣的認識論思維方式來研究和模擬客觀世界的方法學。它將現(xiàn)實世界中的任何事互作用就構成了完整的客觀世界。面向對象方法學所引入的對象、方法、消息、類、實例、繼承性、封裝性等一系列重要概念和良好機制為人們認識和模擬客觀世界分析、設計和實現(xiàn)大型復雜系統(tǒng)奠定了良好的科學技術基礎。隨著研究的不斷深入和發(fā)展。面向對象技術已大大地超出了程序設計語言的范圍。并滲透和應用到了諸多復雜的工程領域。并給軟件工程、信息系統(tǒng)、工業(yè)設計與制造等帶來了深遠的影響。如面向對象的軟件工程、面向對象的信息管理系統(tǒng)、面向對象的操作系統(tǒng)、面向對象的數據庫系統(tǒng)、面向對象的專家系統(tǒng)、面向對象的開發(fā)工具和面向對象的用戶界面等的出現(xiàn)。其中，面向對象的數據庫系已成為當今數據庫領域研究和發(fā)展的主要方向之一。數據庫技術與面向對象技術相結合已成為當前數據庫技術研究、應用和發(fā)展的一個重要方向。將面向對象技術應用到數據庫系統(tǒng)中。使數據庫管理系統(tǒng)能夠支持面向對象數據模型和數據庫模式。這對于提高數據庫系統(tǒng)擬和操縱客觀世界的能力，擴大數據庫應用領域具有重要的意義：將面向對象技術應用到數據庫的集成開發(fā)環(huán)境中。使數據庫應用開發(fā)工具能夠支持面向對象的開發(fā)方法井提供相應的開發(fā)手段，這對于提高應用軟件的開發(fā)質量和擴大軟件的縱觀數據庫系統(tǒng)的發(fā)展，面向對象技術的誕生為數據庫的發(fā)展帶來了希望。盡管目前面向對象數據庫技術的實際發(fā)展與關系數據庫系統(tǒng)相比，它的理論研究和形式化、標準化等方面還不完備和成熟。但是，從面向對象技術的前景和應用來看，面向對象數據庫系統(tǒng)將代表著新一代數據庫系統(tǒng)困難；第二階段是關系數據庫(RDB),它以關系演算和關系代數為其數學基礎。以二維表為其數據結構，利用非過程化數據操縱語言進行數據庫管理，采用內/外/概念模式的三層模式結構，具有較高數據獨立性，成為20世紀70年代到80年代中期的主流數據庫。層次網狀數據庫和關系數據庫盡管設計和控制方式不同：但都用于一般事務處理，統(tǒng)稱為傳統(tǒng)數據庫。隨著網絡技術、多媒體技術、空間信息科學、信息管理、人工智能、軟件工程技術和數據挖掘技術等領域的發(fā)展及新的社會需求出現(xiàn)，信息無論是從數量上還是結構上都遠遠超過了傳統(tǒng)數據庫能承受的范圍。人們迫切希望為了適應海量信息和復雜數據處理要求它們結合特定應用領域分為多媒體數據庫、空間數據庫、演繹數據庫、工程數據庫等。與傳統(tǒng)數據庫相比，它們既具有多樣性也具有統(tǒng)一性。建立它們的主要目的是為了處理海量信息和復雜數據結構，因此面向對象技術必不可少。處理以記錄類型為結點的網狀數據模型的數據庫。網狀模型的特征是：(1)允許有一個以上的結點沒有雙親；(2)結點可以有多于一個的雙親。處理方法是將網狀結構分解成若干棵二級樹結構，稱為系。系類型是二個或二個以上的記錄類型之間聯(lián)系的一種描述。在一個系類型中，有一1個記錄類型處于主導地位，稱為系主記錄類型，其它稱為成員記錄類型。系主和成員之間的聯(lián)系是層次數據庫是將數據組織成有向有序的樹結構，并用“一對多”的關系聯(lián)結不同層次的數據庫。層次模型是出現(xiàn)較早的一種公認的數據庫管理系統(tǒng)數據模型。早在1969年IBM公司就推出了IMS的最初版本，之后，層次數據庫管理系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展，同時它也影響了其它類型的數據庫管理系統(tǒng)，特別是網狀系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展。今天，層次模型的數據庫管理系統(tǒng)無論從技術上、方法上早已完善和成熟，并將隨其支持方法的發(fā)展而發(fā)展。無論從那一個方面講，層次模型都早已成為傳統(tǒng)關系數據庫，是建立在關系數據庫模型基礎上的數據庫，借助于集合代數等概念和方法來處理在一個給定的應用領域中，所有實體及實體之間聯(lián)系的關系的集合構成一個關系數據庫。2)關系數據庫的型與值關系數據庫的型稱為關系數據庫模式，是對關系數據庫的描述，若干域的定義，在這些域上定義的若干關系模式。關系數據庫的值是這些關系模式在某一時刻對應的關系的集合，通常簡稱為關八十年代出現(xiàn)的面向對象的方法和技術對計算機各個領域，包括程序設計語言、軟件工程、信息系統(tǒng)設計，以及計算機硬件設計等都產生了深遠的影響，也給面臨新挑戰(zhàn)的數據庫技術帶來了機會和希望。數據庫研究人員借鑒和吸收了面向對象的方法和技術，提出了面向對象為了適應數據庫應用多元化的要求，在傳統(tǒng)數據庫基礎上，結合各個應用領域的特點，研究適合該應用領域的數據庫技術，如數據倉庫、工程數據庫、統(tǒng)計數據庫、科學數據庫、空間數據庫、地理數據庫等，這是當前數據庫技術發(fā)展的又一重要特征。研究和開發(fā)面向特定應用領域的數據庫系統(tǒng)的基本方法是以傳統(tǒng)數據庫技術為基礎，針對某一領域的數據對象的特點，建立特定的數據模型，它們有的是關系模型的擴展和修改，有的是具有某些面向對象特征的數據模型。新一代數據庫技術的研究和發(fā)展導致了眾多不同于第一、二代數據庫的系統(tǒng)誕生，構成了當今數據庫系統(tǒng)的大家族。這些新的數據庫系統(tǒng)無論它是基于擴展關系數據模型的、還是00模型的；是分布式、客戶/服務器或混合式體系結構的；是在SMP還是在MPP并行機上運行的并行數據庫系統(tǒng)；是用于某一領域(如工程、統(tǒng)計、GIS)的工程數據庫、統(tǒng)計數據庫、空間數據庫……,我們都2面向對象數據庫(00DB)以面向對象技術為基礎，增加數據庫內部數據處理功能，用以支持持久對象和現(xiàn)實數據共享。其概念可表達為：面向對象系統(tǒng)+數據庫能力。它與關系型數據庫相比，最大優(yōu)點就是在于其建模和處理能力大大增強，面向對象數據庫可以處理復雜和變化的事物對象，尤其在復雜系統(tǒng)的模擬、表達和處理能力上可以算得上是獨樹一幟，故被稱為數據庫史上一場革命。系統(tǒng)或者稱為第一代面向對象數據庫，另一個是對象關系數據庫系統(tǒng)或稱為支持ANS1SQL的第二代面向對象數據庫系統(tǒng)。在目前00DB技術還不是很成熟的階段，人們又想到了第三種途徑，就是應用面向對象編程語言，開發(fā)基于關系數據庫的數據庫應用軟件從數據庫用戶的角度來看，可以將其次它也是一個面向對象系統(tǒng)，包含面向對象的概念和方法。因此，可以用下面公式來定義面向對象的數據庫系統(tǒng)：面向對象的數據庫系統(tǒng)=數據庫能力+面向對象系統(tǒng)。面向對象數據庫系統(tǒng)是為了滿足新的數據庫應用需要而產生的新一代數據庫系統(tǒng)。在數據庫中提供面向對象的技術是為了滿足面向對象思想也逐漸延伸到其它涉及復雜數據的應用中，其中包括輔助軟件工程(CASE)、計算機輔助印刷(CAP)和材料需求計劃(MRP是數據密集型的，它們需要識別于類型關系的存儲技術，并能對相近數據備份進行調整。還有許多應用要求多媒體數據庫，它們要求以集成方式和文本或圖形信息一起處理關系數據，這些應用包括高級辦公室系統(tǒng)的其它文檔管理系統(tǒng)。而向對象數據庫從而向程序設計語言的擴充著手使之成為基悉C++的人均能很方便地掌握并使用這類系統(tǒng)。而向對象數據庫研究的另一個進展是在現(xiàn)有關系數據庫中加入許多純面向對象數據庫的功能。在商業(yè)應用中對關系模型的面向對象擴展著重于性能優(yōu)等。它們均具有關系數據庫的基本功能，采用類似于SQL的語言，用戶很容易掌握。面向對象數據庫將面向對象的能力賦予了數據庫設計人員和數據庫應用開發(fā)人員，從而擴展了數據庫系統(tǒng)的應用領域.并能提高開發(fā)人員的工作效率和應用系統(tǒng)的質量。面向對象數據庫具備如數據永久保存的：二是存儲管理。包括索引管理、數據聚集、數據緩沖、存取路徑選擇、查詢優(yōu)化等；三是能并發(fā)控制，提供高于當前已有數據庫管理系統(tǒng)同樣級別的、對多個用戶并發(fā)操作的支持；四是故障恢復能力，提供不低于當前已有的數據庫管理系統(tǒng)同樣級別的、將數據庫從故障后的錯誤狀態(tài)中核復到某個正確狀態(tài)的功能；五是交互式查詢功能，且是非過程化的、高效的、獨立于應用3其次，它是一個面向對象的系統(tǒng)。只有支持面向對象數據庫模型，支持復雜對象，具有運用各種構造機制從簡單對象組成復雜對象的能力。復雜對象構造能力加強了對客觀現(xiàn)實世界的模擬能力，且方法自然、易理解、具有對象標識，對象標識獨立于其值而存在的特性可以極大地加快查詢速度；具有封裝性，對象既封裝了數據，又封裝操作，實現(xiàn)了信息隱藏，使用戶不必知道操作的實現(xiàn)細節(jié)。只而利用設計者提供的消息即可訪問對象。它還具備應用領域所需要的一些特性，如版本管理、長1、填充關系數據模型。關于數據庫已積累了相當成功的經驗，并為工業(yè)界廣泛接受。將成熟的關系數據庫與O0DB方法結合起來，可減少研制工作量，縮短研制周期不能支持一些面向對象的語義，而且由于保留了關系數據庫的存儲結構而犧牲了一些00DB的特征，Orion、02等系統(tǒng)。使用此法的困難在于視圖、程序員界面標準化，且受面向對象語言的限制。表達能力更強，但00DB還只是一種新興技術，發(fā)展遠不如數據庫成熟.如缺乏完美的數學基礎，缺乏通用的數據模型，導航式計算模式常受到批評等，因此，00DB技術還有待于進一步研究，但可以肯定.它是一項有重大理論意義和應用前景的數據庫技術，是第三代數據庫系統(tǒng)的核心概念和從80年代以來，數據庫技術在商業(yè)領域的巨大成功激發(fā)了其它領域對數據庫技術需求的迅速知識庫系統(tǒng)和實時系統(tǒng)等。新的應用領域需要數據庫的支持，為數據庫應用開辟了新的天地，并在是面向機器的語法數據模型。它們只能存儲離散的數據和有限的數據與數據之間的關系，語義表示能力差。傳統(tǒng)數據模型的單調性無法表示客觀世界中的復雜對象。即結構復雜、相互聯(lián)系的語義也十分復雜的對象。從而限制了數據庫處理文本、超文本、形、圖像、CAD圖對象，以及工程、地理、測繪等領域中的非格式化、非經典數據的能力。此外，傳統(tǒng)數據模型無法揭示數據之間的深層含義和內在聯(lián)系，缺乏數據抽象。2、能依據用戶所需的數據類型擴大其類型集。傳統(tǒng)的DBMS只能理解、存儲和處理簡單的數據類型。如整數、浮點數、字符串和日期等。傳統(tǒng)的RDBMS只支持某一固定的類型集，不能依據某一應用所需的特定數據類型來擴展其類型集。例如。不能定義包含3個實數分量的數據類型vector來表示三維向量.復雜的數據類型只能借助高級語言用簡單的數據類型來構造、描述和處理，既加重了用戶的負擔，也不能保證數據的一致性。而且。在客戶服務器環(huán)境下，由于應用程序在客戶端。勢必將加大客戶與服務器之間的通訊開銷，使服務器的性能不能充分發(fā)揮。從而降低了整個系統(tǒng)的性能。面向對象的方法能依據用戶所需的數據類型擴大其類型集。43、結構與行為要相互關聯(lián)。從應用程序員角度來看。在某一應用領域內標識的對象應包含兩個方面的內容：結構表示和行為規(guī)格說明。前者可以映射到數據庫模式。而后者在傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)中則完全失去了。傳統(tǒng)數據庫主要關心數據的獨立性以及存取數據的效率，是語法數據庫。語義表達差，難以抽象化地去模擬行為。例如，在CAD設計中用某些數據結構來表示的對象。對它們的義，對象中與應用相關的大量語義在數據庫中無法從無意義的編碼中恢復。在傳統(tǒng)數據庫系統(tǒng)中對象的行為特征只能由應用程序來表示。在傳統(tǒng)數據模型中，結構與行為完全分開。4、消除阻抗失配和語義斷層。關系數據庫系統(tǒng)僅支持有限的數據類型和計算不完全的結構化SQL作為嵌入式語言。PI負責應用數據類型的抽象和定義及實施程序設計；而SQL負責完成數據主語言設計的復雜數據結構在存儲到數據庫時必須轉變成符合數據庫系統(tǒng)要求的簡單規(guī)格化數據形式，這樣即丟失了原數據結構的應用語義，同時也妨礙了其它工具和用戶在原有的語義層次上共享數據。這種數據類型或模型的轉換所產生的語義丟失現(xiàn)象便是語義斷層。面向對象程序設計語言和數據庫的結合形成了面向對象數據庫管理系統(tǒng)，其目的是形成一種即可編程又可存儲管理數據的無縫性語言，徹底消滅阻抗失配和語義斷層現(xiàn)象。5、要求能支持主動性的事件檢查和處理功能。傳統(tǒng)數據庫管理系統(tǒng)只能響應和重做用戶要求它們做的事情。從這種意義上說，它們是被動的。而在大量重要的工作應用中.如計算機集成制造、計算機輔助設計、空中交通控制和緊急情況評估等，不僅需要大量共享的數據倉庫。而且還要求這些數據能自動檢測指定的事件，包括特定的數據庫狀態(tài)，并按一定的條件加以及時處理。然而傳統(tǒng)6、要求有靈活的知識表達能力。傳統(tǒng)的DBMS只存儲和管理數據，缺乏知識管理相對象管理的能力。傳統(tǒng)數據管理中，主要進行的是數據的存儲、管理、查詢、排序和報表生成等簡單的、離散化的信息處理工作。數據庫反映的是客觀世界中靜態(tài)、被動的事實。傳統(tǒng)的DBMS除了缺乏對象管理的能力以外.還缺乏描述和表達知識的能力。缺乏對知識的處理能力。不具有滿繹和推理的功能，因而無法滿足MIS、DSS、OA和Al等領域中進行高層管理和決策的要求。7、要求能快速響應長事務和多重嵌套事務的能力。傳統(tǒng)數據庫只能支持非嵌套事務，對長事務的響應較慢，并且在事務發(fā)生故障時的恢復比較困難。面向對象的方法能快速響應長事務和多重綜上所述，面向數據庫應用領域的不斷擴展和用戶要求的多樣化、復雜化，傳統(tǒng)的數據庫技術難以滿足復雜數據的管理需求已成定論。面對日益復雜化的社會及工程信息的管理。人們只好另劈新徑，面向對象數據庫便成為研究和開發(fā)的新目標。面向對象數據庫將面向對象的能力賦予了數據庫設計人員和數據庫應用開發(fā)人員。從而擴展了數據庫系統(tǒng)的應用領域。并能提高開發(fā)人員的工作效率和應用系統(tǒng)的質量。面向對象數據庫具備如數據中永久保存的；二是存儲管理，包括索引管理、數據聚集、數據緩沖、存取路徑選擇、查詢優(yōu)化等；三是能并發(fā)控制，提供高于當前已有數據庫管理系統(tǒng)同樣級別的、對多個用戶并發(fā)操作的支持；四是故障恢復能力，提供不低于當前已有的數據庫管理系統(tǒng)同樣級別的、將數據庫從故障后的錯誤狀態(tài)中恢復到某個正確狀態(tài)的功能：五是交互式查詢功能，且是非過程化的，高效的，獨立于5其次，它是一個面向對象的系統(tǒng)。只有支持面向對象數據庫模型，支持復雜對象，具有運用各種構造機制從簡單對象組成復雜對象的能力。復雜對象構造能力加強了對客觀現(xiàn)實世界的模擬能力，且方法自然、易理解、具有對象標識，對象標識獨立于其值而存在的特性可以極大地加快查詢速度；具有封裝性，對象既封裝了數據，又封裝操作，實現(xiàn)了信息隱藏，使用戶不必知道操作的實現(xiàn)細節(jié)，只而利用設計者提供的消息即可訪問對象。它還具備應用領域所需要的一些特性。如版本管理、長事務和嵌套事務、模式演化等等。面向對象數據庫系統(tǒng)的體系結構大致可以分為兩種類型：完備型性強、效率高，但系統(tǒng)實現(xiàn)周期長、難度大，尤其是為支持各種不同的應用，要求系統(tǒng)在各個層次上都需具有良好的擴展性，而這正是面向對象數據2)擴展型的面向對象數據庫系統(tǒng)只實現(xiàn)一個核心的數據庫系統(tǒng)部件，然后根據不同的應用再開發(fā)不同的前端應用程序.從而實現(xiàn)各種基于不同應用的OODBS版本。OODBS賦予數據庫設計和應用開發(fā)人員很強的面向對象能力，從而大大擴展了數據庫系統(tǒng)的應用領域。提高了開發(fā)人員的工作效率和應用系統(tǒng)的質量。面向