基于面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫模式設(shè)計的研究

摘 要：面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫系統(tǒng)是為了滿足新的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用而產(chǎn)生的新一代數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過設(shè)計面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的理論概念和含義來構(gòu)建一個面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)的理論體系，而面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的模式設(shè)計方法又顯得尤為重要，它是在E-R模型的基礎(chǔ)上加入面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計思想的繼承、構(gòu)成、消息傳遞、方法等成分后進行的改進，產(chǎn)生了較為規(guī)范的根據(jù)需求生成擴展的E-R模型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方法，在設(shè)計過程中包括概念提取，概念分析，確定概念模型等，還包括消息傳遞和聯(lián)系的實現(xiàn)方法，以及擁有實例的確定法則，實例對方法的可行性檢驗方法等。

關(guān)鍵詞：面向?qū)ο?；?shù)據(jù)庫；模式設(shè)計

中圖分類號：TP311.52

1 映射關(guān)系

在應(yīng)用領(lǐng)域中數(shù)據(jù)庫設(shè)計將面對的是更多更復(fù)雜的業(yè)務(wù)關(guān)系，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的模式設(shè)計是以實體對象進行建模，它和具體的應(yīng)用領(lǐng)域中業(yè)務(wù)對象又是對應(yīng)的關(guān)系，所以對象關(guān)系模型也適應(yīng)于業(yè)務(wù)對象。對象基本關(guān)系模型根據(jù)業(yè)務(wù)對象之間的關(guān)系，將實體對象模型分成元實體對象模型和關(guān)聯(lián)實體對象模型。這些模型構(gòu)成了業(yè)務(wù)對象關(guān)系的基本框架。

在關(guān)系數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)加入對象—關(guān)系映射引擎，將實體對象和關(guān)系表做一個映射，上層應(yīng)用操作實體對象，映射引擎操作具體的關(guān)系表，在整個過程中對象關(guān)系數(shù)據(jù)庫是自底向上的行為，由數(shù)據(jù)庫廠商實現(xiàn)。而對象關(guān)系映射是自上而下的行為，由應(yīng)用層來完成，核心技術(shù)就是OR映射，（1）將類映射成表。類到表的映射通常不是直接的。除非常簡單的數(shù)據(jù)庫以外，不會有類到表的一對一映射。（2）將屬性映射成列。類屬性將映射成關(guān)系數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)的列，且這些屬性都不是持久的。（3）在面向?qū)ο笾袑⒙?lián)系轉(zhuǎn)換成類/對象，表示聯(lián)系的類用來記錄對象之間的對應(yīng)關(guān)系，在程序運行過程中起到對象之間的映射作用，聯(lián)系類應(yīng)該具備如下基本特性：用來存儲對應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的維護機制，有足夠的查詢機制。

在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的邏輯設(shè)計階段，采用面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型來表述邏輯設(shè)計的結(jié)果，在概念設(shè)計階段采用對應(yīng)擴展ER模型，而擴展ER模型主要用來分析有關(guān)應(yīng)用信息需求和構(gòu)造高級數(shù)據(jù)模型，也就是對傳統(tǒng)ER模型進行的擴展。其中擴展ER模型有靜態(tài)元素、動態(tài)元素的擴展和構(gòu)成的加入，靜態(tài)元素的加入相當(dāng)于繼承，而繼承又是用來聯(lián)系2個或者2個以上實體型（一對多關(guān)系），通過比較規(guī)范的設(shè)計得到擴展ER模型中實體型與屬性和方法的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是深度為2的樹，如下圖1：

圖1 實體繼承

據(jù)繼承的傳遞性，一個實體型實際繼承了層次結(jié)構(gòu)中在其上面的所有實體型的全部性質(zhì)。擴展ER模型動態(tài)元素的擴展包括方法和消息傳遞的加入，面向?qū)ο笾械姆椒ㄏ喈?dāng)于函數(shù)，用來描述實體行為特性和某種操作的程序，例如：教師實體型中職稱和學(xué)歷相當(dāng)于方法，其屬性也可以進行new。而消息傳遞的加入是用來一對一的有向聯(lián)系兩個實體型，也可以用來處理實體執(zhí)行某一處理的請求或回答某些信息的要求，例如：教師實體向?qū)W生實體發(fā)送問題消息，要求學(xué)生解答。

構(gòu)成的加入是用來聯(lián)系2個或者2個以上實體型，其形式是實體型之間的一對多的聯(lián)系，區(qū)別于繼承的是不具有層次結(jié)構(gòu)上面的性質(zhì)，在特性方面是疊加的，因為有這樣一概念，才能實現(xiàn)面向?qū)ο蟮膹?fù)雜結(jié)構(gòu)、較高的數(shù)據(jù)抽象能力和結(jié)構(gòu)上較高的靈活性。當(dāng)一個實體型包含有其他實體型時，稱這個實體型由其他實體型構(gòu)成，如下圖2：

圖2 實體構(gòu)成圖

擴展的ER模型主要包括7個成分：實體型、對象標(biāo)識、屬性、方法、聯(lián)系、封裝、繼承、多態(tài)、構(gòu)成、消息傳遞，其中最重要的是封裝性、繼承性、多態(tài)，，封裝性是將數(shù)據(jù)與操作封裝起來，提供類層次結(jié)構(gòu)，建立不同層次的數(shù)據(jù)抽象，使用戶可以采用統(tǒng)一的模式去處理數(shù)據(jù)對象。這樣的模型也能更好的應(yīng)用到面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的設(shè)計當(dāng)中。除了上述基本定義之外，為適應(yīng)非常規(guī)應(yīng)用領(lǐng)域，還需引入其他一些擴展的特征，如長事務(wù)和協(xié)作等，它們充分體現(xiàn)了面向?qū)ο蟮奶卣鳌?/p>

概念圖型方法概念圖型方法

實體型

屬性

方法

聯(lián)系繼承

構(gòu)成

消息傳遞

圖3 擴展ER模型圖形元素

在確定具體類和實例過程中引出新的問題：

將實體轉(zhuǎn)化成類以后，需要確定哪些類將有實例/對象存在，如果一個類成為超類后，其子類將繼承所有特性，但不再擁有實例/對象，所以子類完全有能力表達超類能夠表達的信息，同時也證明超類已經(jīng)不能滿足信息表達的需求，另外，指向沒有實例的類的聯(lián)系和向沒有實例的類發(fā)送消息是沒有意義的。

如果有消息發(fā)往沒有實例的類，則該消息應(yīng)改為發(fā)往原接收類的所有非超類的子類，如果有聯(lián)系指向沒有實例的類C1，設(shè)該類有n個非超類的子類C11，C12，…C1n，則該聯(lián)系用n個聯(lián)系代替，在n個聯(lián)系中原來指向C1的指針分別指向C11，C12，…C1n，其余不變。向沒有實例的類發(fā)送消息通過調(diào)用響應(yīng)消息的方法來實現(xiàn)，發(fā)送消息還應(yīng)實現(xiàn)對接受消息的對象的檢索。

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的模式設(shè)計應(yīng)保持一定的約束，（1）同一模式中所有類的名字必須前后唯一，類中屬性名和方法名也必須唯一。（2）每個被引用的類必須在模式中定義、某操作代碼中調(diào)用的操作需給出說明、每一個說明的操作必須存在一個具體程序。（3）子類型約束：子類和父類（或超類）不能有環(huán)、不能有多繼承、單一超類必須加以說明，但在模式演進操作過程中涉及類和超類成分和聯(lián)系以及類集的改變。

2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與存儲

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)存儲在Windows文件管理等環(huán)境下實現(xiàn)一個數(shù)據(jù)庫與一個系統(tǒng)路徑相對應(yīng)，一個業(yè)務(wù)對象與一個文件相對應(yīng)，一個實例與一個文件記錄相對應(yīng)。在文件中封裝了有關(guān)對象文件的屬性和方法，文件框架中封裝了文件框架的屬性和方法，系統(tǒng)路徑組件封裝了有關(guān)對象路徑的屬性和方法。

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫組件是由文件組件、文件框架組件和路徑組件組合的聚合組件，封裝了有關(guān)面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的屬性和方法。用戶數(shù)據(jù)庫組件由面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫組件和用戶組件組合的聚合組件，封裝了有關(guān)用戶數(shù)據(jù)庫的屬性和方法。用戶組件封裝了有關(guān)用戶的屬性和方法。

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫要求實現(xiàn)對大對象的存儲，其主要區(qū)別于關(guān)系數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中核心概念主要包括對象標(biāo)識、屬性方法、封裝、消息傳遞、類、繼承、構(gòu)成，但整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)又可分成三部分，用來描述類結(jié)構(gòu)的定義部分、用來描述方法的實現(xiàn)部分和用來描述實體的存儲部分。對于類的結(jié)構(gòu)描述可用關(guān)鍵字class…endclass來描述，如果這個類是超類則應(yīng)該在類名之前加上關(guān)鍵字inherit，如果是另一個類的構(gòu)成部分則應(yīng)在被構(gòu)成類之前加上關(guān)鍵字attributes。類的實例存儲即對象的存儲是通過以類為類型的表，即對象表來實現(xiàn)的，對象表的定義可以通過關(guān)鍵字table….end table來實現(xiàn)。表的元組記錄就對象，將對象的私有、公有成員，方法，構(gòu)成作為數(shù)據(jù)項。

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫存儲的不僅是數(shù)據(jù)，而且還存儲了定義在數(shù)據(jù)上的操作語義，以及對象之間的復(fù)雜引用和約束關(guān)系。在存儲方面，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫不僅提供了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的全部服務(wù)，還提供檢索對象時對象的拆卸與裝配。

圖4 存儲框架圖

3 適用領(lǐng)域及優(yōu)勢

面向?qū)ο蟮脑O(shè)計方法符合一般人的思維規(guī)律，即將現(xiàn)實世界分解成明確的實體對象，這些實體對象具有屬性和行為方法。能有效地表達客觀世界和提供多種視圖去訪問數(shù)據(jù)，卻不需用復(fù)雜的查詢語句。比如金融服務(wù)業(yè)在進行投資決策時要考慮投資的風(fēng)險和回報等，這涉及大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息，傳統(tǒng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫很難完成建模，查詢較慢，描述能力也相對落后，決策支持系統(tǒng)更不能滿足用戶的需要。

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫還具有可維護性和可擴展性好，在耦合性和內(nèi)聚性方面，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的性能尤為突出。這使得面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫設(shè)計者可在盡可能少影響現(xiàn)存代碼和數(shù)據(jù)的條件下修改對象模型和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。這種先進的耦合性和內(nèi)聚性也簡化了不同硬件環(huán)境下數(shù)據(jù)庫的運行。

又如醫(yī)療就診系統(tǒng)這種不是大眾的數(shù)據(jù)庫，病人和醫(yī)護人員的信息一般可以通過語音、視頻、數(shù)字圖象和傳統(tǒng)的文字?jǐn)?shù)據(jù)等來表達，這些均是關(guān)系數(shù)據(jù)庫較難處理的，要把病人和醫(yī)護人員復(fù)雜的信息合理有效地存取，面向?qū)ο蠼鉀Q方案是將一組相關(guān)方法放入數(shù)據(jù)庫，以便基于這些信息隨時讀取而采取正確行動。而這種面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的用戶又主要是從事系統(tǒng)軟件和高級應(yīng)用軟件開發(fā)的程序員和系統(tǒng)設(shè)計人員。

4 結(jié)束語

隨著應(yīng)用需求的擴展，特別是諸如人工智能等復(fù)雜應(yīng)用的需要，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫已經(jīng)顯得力不從心，面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫正好可以滿足用戶這方面的要求，進而成為數(shù)據(jù)庫發(fā)展的一個方向。我國目前在操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)方面相對落后于他國的，特別是在面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫領(lǐng)域幾乎是一個空白。

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作者簡介：張明輝（1977.04），男，湖南炎陵人，碩士，講師，研究方向：軟件工程、數(shù)據(jù)庫。

作者單位：廣東科技學(xué)院，廣東東莞 52300