Объектно-ориентированные базы данных, работающие в распределенных сетях

Рисунок 2. Объектная модель Cache'. 

      В соответствии со стандартом в Cache' реализовано  два типа классов:

• классы типов данных (литералы);
• классы объектов (объекты).

      Классы  типов данных определяют допустимые значения констант (литералов) и позволяют  их контролировать. Литерал не может  существовать независимо от своего значения, в то время как объекты имеют  уникальную идентификацию.

      Классы  типов данных подразделяется на два  подкласса типов:

• атомарные;
• структурированные.

      Атомарными  литеральными типами в Cache' являются традиционные скалярные типы данных (%String, %Integer, %Float, %Date и др.). В Cache' реализованы две  структуры классов типов данных - список и массив. Каждый литерал уникально идентифицируется индексом в массиве и порядковым номером в списке.

      Различают два подтипа классов объектов - зарегистрированные и незарегистрированные. Зарегистрированные классы обладают предопределенным поведением, т.е. набором методов, наследуемых из системного класса «%RegisteredObject» и отвечающих за создание новых объектов и за управление размещением объектов в памяти. Незарегистрированные классы не обладают предопределенным поведением, разработка функций (методов) класса целиком и полностью возлагается на разработчика.

      Зарегистрированные  классы могут быть двух типов - встраиваемые и хранимые. Встраиваемые классы наследуют  свое поведение от системного класса «%SerialObject». Основной особенностью хранения встраиваемого класса является то, что объекты встраиваемых классов существуют в памяти как независимые экземпляры, однако могут быть сохранены в базе данных, только будучи встроены в другой класс.

      Основным  преимуществом использования встроенных классов является минимум издержек, связанных с возможным в будущем изменением набора одинаковых свойств классов, представленных в виде встраиваемого объекта.

      Хранимые  классы наследуют свое поведение  от системного класса «%Persistent». «%Persistent» предоставляет обширный набор функций своим наследникам, включающий: создание объекта, подкачку объекта из БД в память, удаление объекта и т.п. Каждый экземпляр хранимого класса имеет 2 уникальных идентификатора - OID и OREF. OID (object ID) характеризует объект, записанный в БД, т.е. на физическом носителе, а OREF (object reference) характеризует объект, который был подкачен из БД и находится в памяти.  
 

2.2 GemStone 
 

      Данная  система была разработана компанией Servio-Logic совместно с OGI. В исходном варианте системы разработчики GemStone опирались на язык Smalltalk. Хотя в первых выпусках системы ее основной язык назывался Opal, сразу было видно, что в действительности этого всего лишь Smalltalk с поддержкой стабильного хранения объектов, и вскоре название языка было заменено на GemStone Smalltalk. Впоследствии в GemStone была обеспечена поддержка языков C и C ++, но во все времена базовым языком оставался Smalltalk, а все остальные интерфейсы строились поверх базового. И серверная, и клиентская части системы могут работать под управлением всех основных ветвей ОС UNIX и всех развитых вариантов Windows. В настоящее время продукт поддерживается, развивается и распространяется компанией GemStone Systems Inc[8].

      Система основана на трехзвенной архитектуре  клиент-сервер, в которой прикладная обработка данных производится на среднем уровне между процессом взаимодействия с пользователем и процессом, поддерживающим хранилище данных. Важность этого подхода состоит в том, что, если в приложении используется много данных, то код приложения целесообразно расположить на стороне хранилища данных, а если в приложении производится много изменений над небольшим объемом данных, то имеет смысл разместить код приложения на стороне пользователя. Тем самым, архитектура позволяет уменьшить объем сетевого трафика без перегрузки сервера, что повышает скорость обработки данных.

      Для управления мультидоступом используется механизм транзакций. Механизм основан  на так называемом оптимистическом  подходе, при котором каждая сессия работает с собственной локальной копией хранилища объектов, и слияние произведенных в сессиях изменений хранилища происходит при завершении транзакции. Если при завершении транзакции обнаруживается, что произведенные в ней изменения конфликтуют с изменениями других ранее зафиксированных транзакций, то фиксация транзакции не производится, транзакция не завершается, и решение проблемы возлагается на пользователя. Автоматическая блокировка объектов не производится, но пользователь может явно запросить блокировку, что повышает шансы на успешную фиксацию транзакции.

      Для обеспечения безопасности данных поддерживается механизм авторизации доступа на уровне владельца объекта и его  группы пользователей, так что может  быть ограничен доступ к некоторым  объектам или некоторым методам объектов. К каждому объекту приписывается авторизационный объект, содержащий данные о том, какие пользователи и в каком режиме (чтения или изменения) имеют доступ к объекту.

      Для восстановления базы данных после сбоев  аппаратуры используются механизмы  репликации, резервного копирования и журнализации. Любой авторизованный пользователь может запросить выполнения полного или частичного копирования. Восстановление базы данных после сбоя системы или дисковых устройств начинается с использования последней по времени резервной копии. После этого при помощи данных, сохраненных в журнальных файлах, хранилище объектов приводится к состоянию, соответствующему последней до момента сбоя зафиксированной транзакции. Авторизованные пользователи могут также запросить поддержку реплицирования областей хранилища данных.

      В системе поддерживается целостность  по ссылкам между всеми объектами, поскольку все ссылки основываются на использовании объектных идентификаторов, и объекты, для которых существуют ссылки от других объектов, не могут быть удалены. Для повышения скорости доступа к часто используемым коллекциям обеспечивается средство построения индексов.

      Объекты делаются стабильными (т.е. сохраняются  в базе данных) путем использования  своего рода стабильного корня, называемого коннектором. Все объекты, прямо или косвенно достижимые по объектным ссылкам от коннектора, являются стабильными. В GemStone у каждого класса, в котором существует хотя бы один стабильный объект, поддерживается эквивалентная серверная версия класса. Другими словами, один вариант класса служит классом в контексте программирования, а другой – в контексте базы данных. Такие пары поддерживаются автоматически: если создается класс в смысле Smalltalk, и некоторый объект этого класса становится стабильным, то автоматически создается серверный класс этого объекта (класс в смысле GemStone). Создание коннектора приводит к появлению экземпляра класса GemStone, эквивалентного классу объекта, который должен быть сделан стабильным. Аналогично, любой объект, достижимый от коннектора, автоматически становится стабильным.

      В GemStone поддерживается динамическая сборка мусора (garbage collection). Процесс-«мусорщик» автоматически освобождает память, занимаемую объектами, на которые отсутствуют ссылки.

      В среде GemStone можно использовать различные реализации Smaltalk, а также языки C и C++. Классы и объекты можно создавать с использованием любого из этих языков, и объекты, созданные на одном языке можно использовать в приложениях, написанных на любом другом языке. Реализация языка C представляет собой набор функций и набор компонентов, преобразующих объекты GemStone в указатели и литералы C и наоборот. Реализация C++ включает препроцессор в чистый С и библиотеку классов[7].

      Подключения к реляционным системам (например, Oracle или IBM DB2) производятся через шлюзы. Для синхронизации состояния локальной (управляемой GemStone) и внешних копий данных обеспечивается автоматическая модификация данных. В зависимости от среды и требований к уровню синхронизованности эти обновления выполняются немедленно или же в пакетном режиме.

      GemStone можно также использовать для  управления данными, соответствующими  стандартам OLE и CORBA. Для работы с данными в реляционном стиле поддерживаются стандарты SQL и ODBC.

2.3 ITASCA 
 

      Распределенная  ООСУБД ITASCA основана на результатах проекта Orion, выполнявшегося в MCC. Разработка серии из трех прототипов завершилась выпуском системы, основанной на архитектуре «много клиентов - много серверов». Система была доведена до уровня коммерческого продукта начинающей техасской компанией, которая в 1995г. была приобретена компанией IBEX Corp[9].

      В распределенной архитектуре ITASCA частные  и совместно используемые базы данных разнесены по узлам локальной UNIX -ориентированной сети. Каждой значение данных хранится в одном узле, но централизованное управление отсутствует; все серверы автономны. На каждом сервере поддерживаются кэш страниц и кэш объектов, и каждый сервер множество клиентов с обеспечением мультидоступа на основе блокировок. На клиентах поддерживается только кэш объектов.

      Для управления мультидоступом в ITASCA используется двухфазный протокол синхронизационных  блокировок с сериализацией транзакций и обнаружением тупиков. Также поддерживаются долгие транзакции на основе перемещения объекта из совместно используемой базы данных в частную базу данных (check -out). Для обеспечения совместной работы допускается участие нескольких пользователей в одной долгой транзакции.

      Для всей распределенной базы данных поддерживается единая схема с использование  подсхем для частных фрагментов базы данных. Модель данных включает следующие  аспекты:

• множественное наследование;
• представление классов в виде объектов;
• наличие свойств и операций классов;
• поддержка ограничений целостности;
• возможность перегрузки операций.

      В любое время могут добавляться  новые данные, классы, свойства и  операции. Для обеспечения контроля над распространением таких операций как удаление объекта имеется возможность определения составных объектов. Для поддержки мультимедийных приложений имеется возможность использования линейных массивных объектов, которые предназначены прежде всего для хранения последовательных данных, таких как текст или аудиоданные. В пространственных массивных объектах имеются два измерения, и они подходят, например, для хранения изображений.

      Восстановление  базы данных после сбоев производится на основе журнала, предназначенного для  аннулирования результата выполненных операций (undo log). Это позволяет в процессе восстановления устранить эффект всех транзакций, не завершившихся к моменту сбоя. Фиксация транзакции заключается в том, что на сервере все объекты, измененные данной транзакцией, перемещаются из буфера объектов в буфер страниц.

      Поддерживается  механизм индексирования, основанный на использовании техники B +-деревьев. Можно создавать индексы для  одного класса и одного свойства или  для нескольких свойств нескольких классов.

      Имеется возможность создания классов, поддерживающих оповещение. Имеются две формы оповещения – пассивная и активная. Пассивное оповещение состоит в том, что сохраняется информация о модификации или удалении экземпляров класса. Приложение может обратиться классу с запросом данных о таких событиях. Активное оповещение приводит к вызову некоторой операции при выполнении операций модификации, удаления, создания версии, перемещения объекта из общей базы данных в частную базу данных (check -out) или наоборот (check -in). По умолчанию выполнение операции оповещения приводит к отправке электронной почты привилегированному пользователю (администратору системы), но допускается замена поведения этой операции.

      Допускается создание временной, рабочей или «выпускной» версии объекта. Для динамического или статического связывания разных версий поддерживается иерархия происхождения версий. При использовании динамического связывания версий иерархия автоматически модифицируется при создании новых версий.

      Безопасность  данных обеспечивается на основе механизма авторизации доступа, в котором конкретная привилегия (доступ по чтению, доступ по записи или создание) предоставляется роли, за которой может стоять один пользователь или группа пользователей. Привилегии могут быть подсоединены к базам данных, классам, экстентам, объектам, операциям и свойствам. Имеется авторизация по умолчанию, которая подразумевается для любой роли и может быть дополнена явной авторизацией, положительной (с добавлением привилегий) или отрицательной (с изъятием привилегии).

      При использовании C++ стабильность достигается путем доступа к библиотеке классов, поддерживающих стабильность. В CLOS (Common Lisp Object System) обеспечивается метакласс стабильности. Стабильные объекты должны быть экземплярами классов, являющихся экземплярами этого метакласса. Кроме того, можно указать, что некоторые свойства стабильного класса являются недолговечными.