ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lương Văn Dũng Đỗ Văn Khang TÌM HIỂU CƠ SỞ DỮ LIỆU HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG Báo cáo môn cơ sở dữ liệu nâng cao HÀ NỘI -2012 Mục lục Mục lục 3 Lời mở đầu 1 Chương 1 Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 2 1 Giới thiệu phương pháp tiếp cận hướng đối tượng 2 1.1 Các khái niệm 2 2 Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 4 2.1 Giới thiệu chung 4 2.2 Các đặc trưng trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 4 2.3 Quản lý lưu trữu dữ liệu 6 2.4 So sánh cơ sở dữ liệu hướng đối tượng và cơ sở dữ liệu quan hệ 6 Chương 2 Mô hình đối tượng 8 2.1 Giới thiệu 8 2.2 Types: Specifications and Implementation 9 2.2.1 Subtyping và kế thừa hành vi 11 2.2.2 Kế thừa trạng thái 11 2.2.3 Keys 12 2.3 Objects 12 2.3.1 Object creation 13 2.3.2 Object identifiers 13 2.3.3 Object names 13 2.3.4 Object lifetimes 13 2.3.5 Collection objects 13 2.4 Literals 14 2.4.1 Literal types 14 2.4.2 Copying literals 15 2.4.3 Comparing literals 15 2.4.4 Literal equivalence 15 2.5 Mô hình dựa trên trạng thái đối tượng (Modeling State - Properties) 16 2.5.1 Attribute 16 2.5.2 Relationships 17 Chương 3 Thiết kế cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 17 3.1 Thiết kế khái niệm (UML) 18 3.2 Thiết kế lược đồ tiêu chuẩn 18 3.3 Xây dựng cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 20 Lời mở đầu Cơ sở dữ liệu là một thành phần không thể thiếu trong việc phát triển các ứng dụng phục vụ cho các bài toán khác nhau. Và, cơ sở dữ liệu được sử dụng ở đây chủ yếu là cơ sở dữ liệu quan hệ. Tuy nhiên, hệ cơ sở dữ liệu quan hệ không đáp ứng được một số bài toán mang tính chất phức tạp như các ứng dụng dùng trong thiết kế, sản xuất công nghiệp (CAD/CAM và CIM), các thí nghiệm khoa học, viễn thông, hay multimedia, GIS. Các ứng dụng này có tính chất phức tạp hơn, thời gian thực thi transaction lâu, kiểu dữ liệu lưu trữ. Và cơ sở dữ liệu hướng đối tượng ra đời được xem là phù hợp để đáp ứng những nhu cầu của các loại ứng dụng này. Việc tiếp cận hướng đối tượng sẽ tạo ra tính linh động để xử lý một số yêu cầu mà không bị hạn chế bởi các kiểu dữ liệu và ngôn ngữ truy vấn có sẵn trong hệ cơ sở dữ liệu quan hệ. 1 Chương 1 Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 1 Giới thiệu phương pháp tiếp cận hướng đối tượng 1.1 Các khái niệm Khái niệm về một đối tượng là khái niệm được sinh ra từ việc nhận thức thực tế. Một đối tượng có các đặc tính sau: Mang tên duy nhất, không thay đổi. Thuộc về một lớp nào đó. Có thể gửi thông báo đến các đối tượng khác. Có trạng thái riêng. Mỗi đối tượng được xác định là duy nhất dựa vào OID. Giá trị này được hệ thống tự động sinh để sử dụng cho một đối tượng duy nhất, và phân biệt với các đối tượng khác. Một đặc điểm quan trọng của OID là tính bất biến. Một số hệ OODB sử dụng địa chỉ vật lý để lưu trữ giá trị này, qua đó tăng cường hiệu quả truy xuất dữ liệu. Tuy nhiên, nếu địa chỉ vật lý của đối tượng bị thay đổi thì một con trỏ gián tiếp sẽ được gán lại tại địa chỉ trước đó, qua đó sẽ cho biết địa chỉ vật lý mới của đối tượng. Hoặc có thể sử dụng biến số kiểu Long Integer làm OID, sau đó sử dụng hàm băm để ánh xạ giá trị OID đến địa chỉ vật lý của đối tượng. Lớp đối tượng: một lớp đối tượng có giao diện và miền riêng của nó. Giao diện của đối tượng là cái mà các đối tượng khác có thể nhìn thấy được. Giao diện của đối tượng bao gồm 2 thành phần: Thuộc tính của lớp: trong một chừng mực nào đó, các thuộc tính của lớp được coi là tương đương với các thuộc tính của quan hệ. Thông qua thuộc tính của lớp, người ta có thể thể hiện các liên kết giữa các đối tượng. Trong lớp, không có hạn chế gì về cách thức cấu trúc đối tượng hay cách liên kết thuộc tính với nhau. Các thuộc tính có thể là một đối tượng, dùng để tạo đối tượng phức tạp hơn. Người ta không xử lý trực tiếp các giá trị thuộc tính của đối tượng mà xử lý thông qua phương pháp liên kết với lớp đối tượng. Phương thức gắn kết đối tượng: các thông báo được chuyển dến lớp đối tượng nhờ phương thức gắn kết đối tượng. Chúng thường có dạng là các phép toán, các hàm với các tham số khác nhau. Các đối tượng trong lớp có thể được truy cập thông qua phương thức và các tham số cần cho phương thức này. Miền của lớp đối tượng là phần xác định lớp, nhưng không hiện ra cho đối tượng khác thấy. Miền này có thể bao gồm thông tin chi tiết về cấu trúc của lớp đối tượng. Trong chương trình, người ta có thể cài đặt che giấu các giá trị, ngày cả việc che giấu các liên kết cũng như các thông báo. Việc bảo vệ thông tin làm việc 2 bên trong cùng với các giá trị đối tượng trước các sử dụng thông thường được gọi là che giấu thông tin. Một khái niệm quan trong nữa là bao bọc, có nghĩa là mọi vấn đề về đối tượng được nhận biết thông qua định nghĩa lớp đối tượng. Người ta truy cập khái niệm nhờ giao diện và xác định các hành vị thông việc xác định lớp. 1.1.1 Tính kế thừa (Inheritance) Khái niệm kế thừa là một khái niệm quan trọng trong hướng tiếp cận hướng đối tượng. Người ta thường sử dụng thuật ngữ này khi chỉ định lớp đối tượng này tiếp thu, kế thừa các thuộc tính của lớp đối tượng khác. Tuy nhiên, mỗi lớp con có thể mang một số thuộc tính hay phương thức riêng. Một lớp có thể kế thừa từ nhiều lớp khác nhau. Điều này làm cho việc xây dựng các lớp dữ liệu cho hệ thống sẽ dễ dàng hơn và sử dụng lại các lớp dữ liệu đã có khi tạo ra lớp dữ liệu mới. 1.1.2 Tính đóng gói (Encapsulation) Đây là một cơ chế được kế thừa từ ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Tính đóng gói được xem là lớp vỏ bọc bảo vệ các mã lệnh bên trong và tránh sự truy cập tùy tiện từ các mã lệnh khác. Việc truy cập sẽ được điều khiển một cách chặt chẽ thông qua các phương thức được định nghĩa trước. Các phương thức này được các đối tượng khác nhìn thấy, tuy nhiên các dữ liệu và cách thực hiện thì được ẩn giấu bên trong đối tượng và trong suốt với các đối tượng khác. 1.1.3 Tính đa hình (Polymorphism ) Đây là đặc điểm cho phép một đối tượng có thể được sử dụng cho nhiều đối tượng khác nhau, thông qua việc thực thi phương thức bên trong. Điều này sẽ làm giảm độ phức tạp của chương trình. 1.1.4 Tính trừu tượng (Abstraction) Một đối tượng chỉ mang những đặc điểm cần thiết nhưng lại không mang những chi tiết cụ thể bên trong nó. Đối tượng này được tạo ra để mang những đặc tính tổng quát nhưng bản thân nó không mang ý nghĩa hay đầy đủ ý nghĩa để có thể tạo ra một đối tượng cụ thể từ nó. 1.1.5 Đối tượng phức hợp (Complex Objects) Đối tượng phức hợp được xây dựng từ những kiểu đối tượng đơn giản hơn bằng cách sử dụng lại chúng. Các đối tượng đơn giản là những đối tượng kiểu như số nguyên, ký tự, chuỗi, hay logic… Có nhiều đối tượng phức tạp như: tuples, sets, bags, lists, arrays. 1.1.6 Nạp chồng, ghi đè và liên kết muộn (Overriding, overloading and late binding) 3 Overriding là việc định nghĩa lại một phương thức nào đó từ đối tượng cơ sở. Overloading: sử dụng cùng một phương thức nhưng lại có cách thức thực thi khác nhau, và cho ra kết quả khác nhau trong các chương trình ứng dụng. Một chức năng mới trong OODB, hệ thống có thể không có ràng buộc tên phương thức thực thi cho các chương trình biên dịch. Qua đó, tên của phương thức sẽ được dịch trong thời gian chạy chương trình. Và việc dịch chậm này được gọi là liên kết muộn. 2 Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 2.1 Giới thiệu chung Các CSDL quan hệ, theo các bảng chiếm tỷ lệ cao, khoảng 70%, trên thị trường phần mềm ứng dụng. Các dữ liệu được xử lý thuộc loại số, ký tự. Còn lại các dữ liệu phức tạp như văn bản, đồ hoạ, bản đồ, hình ảnh, dữ liệu nhiều chiều và các dữ liệu động như chương trình, mô phỏng quá trình…trong CAD, văn phòng học, hệ chuyên gia…thì người ta không chỉ dùng CSDL quan hệ mà giải quyết được. Mô hình đối tượng hay mô hình hướng đối tượng rất đa dạng. Nó gồm những mạng ngữ nghĩa và các ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng. Chúng cho phép mô hình hoá những đối tượng phức tạp có được trong các thủ tục xử lý. Dù có nhiều ngôn ngữ hướng đối tượng, đa số các CSDL hướng đối tượng dựa trên C++, lựa chọn này là do tính hiệu quả và thông dụng của C++. Thực tế cho thấy CSDL hướng đối tượng có những ưu điểm: Cho phép xét các liên kết đối tượng dưới dạng các phép lưu trữ với các đối tượng. Các đối tượng được dùng chung giữa nhiều người sử dụng. Khả năng phát tiển kho tri thức bằng cách thêm mới các đối tượng và các phép xử lý kèm theo. Phát triển hệ quản trị CSDL dựa trên việc xử lý các đối tượng phức tạp, giao diện chương tình, đối tượng động và trừu tượng. 2.2 Các đặc trưng trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng Các đặc trưng trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng được tách làm ba nhóm chính sau: Đặc trưng mang tính bắt buộc (Mandatory) Đặc trưng mang tính tùy chọn (Optional) Đặc trưng mang tính mở (Open) Đặc trưng mang tính bắt buộc (Mandatory): đây là những đặc trưng mà ở hệ OODB nào cũng phải đáp ứng được. OODB được xây dựng dựa trên nền tảng của ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng, nên nó mang những đặc trưng vốn có ở 4 loại ngôn ngữ này. Theo hướng tiếp cận này, OODB mang những đặc trưng như đã được trình bày ở trên, ngoài ra nó còn mang thêm một số đặc trưng khác nữa như : Khả năng mở rộng (Extensibility): hệ thống được thiết lập các kiểu dữ liệu có sẵn, người sử dụng dựa vào đó có thể tự định nghĩa ra kiểu dữ liệu mới, khi sử dụng kiểu dữ liệu mới này thì hệ thống sẽ không có sự phân biệt với kiểu dữ liệu cơ bản vốn có. Khả năng bảo toàn (Persistence): cho phép hệ thống bảo toàn dữ liệu trong quá trình thực hiện, đối tượng có thể được sử dụng cùng lúc bởi quá trình khác, và cung cấp khả năng tái sử dụng. Tính toán đầy đủ (Computationally complete): ngưởi sử dụng có thể thực hiện bất ký chức năng tính toán nào, bằng cách sử dụng các DML của hệ thống. Quản lý lưu trữ thứ cấp (Secondary storage management): dữ liệu được hệ thống quản lý để truy cấp nhanh và dễ dàng hơn. Việc lưu trữ dữ liệu được sử dụng bởi các kỹ thuật khác nhau như: phân nhóm dữ liệu, đánh chỉ mục, tối ưu hóa truy vấn, tạo bộ đệm dữ liệu và lựa chọn đường truy cập. Những kỹ thuật này là trong suốt với người sử dụng. Truy cập đồng thời (Concurrency) hệ thống cung cấp cùng lúc cho nhiều người sử dụng cùng truy cập tới một dữ liệu.Hệ thống cũng quản lý việc xảy ra các lỗi hệ thống hay chưa hoàn thành các transaction. Phục hồi (Recovery) tính năng này cung cấp khả năng khôi phục lại trạng thái ban đầu nến hệ thống bị lỗi phần cứng hoặc phần mềm. Ngôn ngữ truy vấn (Ad Hoc Query Facility): một hệ OODB phải cung cấp ngôn ngữ để thực hiện truy vấn dữ liệu. Một ngôn ngữ truy vấn phải đảm bảo ba tiêu chí sau đây: (i) nên có cấp độ (high level) (ii) tính hiệu quả, xây dựng các truy vấn tối ưu, (iii) ứng dụng độc lập, có thể hoạt động trên bất kỳ cơ sở dữ liệu hướng đối tượng nào. Đặc trưng mang tính tùy chọn (Optional): những đặc trưng này mang tính chất để cải thiện hệ thống, nhưng ko bắt buộc phải có trong hệ thống. Một số đặc trưng này có tính chất hướng đối tượng như đa kế thừa. Các tính năng khác là tính năng của cơ sở quan hệ. Tuy nhiện được cải thiện nhằm vào mục đích mới phục vụ những ứng dụng như CAD/CAM, CASE, văn phòng tự động. Chúng bao gồm những đặc tính như : đa kế thừa (có thể có nhiều giải pháp để đối phó với vấn đề giải quyết xung đột); kiểu checking và inferencing (type checking sẽ được thực hiện trong thời gian biên dịch, số lượng type inferencing được để mở đối với nhà thiết kế hệ thống), phân tán (đặc tính này trực giao với tính hướng đối tượng của hệ thống, qua đó hệ thống có thể được phân tán hoặc không), thiết kế transaction 5 (hệ OODB hỗ trợ nhiều kiểu thiết kế transaction dài hoặc lồng nhau), versions (trong các ứng dụng mới như CAD/CAM và CASE liên quan tới hoạt động thiết kế và yêu cầu hình thức của versioning)… Đặc trưng mang tính mở (Open) đặc trưng này liên quan tới vấn đề lập trình và thể hiện hệ thống. Có rất nhiều sự lựa chọn khi thiết kế để cải thiện mô hình để xây dựng lên một hệ thống tốt, nó bao gồm các lựa chọn: hệ thống; lập trình mô hình; thể hiện hệ thống và đồng nhất. 2.3 Quản lý lưu trữu dữ liệu Việc lưu trữ dữ liệu được sử dụng bởi các kỹ thuật khác nhau như: phân nhóm dữ liệu, đánh chỉ mục, tối ưu hóa truy vấn, tạo bộ đệm dữ liệu và lựa chọn đường truy cập. Mỗi đối tượng có một OID duy nhất và được định nghĩa là một lớp con của một lớp cơ sở, sử dụng tính kế thừa để xác định các thuộc tính. Bản đồ bộ nhớ ảo được sử dụng cho việc lưu trữ và quản lý các đối tượng. Việc truyền dữ liệu được thực hiện trên cơ sở mỗi đối tượng hoặc trên cơ sở một trang. 2.4 So sánh cơ sở dữ liệu hướng đối tượng và cơ sở dữ liệu quan hệ Một đối tượng cơ sở dữ liệu có cấu trúc phức tạp, các mối quan hệ giữa các dữ liệu là trực tiếp, không liên quan tới các hàng, các cột nhưng trong cơ sở dữ liệu quan hệ, điều này làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng xử lý dữ liệu rất phức tạp. Đối tượng có nhiều mối quan hệ và được truy cập bằng cách sử dụng con trỏ. Con trỏ liên kết các đối tượng với nhau để thiết lập các mối quan hệ. Một điểm mạnh của hệ OODB là nó có thể được lập trình với sự khác biệt về thủ tục mà không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống. Điều này rất hữu ích cho những mối quan hệ dữ liệu không rõ ràng hoặc cần phải thay đổi các mối quan hệ để đáp ứng các yêu cầu mới. Điểm mạnh của hệ OODB: Đối tượng không cần phải khởi tạo và hủy điều này sẽ tiết kiệm thời gian lập trình và thời gian để xử lý. Giảm việc phân trang. Dễ dàng chuyển hướng. Kiểm soát đồng thời tốt hơn – phân cấp các đối tượng. Mô hình dữ liệu được dựa trên thế giới thực. Hoạt động tốt với các kiến trúc phân tán. Tốn ít công lập trình với các ứng dụng hướng đối tượng. Điểm yếu của hệ OODB: Hiệu quả thấp hơn khi dữ liệu đơn giản và các mối quan hệ đơn giản. Bảng quan hệ đơn giản Các ràng buộc cuối sẽ làm giảm tốc độ truy cập 6 [...]... đối tượng Trong mô hình cơ sở dữ liệu hướng đối tượng dựa theo trạng thái thì chỉ có quan hệ giữa hai đối tượng với nhau Các kiểu quan hệ bao gồm 1-1, 1-nhiều, nhiều-nhiều Chương 3 Thiết kế cơ sở dữ liệu hướng đối tượng Để xác định rõ việc thực hiện cơ sở dữ liệu hướng đối tượng, trước hết cần xác định cách thức thiết kế một hệ thống hướng đối tượng Một cơ sở dữ liệu hướng đối tượng được xác định nhờ... lược đồ đó 8 Mô hình đối tượng trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng cụ thể được định nghĩa bởi các object, literal, types, thuộc tính, mối quan hệ Các nhà phát triển ứng dụng dựa trên hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng sử dụng cấu trúc đó để xây dựng mô hình đối tượng cho các ứng dụng của mình Mô hình đối tượng của ứng dụng quy định một type đặc biệt như :Tài liệu, tác giả, nhà xuất... hiện thông tin về trạng thái của đối tượng, còn các phương thức được xem như là đặc tính mô tả hành vi của chúng Thuộc tính và phương thức của đối tượng là một trong những khái niệm trung tâm của mô hình cơ sở dữ liệu hướng đối tượng Cấu trúc của một mô hình đối tượng, cấu trúc này được hỗ trợ bởi một hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tương: Các mô hình nguyên thủy cơ bản là object và literal Mỗi... định bởi tập hợp các hoạt động có thể được thực hiện bởi đối tượng đó Một hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng lưu trữ các đối tượng, chúng được sử dụng bởi nhiều người dùng và nhiều ứng dụng khác nhau Một hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng được xây dựng trên một lược đồ (schema), lược đồ này được định nghĩa bởi ngôn ngữ định nghĩa đối tượng (object definition language) và có chứa nhữn thể... hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng xác định Quá trình thiết kế một lược đồ cơ sở dữ liệu hướng đối tượng được biểu diễn dưới đây: Thiết kế khái niệm sử dụng kí pháp UML Thiết kế chuẩn ODL Thiết kế cài đặt Hệ QTCSDL HĐT 17 3.1 Thiết kế khái niệm (UML) Sử dụng các ký pháp UML để biểu diễn các lớp, các đối tượng, các mối quan hệ giữa các lớp, giữa các đối tượng Ví dụ như biểu diễn đối tượng và lớp... pháp UML sang một lược đồ OOMG(object database management group) OOMG đề xuất một cơ sở dữ liệu tiêu chuẩn với mục tiêu thống nhất mô hình đối tượng hạt nhân của nhiều hệ quản trị cơ sở dữ liệu hướng đối tượng khác nhau Một số chuẩn được OOMG đưa ra đó là: Mô hình đối tượng Ngôn ngữ định nghĩa đối tượng Ngôn ngữ truy vấn đối tượng 18 Ràng buộc ngôn ngữ (ví dụ C++, java, smalltalk) Quá trình chuyển đổi... các đối tượng với nhau để tạo lên một lớp mới: lớp gộp Chẳng hạn cơ sở dữ liệu ngân hàng gồm có khách hàng, tài khoản, chi nhánh và các mối quan hệ giữa chúng Khi thực hiện cơ sở dữ liệu quan hệ, người ta tạo ra các quan hệ tách biệt với mỗi thực thể và dùng khái niệm khóa ngoại để thể hiện mối quan hệ đó Tuy nhiên trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng, người ta giải quyết vấn đề này nhờ một lớp đối tượng. .. tự và không lặp lại các đối tượng Chỉ chèn được một đối tượng vào Set khi trong đó không có đối tượng đó Có thể truy cập các đối tượng lặp lại theo thứ tự bất kỳ Bag: tuyển tập không được sắp thứ tự nhưng được phép lặp lại các đối tượng Có thể chèn thêm một đối tượng vào Bag Lấy ra từ Bag một đối tượng là giảm đi một lần xuất hiện của đối tượng đó Có thể truy cập đến các đối tượng lặp lại theo thứ tự... đối tượng ngữ nghĩa, người ta thực hiện liên kết thừa kế giữa lớp đối tượng thể hiện kiểu con và lớp đối tượng thể hiện kiểu cha Tiến hành gộp và liên kết các đối tượng ngữ nghĩa về kiểu đối tượng để được các lớp đối tượng gộp Giữ tính toàn vẹn về hạng giữa các đối tượng ngữ nghĩa, duy trì việc hợp nhóm của các đối tượng ngữ nghĩa và phân rã kiểu con bằng các phương thức Vòng đời phát triển hướng đối. .. đồ đối tượng bởi lẽ không có điểm tương tự giữa một bên là thực thể và mối quan hệ, một bên là lớp đối tượng Hơn nữa, lược khái niệm hầu như hướng dữ liệu chứ không cho biết về hành vi của thực thể khi dựa vào hạng của quan hệ mà thực thể tham gia Việc chuyển hóa mô hình đối tượng ngữ nghĩa sang CSDL hướng đối tượng được thực hiện như sau: Đối với mỗi đối tượng ngữ nghĩa, người ta tạo một lớp đối tượng . Văn Dũng Đỗ Văn Khang TÌM HIỂU CƠ SỞ DỮ LIỆU HƯỚNG ĐỐI TƯỢNG Báo cáo môn cơ sở dữ liệu nâng cao HÀ NỘI -2012 Mục lục Mục lục 3 Lời mở đầu 1 Chương 1 Cơ sở dữ liệu hướng đối tượng 2 1 Giới thiệu. tượng hoặc trên cơ sở một trang. 2.4 So sánh cơ sở dữ liệu hướng đối tượng và cơ sở dữ liệu quan hệ Một đối tượng cơ sở dữ liệu có cấu trúc phức tạp, các mối quan hệ giữa các dữ liệu là trực tiếp,. xử lý các đối tượng phức tạp, giao diện chương tình, đối tượng động và trừu tượng. 2.2 Các đặc trưng trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng Các đặc trưng trong cơ sở dữ liệu hướng đối tượng được