Объектно-ориентированные базы данных: принципы и развитие

Введение

Тип системы управления базами данных

Объектная база данных или объектно-ориентированная база данных — это система управления базами данных, в которой информация представлена в форме объектов, как это делается в объектно-ориентированном программировании. Объектные базы данных отличаются от реляционных баз данных, ориентированных на таблицы. Третий тип, объектно-реляционные базы данных, является гибридом обоих подходов. Объектные базы данных рассматриваются с начала 1980-х годов.

Обзор

Системы управления объектно-ориентированными базами данных (OODBMS), также называемые ODBMS (Object Database Management System), объединяют возможности баз данных и объектно-ориентированных языков программирования. OODBMS позволяют объектно-ориентированным программистам разрабатывать продукты, хранить их как объекты, а также создавать новые объекты, копируя или изменяя существующие, непосредственно в OODBMS. Благодаря интеграции базы данных с языком программирования, разработчик может обеспечить согласованность данных в единой среде, где как OODBMS, так и язык программирования используют одну и ту же модель представления. В отличие от этого, в реляционных СУБД наблюдается более четкое разделение между моделью базы данных и приложением. С ростом популярности веб-технологий и внедрением интранет и экстранет, компании проявляют повышенный интерес к OODBMS для представления сложных данных. Использование СУБД, разработанной специально для хранения данных в виде объектов, дает преимущество компаниям, специализирующимся на мультимедийных презентациях, или организациям, использующим системы автоматизированного проектирования (CAD). Некоторые объектно-ориентированные базы данных оптимизированы для работы с языками программирования, такими как Delphi, Ruby, Python, JavaScript, Perl, Java, C#, Visual Basic NET, C++, Objective C и Smalltalk; другие, например JADE, имеют собственные языки программирования. OODBMS используют ту же модель, что и объектно-ориентированные языки программирования.

История

Системы управления объектными базами данных выросли из исследований, проводившихся в начале и середине 1970-х годов, направленных на обеспечение встроенной поддержки управления базами данных для объектов, имеющих графовую структуру. Термин "объектно-ориентированная система баз данных" впервые появился около 1985 года. Заметными исследовательскими проектами были Encore Ob/Server (Браунский университет), EXODUS (Университет Висконсин-Мэдисон), IRIS (Hewlett Packard), ODE (Bell Labs), ORION (Microelectronics and Computer Technology Corporation или MCC), Vodak (GMD IPSI) и Zeitgeist (Texas Instruments). Проект ORION опубликовал больше научных статей, чем любая другая подобная работа. Вон Ким из MCC собрал лучшие из этих статей в книгу, изданную издательством The MIT Press. Ранние коммерческие продукты включали Gemstone (Servio Logic, позднее переименованная в GemStone Systems), Gbase (Graphael) и Vbase (Ontologic). Дополнительные коммерческие продукты появились на рынке в конце 1980-х – середине 1990-х годов. Среди них: ITASCA (Itasca Systems), Jasmine (Fujitsu, продаваемая компанией Computer Associates), Matisse (Matisse Software), Objectivity/DB (Objectivity, Inc.), ObjectStore (Progress Software, приобретенная у eXcelon, которая изначально была Object Design, Incorporated), ONTOS (Ontos, Inc., название изменено с Ontologic), O2 (O2 Technology, объединилась с несколькими компаниями, приобретенная Informix, которая, в свою очередь, была приобретена IBM), POET (теперь FastObjects от Versant, которая приобрела Poet Software), Versant Object Database (Versant Corporation), VOSS (Logic Arts) и JADE (Jade Software Corporation). Некоторые из этих продуктов остаются на рынке и к ним присоединились новые продукты с открытым и коммерческим исходным кодом, такие как InterSystems Caché. Системы управления объектными базами данных добавили концепцию постоянства (persistence) в языки объектного программирования. Ранние коммерческие продукты были интегрированы с различными языками: GemStone (Smalltalk), Gbase (LISP), Vbase (COP) и VOSS (Virtual Object Storage System for Smalltalk). На протяжении большей части 1990-х годов C++ доминировал на рынке коммерческих объектных баз данных. В конце 1990-х годов поставщики добавили поддержку Java, а в последнее время – C#. Начиная с 2004 года, объектные базы данных пережили второй период роста, когда появились объектные базы данных с открытым исходным кодом, которые были широко доступны и просты в использовании, поскольку они полностью написаны на языках объектно-ориентированного программирования, таких как Smalltalk, Java или C#, например, db4o от Versant (db4objects), DTS/S1 от Obsidian Dynamics и Perst (McObject), доступные под двойной лицензией – с открытым исходным кодом и коммерческой.

Object database management systems grew out of research during the early to mid 1970s into having intrinsic database management support for graph structured objects. The term "object oriented database system" first appeared around 1985. Notable research projects included Encore Ob/Server (Brown University), EXODUS (University of Wisconsin–Madison), IRIS (Hewlett Packard), ODE (Bell Labs), ORION (Microelectronics and Computer Technology Corporation or MCC), Vodak (GMD IPSI), and Zeitgeist (Texas Instruments). The ORION project had more published papers than any of the other efforts. Won Kim of MCC compiled the best of those papers in a book published by The MIT Press. Early commercial products included Gemstone (Servio Logic, name changed to GemStone Systems), Gbase (Graphael), and Vbase (Ontologic). Additional commercial products entered the market in the late 1980s through the mid 1990s. These included ITASCA (Itasca Systems), Jasmine (Fujitsu, marketed by Computer Associates), Matisse (Matisse Software), Objectivity/DB (Objectivity, Inc.), ObjectStore (Progress Software, acquired from eXcelon which was originally Object Design, Incorporated), ONTOS (Ontos, Inc., name changed from Ontologic), O2 (O2 Technology, merged with several companies, acquired by Informix, which was in turn acquired by IBM), POET (now FastObjects from Versant which acquired Poet Software), Versant Object Database (Versant Corporation), VOSS (Logic Arts) and JADE (Jade Software Corporation). Some of these products remain on the market and have been joined by new open source and commercial products such as InterSystems Caché. Object database management systems added the concept of persistence to object programming languages. The early commercial products were integrated with various languages: GemStone (Smalltalk), Gbase (LISP), Vbase (COP) and VOSS (Virtual Object Storage System for Smalltalk). For much of the 1990s, C++ dominated the commercial object database management market. Vendors added Java in the late 1990s and more recently, C#. Starting in 2004, object databases have seen a second growth period when open source object databases emerged that were widely affordable and easy to use, because they are entirely written in OOP languages like Smalltalk, Java, or C#, such as Versant's db4o (db4objects), DTS/S1 from Obsidian Dynamics and Perst (McObject), available under dual open source and commercial licensing.'''

Технические особенности

Большинство объектных баз данных также предлагают тот или иной язык запросов, позволяющий находить объекты, используя декларативный подход к программированию. Наиболее существенные различия между продуктами проявляются в области языков запросов к объектам и интеграции запросовых и навигационных интерфейсов. ODMG предприняла попытку стандартизации, разработав язык запросов объектов OQL. Доступ к данным может быть быстрее, поскольку объект можно получить напрямую, без поиска, следуя по указателям. Другой аспект, в котором продукты различаются, – это способ определения схемы базы данных. Однако общей чертой является то, что язык программирования и схема базы данных используют одни и те же определения типов. Мультимедийные приложения упрощаются, поскольку методы классов, связанные с данными, отвечают за их корректную интерпретацию. Многие объектные базы данных, например Gemstone или VOSS, поддерживают версионность. Объект можно рассматривать как набор всех его версий, а версии объектов – как самостоятельные объекты. Некоторые объектные базы данных также предоставляют систематическую поддержку триггеров и ограничений, которые лежат в основе активных баз данных. Эффективность такой базы данных значительно повышается в областях, требующих больших объемов данных об одном элементе. Например, банковское учреждение может получить информацию о счете пользователя и эффективно предоставить ему подробные сведения, такие как транзакции, записи о счете и т.п.

Стандарты

Группа управления объектами данных была консорциумом поставщиков объектных баз данных и объектно-реляционных карт, членов академического сообщества и заинтересованных сторон. Ее целью было создание набора спецификаций, которые позволили бы разрабатывать переносимые приложения, хранящие объекты в системах управления базами данных. Было опубликовано несколько версий спецификации, последней из которых была ODMG 3.0. К 2001 году большинство крупных поставщиков объектных баз данных и объектно-реляционного отображения заявили о соответствии спецификации ODMG Java Language Binding. Соответствие другим компонентам спецификации было частичным. В 2001 году ODMG Java Language Binding была представлена в Java Community Process в качестве основы для спецификации Java Data Objects. Компании-члены ODMG решили сосредоточить свои усилия на спецификации Java Data Objects, что привело к роспуску ODMG в 2001 году. Многие идеи объектных баз данных были также включены в SQL:1999 и реализованы в различной степени в объектно-реляционных базах данных. В 2005 году Кук, Рай и Розенбергер предложили отказаться от дальнейшей стандартизации объектно-ориентированных API запросов, а вместо этого использовать сами языки программирования ООП, такие как Java и .NET, для выражения запросов. В результате появились "нативные запросы". Аналогично, в сентябре 2005 года Microsoft представила Language Integrated Query (LINQ) и DLINQ – реализацию LINQ, обеспечивающую тесную интеграцию запросов к базам данных с языками программирования C# и VB.NET 9. В феврале 2006 года Object Management Group (OMG) объявила о получении права на разработку новых спецификаций на основе спецификации ODMG 3.0 и о создании рабочей группы по технологиям объектных баз данных (ODBT WG). Рабочая группа ODBT планировала создать набор стандартов, включающих в себя достижения в области технологий объектных баз данных (например, репликация), управления данными (например, пространственная индексация) и форматов данных (например, XML), а также добавить новые функции для поддержки областей применения объектных баз данных (например, системы реального времени). Работа рабочей группы ODBT была приостановлена в марте 2009 года, когда, после экономического кризиса конца 2008 года, поставщики ОДБ, участвовавшие в этой работе, решили перенаправить свои ресурсы. В январе 2007 года World Wide Web Consortium присвоил языку XQuery статус окончательной рекомендации. XQuery использует XML в качестве модели данных. Некоторые идеи, первоначально разработанные для объектных баз данных, были использованы в XQuery, однако XQuery не является принципиально объектно-ориентированным языком. Благодаря популярности XML, движки XQuery конкурируют с объектными базами данных как средство хранения данных, которые слишком сложны или изменчивы для удобного хранения в реляционной базе данных. XQuery также позволяет создавать модули, обеспечивающие функции инкапсуляции, предоставляемые объектно-ориентированными системами. XQuery v1 и XPath v2 и более поздние версии являются мощными и доступны как в программном обеспечении с открытым исходным кодом (FOSS), так и в коммерческих системах. Они просты в изучении и использовании, очень мощные и быстрые. Они не являются реляционными, и XQuery не основан на SQL (хотя один из разработчиков XQuery также является соавтором SQL). Однако они также не являются объектно-ориентированными в программистском смысле: XQuery не использует инкапсуляцию со скрытием данных, неявную диспетчеризацию, классы и методы. Базы данных XQuery обычно используют XML и JSON в качестве формата обмена, хотя могут использоваться и другие форматы. С начала 2000-х годов JSON получил широкое признание и популярность в приложениях, где разработчики контролируют формат данных. JSONiq, аналог XQuery для JSON (использующий основные выражения и операции XQuery), продемонстрировал функциональную эквивалентность форматов JSON и XML для данных. В этом контексте основной стратегией разработчиков OODBMS заключалась в адаптации JSON к своим базам данных (используя его в качестве внутреннего типа данных). В январе 2016 года, с выпуском PostgreSQL 9.5, первая FOSS OODBMS предложила эффективный внутренний тип данных JSON (JSONB) с полным набором функций и операций для всех основных реляционных и нереляционных манипуляций.

The Object Data Management Group was a consortium of object database and object–relational mapping vendors, members of the academic community, and interested parties. Its goal was to create a set of specifications that would allow for portable applications that store objects in database management systems. It published several versions of its specification. The last release was ODMG 3.0. By 2001, most of the major object database and object–relational mapping vendors claimed conformance to the ODMG Java Language Binding. Compliance to the other components of the specification was mixed. In 2001, the ODMG Java Language Binding was submitted to the Java Community Process as a basis for the Java Data Objects specification. The ODMG member companies then decided to concentrate their efforts on the Java Data Objects specification. As a result, the ODMG disbanded in 2001. Many object database ideas were also absorbed into SQL:1999 and have been implemented in varying degrees in object–relational database products. In 2005 Cook, Rai, and Rosenberger proposed to drop all standardization efforts to introduce additional object oriented query APIs but rather use the OO programming language itself, i. e., Java and NET, to express queries. As a result, Native Queries emerged. Similarly, Microsoft announced Language Integrated Query (LINQ) and DLINQ, an implementation of LINQ, in September 2005, to provide close, language integrated database query capabilities with its programming languages C# and VB. NET 9. In February 2006, the Object Management Group (OMG) announced that they had been granted the right to develop new specifications based on the ODMG 3.0 specification and the formation of the Object Database Technology Working Group (ODBT WG). The ODBT WG planned to create a set of standards that would incorporate advances in object database technology (e. g., replication), data management (e. g., spatial indexing), and data formats (e. g., XML) and to include new features into these standards that support domains where object databases are being adopted (e. g., real time systems). The work of the ODBT WG was suspended in March 2009 when, subsequent to the economic turmoil in late 2008, the ODB vendors involved in this effort decided to focus their resources elsewhere. In January 2007 the World Wide Web Consortium gave final recommendation status to the XQuery language. XQuery uses XML as its data model. Some of the ideas developed originally for object databases found their way into XQuery, but XQuery is not intrinsically object oriented. Because of the popularity of XML, XQuery engines compete with object databases as a vehicle for storage of data that is too complex or variable to hold conveniently in a relational database. XQuery also allows modules to be written to provide encapsulation features that have been provided by Object Oriented systems. XQuery v1 and XPath v2 and later are powerful and are available in both open source and libre (FOSS) software, as well as in commercial systems. They are easy to learn and use, and very powerful and fast. They are not relational and XQuery is not based on SQL (although one of the people who designed XQuery also co invented SQL). But they are also not object oriented, in the programming sense: XQuery does not use encapsulation with hiding, implicit dispatch, and classes and methods. XQuery databases generally use XML and JSON as an interchange format, although other formats are used. Since the early 2000s JSON has gained community adoption and popularity in applications where developers are in control of the data format. JSONiq, a query analog of XQuery for JSON (sharing XQuery's core expressions and operations), demonstrated the functional equivalence of the JSON and XML formats for data oriented information. In this context, the main strategy of OODBMS maintainers was to retrofit JSON to their databases (by using it as the internal data type). In January 2016, with the PostgreSQL 9.5 release was the first FOSS OODBMS to offer an efficient JSON internal datatype (JSONB) with a complete set of functions and operations, for all basic relational and non relational manipulations.

Сравнение с СУБДР

Объектная база данных хранит сложные данные и взаимосвязи между ними напрямую, без преобразования в реляционные строки и столбцы, что делает её подходящей для приложений, работающих с очень сложными данными. Объекты находятся в отношении "многие ко многим" и к ним осуществляется доступ с использованием указателей. Указатели связываются с объектами для установления взаимосвязей. Дополнительным преимуществом OODBMS является возможность программирования с незначительными процедурными изменениями, не затрагивающими всю систему.