Объектные расширения

Введение

Как отмечалось в "Общее введение, типы данных и средства определения доменов" , язык SQL появился в середине 1970-х гг. при выполнении экспериментального проекта реляционной СУБД System R. Проект выполнялся в компании IBM, и это вполне естественно, потому что именно сотрудник IBM Эдгар Кодд предложил миру идею реляционных баз данных. От System R исходит большинство традиционных средств стандарта SQL:1999 (и SQL:2003), которые мы обсуждали в восьми предыдущих лекциях. Однако в этой лекции речь пойдет о возможностях современных вариантов SQL, которые не имеют отношения к System R (за исключением некоторых экспериментов по представлению сложных объектов средствами SQL) и, вообще говоря, к реляционной модели данных, а именно — о так называемых объектно-реляционных расширениях языка. Чтобы у читателей не возникло впечатление, что объектные расширения появились в языке SQL внезапно, благодаря какому-то озарению разработчиков языка, мы начнем эту лекцию с небольшого (и крайне субъективного) очерка истории объектно-реляционного подхода к организации систем баз данных.

Истоки и краткая история объектно-реляционных баз данных

Пальму первенства в области объектно-реляционных систем управления базами данных (ОРСУБД) оспаривают два весьма известных специалиста в области технологии баз данных – Майкл Стоунбрейкер (Michael Stonebraker) и Вон Ким (Won Kim).

Первые ОРСУБД

Майкл Стоунбрейкер начал работать в области баз данных в начале 1970-х гг. прошлого века в университете Беркли. Его первым всемирно известным проектом была реляционная СУБД Ingres, которая существует и используется до сих пор в двух ипостасях – как свободно распространяемая система (университетская Ingres; код поддерживается в Беркли) и как коммерческая СУБД, принадлежащая компании Computer Associates. В исходном варианте СУБД Ingres отсутствовала поддержка языка SQL (поддерживался собственный язык запросов QUEL), но система уже обладала некоторыми уникальными чертами, которые, с небольшой натяжкой, можно было бы назвать объектными (например, в СУБД Ingres допускалось определение пользовательских процедур, выполняемых на стороне сервера). Кроме того, в проекте Ingres очень большое внимание уделялось управлению правилами.

В 1980-е гг. Майкл Стоунбрейкер возглавлял проект Postgres (вариант этой системы под названием PostgreSQL в настоящее время является весьма популярным свободно доступным продуктом). В Postgres были реализованы многие интересные средства: поддерживалась темпоральная модель хранения и доступа к данным, и в связи с этим был полностью пересмотрен механизм журнализации изменений, откатов транзакций и восстановления БД после сбоев; обеспечивался мощный механизм ограничений целостности; поддерживались ненормализованные отношения (работа в этом направлении началась еще в среде Ingres), хотя и довольно странным способом: в поле отношения мог храниться динамически выполняемый запрос к БД.

Одно свойство системы Postgres сближало ее со свойствами объектно-ориентированных СУБД (ООСУБД). В Postgres допускалось хранение в полях отношений данных абстрактных, определяемых пользователями типов. Это обеспечивало возможность внедрения поведенческого аспекта в БД, т. е. решало ту же задачу, что и ООСУБД, хотя, конечно, семантические возможности модели данных Postgres были существенно слабее, чем у объектно-ориентированных моделей данных. Основная разница состояла в том, что в Postgres не предполагалось наличие языка программирования, одинаково понимаемого как внешней системой программирования, так и системой управления базами данных. Как и в Ingres, в исходном варианте Postgres не поддерживался язык SQL (имелся собственный язык запросов Postquel). Кстати, во времена Postgres Майкл Стоунбрейкер не использовал термин объектно-реляционная система, предпочитая называть свою СУБД системой следующего поколения.

В начале 1990-х гг. Стоунбрейкер создал компанию Illustra, основной целью которой был выпуск коммерческого варианта СУБД Postgres, получившего название Illustra. В этой системе поддерживались основные идеи Postgres, но уже присутствовала и поддержка языка SQL. В конце 1995 г. компания Illustra была поглощена компанией Informix, и это привело к выпуску в 1996 г. СУБД Informix Universal Server (см. ниже).

Имя Вона Кима стало широко известно во второй половине 1970-х гг., когда он примкнул к участию в экспериментальном проекте компании IBM System R. Наиболее известная ранняя работа доктора Кима была посвящена преобразованию SQL-запросов с целью превращения запросов с вложенными подзапросами в запросы с соединениями.

В 1980-е гг. Вон Ким работал в компании MCC, где успешно выполнил реализацию серии прототипов ООСУБД Orion. В этих прототипах были опробованы многие идеи объектно-ориентированных СУБД. Одной из интересных особенностей проекта было то, что в качестве основного языка программирования использовался объектный вариант известного функционального языка Lisp.

В конце 80-х гг. д-р Ким основал компанию UniSQL, выпустившую в 1991 г. первую версию продукта UniSQL, который Вон Ким стал называть объектно-реляционной системой. Трудно оценивать коммерческий успех этой СУБД. В настоящее время она принадлежит Корейской национальной телекоммуникационной компании и, по всей видимости, продолжает использоваться. Поскольку UniSQL была первой СУБД, официально называемой объектно-реляционной системой, приведем ее краткое описание.

UniSQL обеспечивала возможность построения так называемых федеративных систем баз данных. При этом обеспечивалось единое представление данных, которые могли храниться либо в базе данных, непосредственно управляемой UniSQL, либо в какой-либо из реляционных баз данных, управляемой СУБД Oracle, Informix, Sybase и т. д., либо в какой-либо дореляционной базе данных. Сервер UniSQL обеспечивал интегрированный доступ к данным, управляемым разными СУБД. Одна из возможных конфигураций использования системы показана на рис. 19.1.

Рис. 19.1. Возможная конфигурация системы UniSQL

Как показывает рис. 19.1, сервер UniSQL позволяет представлениям работать через "глобальную" схему базы данных S, полученную из двух "фрагментарных" схем баз данных, которые управляются непосредственно UniSQL и СУБД Oracle^{1Вопросы интеграции данных выходят за пределы тематики этого курса. Однако следует сделать два замечания. Во-первых, проблематика обеспечения доступа к разнородным данным через некоторую глобальную, или концептуальную схему интересует сообщество баз данных в течение нескольких десятков лет. Существовали многочисленные попытки обеспечить интеграцию баз данных, представленных во всех возможных моделях (сетевой, иерархической, реляционной, объектно-ориентированной). С точки зрения теории решение проблемы возможно, но на практике это приводит к очень сложным с технической точки зрения реализациям, обладающим крайне низкой производительностью. Во-вторых, в MCC в 1980-е годы был создан весьма успешный прототип системы, интегрирующей SQL-ориентированные базы данных. Должно быть понятно, что такая интеграция существенно проще в техническом смысле, поскольку глобальная и фрагментарные схемы представлены в близких понятиях. Похоже, что проект UniSQL в большой степени базировался и на этой работе.}.

Разработчики UniSQL полагали, что построение полнофункциональной СУБД, основанной на принципиально новой модели данных, крайне проблематично. Был выбран подход к расширению реляционной модели, выражающийся в следующих четырех принципах:

• значениями атрибутов отношений могут быть не только литеральные значения, но и объекты;
• значения атрибутов отношений не обязательно являются атомарными;
• при построении таблиц (классов) может использоваться механизм наследования;
• классы включают операции.

В созданной компанией системе поддерживалось расширение стандарта SQL – SQL/X, одновременно включающее и объектно-ориентированные, и реляционные возможности. В одном языке поддерживались возможности и определения данных, и манипулирования ими. В качестве языковых средств программирования приложений поддерживались языки C++ и Smalltalk.

Внедрение объектных расширений в основные РСУБД

В конце 1989 г. группа известных специалистов в области языков программирования баз данных опубликовала документ под названием Манифест систем объектно-ориентированных баз данных (для краткости будем называть его Первым манифестом ). Основным поводом к написанию и публикации этого материала было то, что к тому времени существовал ряд систем управления базами данных, которые, по большому счету, объединяла только общая привязанность к объектно-ориентированным языкам программирования. В Первом манифесте была предпринята попытка дать определение системам объектно-ориентированных баз данных. Авторы стремились привести описание основных свойств и характеристик, которыми должна обладать система, претендующая на то, чтобы называться системой объектно-ориентированных баз данных. Первый манифест был написан академическими исследователями; почти все они являлись и являются профессорами различных университетов. Конечно, это нашло свое отражение в стиле Первого манифеста – очень мягком и умеренно рекомендательном (хотя по своему духу предложения этого манифеста были весьма радикальными).

Через год после публикации Первого манифеста вышел в свет Манифест систем баз данных третьего поколения, инициатором которого, очевидно, был Майкл Стоунбрейкер (хотя у документа формально имелось много авторов). Мы говорим об этом с уверенностью, поскольку в этом манифесте повсюду видны идеи Стоунбрейкера, использованные им в проектах Ingres и Postgres.

В некотором роде Манифест систем баз данных следующего поколения (для краткости мы будем называть его Вторым манифестом ) стал ответом миру объектно-ориентированных баз данных со стороны мира SQL-ориентированных баз данных. Если Первый манифест был хотя и немного путанным, но все-таки носил научный характер, то Второй манифест является в большей степени инженерно-публицистическим документом. Второй манифест можно расценивать как реакцию индустрии СУБД на неприятные для нее измышления науки.

Второй манифест (или, вернее, работы, приведшие к его появлению) имел важные последствия. В 1995 г. компания Informix (ныне входящая в состав IBM ) купила компанию Майкла Стоунбрейкера Illustra^{2 Компания Illustra была создана Стоунбрейкером для коммерциализации разработанной под его руководством свободно доступной СУБД Postgres .}, и Стоунбрейкер стал техническим директором Informix. В начале 1996 г. компания Informix объявила о выпуске принципиально нового продукта Informix Universal Server, в котором, как утверждалось, лучшие черты Informix Online Server сочетались с развитыми объектными чертами, присущими Illustra.

К выпуску Informix Universal Server очень ревниво отнеслась компания Oracle, которая немедленно заявила, что у нее готов собственный объектно-реляционный продукт, по всем параметрам превосходящий систему компании Informix. Эта система, получившая название Oracle8, была выпущена в конце лета 1996 г.

Годом позже к группе производителей объектно-реляционных СУБД (ОРСУБД) примкнула компания IBM, выпустившая продукт DB2 Universal Database. Как выяснилось позже, все наиболее важные свойства этого продукта были реализованы еще в 1995 г. в СУБД DB2 for Common Servers. Просто компания IBM предпочла до поры не афишировать свои расширения.

Первые пару лет вокруг объектно-реляционных СУБД стоял большой шум. Позже выяснилось, что маркетинговые ожидания компаний гигантов оказались преувеличенными. (В частности, это было одной из основных причин падения компании Informix.) Сегодня объектные расширения SQL-ориентированных СУБД предлагаются пользователям лишь в качестве дополнительных, хотя и важных возможностей.

Объектные расширения языка SQL были зафиксированы в стандарте SQL:1999. В той или иной мере эти расширения поддерживаются во всех трех перечисленных выше продуктах. В настоящее время ближе всех к стандарту находятся СУБД компании Oracle и DB2 компании IBM.