Курсовая работа: Язык описания информационных моделей EXPRESS

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра УК и С

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: Язык описания информационных моделей (EXPRESS)

по дисциплине «CALS-технологии»

Выполнила: ст-ка гр.41С

Проверил:

Омск – 2009

Содержание

Введение

1 Преимущества CALS

2 CALS в России

3 Государство покровительствует CALS-технологиям

4 Проблемы стандартизации описания продукции, технологии и бизнеса

5 Объектно-ориентированное моделирование на EXPRESS

6 Общая систематизация подходов

6.1 Классификация паттернов отображения

6.2 Отображение информационных схем

6.2.1 Схемо-независимая стратегия

6.2.2 Схемо-зависимая стратегия

6.3 Отображение наследования классов

6.3.1 Паттерн OneInheritanceHierarchy–OneTable

6.3.2 Паттерн OneClass–OneTable

6.3.3 Паттерн OneInheritancePath–OneTable

6.3.4 Паттерн AllClasses–OneTable

6.3.5 ПаттернBLOB

6.4 Отображениеатрибутов

6.4.1 Представление простых типов

6.4.2 Отображение атрибутов простых типов

6.4.2.1 ПаттернAttribute–Column

6.4.2.2 ПаттернAttribute–Table

6.4.3 Отображениеассоциаций

6.4.3.1 ПаттернForeignKeyAssociation

6.4.3.2 ПаттернClassAssociation

6.4.3.3 ПаттернGenericAssociation

6.4.4 Отображениеселективныхтипов

6.4.4.1 Паттерн Select–Columns

6.4.4.2 Паттерн ClassSelect

6.4.4.3 Паттерн HierarchySelect

6.4.4.4 Паттерн GenericSelect

6.4.5 Отображениеагрегатов

6.4.5.1 Паттерн ClassAggregate

6.4.5.2 Паттерн HierarchyAggregate

6.4.5.3 Паттерн GenericAggregate

6.5 Отображение метаданных

7 Реализация промежуточного объектно-реляционного слоя в среде Oracle9

7.1 Схемо-независимая стратегия

7.2 Схемо-зависимая стратегия

7.3 BLOB стратегия

8 Рекомендации использования

Заключение

Список используемых источников

Введение

Термин CALS (Continuous Acquisition and Lifecycle Support — непрерывная информационная поддержка поставок и жизненного цикла) означает совокупность принципов и технологий информационной поддержки жизненного цикла продукции на всех его стадиях. Русскоязычный аналог понятия CALS — Информационная Поддержка жизненного цикла Изделий (ИПИ). В последнее время за рубежом наряду с CALS используется также термин Product Lifecycle Management (PLM).

Цель внедрения CALS — минимизация затрат в ходе жизненного цикла изделия, повышение его качества и конкурентоспособности.

Для описания схем данных используется разработанный язык EXPRESS. Этот язык регламентирует:

· Черчение (прямое и ассоциативное)

· Проектирование конструкций

· Инженерный анализ

· Технологическую подготовку

· Производство

· Тестирование данных и обмен ими в специальном текстовом формате

1. Преимущества CALS

Технологии, стандарты и программно-технические средства CALS обеспечивают эффективный и экономичный обмен электронными данными и безбумажными электронными документами, что дает следующие преимущества:

· возможность параллельного выполнения сложных проектов несколькими рабочими группами (параллельный инжиниринг), что существенно сокращает время разработок;

· планирование и управление многими предприятиями, участвующими в жизненном цикле продукции, расширение и совершенствование кооперационных связей (электронный бизнес);

· резкое сокращение количества ошибок и переделок, что приводит к сокращению сроков реализации проектов и существенному повышению качества продукции;

· распространение средств и технологий информационной поддержки на послепродажные стадии жизненного цикла - интегрированная логистическая поддержка изделий.

На экономические показатели предприятий, применяющих CALS-технологии, непосредственно влияют следующие факторы:

· сокращение затрат и трудоемкости процессов технической подготовки и освоения производства новых изделий;

· сокращение сроков вывода на рынок новых конкурентоспособных изделий;

· сокращение брака и затрат, связанных с внесением изменений в конструкцию;

· увеличение объемов продаж изделий, снабженных электронной технической документацией (в частности, эксплуатационной), составленной в соответствии с требованиями международных стандартов;

· сокращение затрат на эксплуатацию, обслуживание и ремонт изделий ("затрат на владение"), которые для сложной наукоемкой продукции подчас равны или превышают затраты на ее закупку.

Вот некоторые количественные оценки эффективности внедрения CALS в промышленности США:

· прямое сокращение затрат на проектирование - от 10 до 30%;

· сокращение времени разработки изделий - от 40 до 60%;

· сокращение времени вывода новых изделий на рынок - от 25 до 75%;

· сокращение доли брака и объема конструктивных изменений - от 20 до 70%.

· сокращение затрат на подготовку технической документации - до 40%;

· сокращение затрат на разработку эксплуатационной документации - до 30%.

По зарубежным данным, потери, связанные с несовершенством информационного взаимодействия с поставщиками, только в автомобильной промышленности США составляет порядка 1 млрд. долл. в год. Аналогичные потери имеют место и в других отраслях промышленности.

В тех же источниках указывается, что затраты на разработку реактивного двигателя GE 90 для самолета «Боинг-777» составили 2 млрд. долл., а разработка новой модели автомобиля компании «Форд» стоит от 3 до 6 млрд. долл. Это означает, что экономия от снижения прямых затрат на проектирование только по двум указанным объектам может составить от 500 млн. до 2,2 млрд. долл.

Как видим, внедрение CALS-технологий приводит к существенной экономии и получению дополнительной прибыли. Поэтому эти технологии и их отдельные компоненты широко применяются в промышленности развитых стран. Так, из числа 500 крупнейших мировых компаний, входящих в перечень Fortune 500, около 100% используют такой важнейший компонент CALS, как средства PDM (Product Data Management — «управление данными об изделии»). Среди предприятий с годовым оборотом свыше 50 млн. долл. такие системы используют более 80%.

В связи с большими объемами ожидаемой экономии и дополнительных прибылей в эту сферу привлекаются значительные инвестиции, измеряемые миллиардами долларов. По данным зарубежных источников, инвестиции правительства США в сферу CALS-технологий составляют около 1 млрд. долл. в год. Затраты других стран меньше, однако, например, правительство Финляндии затратило на национальную программу в этой области свыше 20 млн. долл. и примерно такую же сумму (около 25 млн. долл.) вложили в нее частные компании. Корпорация General Motors в течение 1990 — 1995 годов израсходовала на эти цели 3 млрд. долл. Средние затраты на один проект, посвященный решению локальной задачи в области CALS-технологий (например, разработка стандарта или программы), составляют 1,2 — 1,5 млн. долл. при среднем сроке выполнения от двух до четырех лет.

Эти цифры свидетельствуют о том, какое значение придают на Западе проблематике, связанной с CALS-технологиями.

2. CALS в России

Россия существенно отстает от ведущих промышленно развитых стран в части внедрения современных ИТ, в том числе технологий CALS. Это отставание чревато далеко идущими негативными последствиями, прежде всего, высокой вероятностью резкого сокращения экспортного потенциала российских производителей наукоемкой продукции, вплоть до полного вытеснения их с международного рынка, что может, по мнению зарубежных экспертов, произойти к 2005 — 2008 году.

Мировой рынок полностью отторгнет продукцию, не снабженную электронной документацией и не обладающую средствами интегрированной логистической поддержки постпроизводственных стадий жизненного цикла. Уже сегодня многие иностранные заказчики отечественной продукции выдвигают требования, удовлетворение которых невозможно без внедрения CALS-технологий:

· представление конструкторской и технологической документации в электронной форме;

· представление эксплуатационной и ремонтной документации в форме интерактивных электронных технических руководств, снабженных иллюстрированными электронными каталогами запасных частей и вспомогательных материалов и средствами дистанционного заказа запчастей и материалов;

· организация интегрированной логистической поддержки изделий на постпроизводственных стадиях их жизненного цикла;

· наличие и функционирование электронной системы каталогизации продукции;

· наличие на предприятиях соответствующих требованиям стандартов ИСО 9000:2000 систем менеджмента качества и т. д.

Выполнение этих требований предопределяет необходимость внедрения на отечественных предприятиях CALS-технологий в полном объеме.

3. Государство покровительствует CALS-технологиям

В период с 1999-го по 2002 год Минпромнауки РФ совместно с Госстандартом РФ и Минобразования РФ осуществили ряд мер, направленных на создание предпосылок к внедрению CALS-технологий в промышленности России.

Были созданы начальные элементы инфраструктуры, необходимой для разработки и внедрения CALS-технологий: Государственный научно-образовательный центр CALS-технологий, Научно-исследовательский центр (НИЦ) CALS-технологий «Прикладная логистика» и технический комитет ТК 431 Госстандарта России, координирующий разработку отечественной нормативной базы.

Подготовлены научно-методические разработки: концепция развития CALS-технологий в промышленности России [1], концепция интегрированной логистической поддержки наукоемких изделий и концепция внедрения CALS-технологий на машиностроительном предприятии.

Предприняты разработки в области создания нормативной базы: Госстандарт РФ утвердил шесть документов ГОСТ Р ИСО 10303 и шесть документов в статусе рекомендаций по стандартизации Р 50. Были подготовлены проекты 7 ГОСТ Р и три проекта авиационных отраслевых стандартов. Кроме того, разработана программа работ по подготовке новых стандартов и корректировке существующих (ЕСКД, СРПП и др.).

Созданы программные средства, реализующие CALS-технологии. В их числе — программный продукт Technical Guide Builder, предназначенный для автоматизированной подготовки электронной технической эксплуатационной документации на экспортируемую продукцию, соответствующей требованиям CALS-стандартов. Создание с помощью этого продукта интерактивных электронных технических руководств значительно повышает конкурентоспособность продукции. Другой продукт — PDM STEP Suite — служит для управления данными об изделии в процессе конструирования и технологической подготовки производства, что крайне необходимо предприятиям, как разрабатывающим наукоемкую продукцию, так и продающим лицензии на ее производство.

Наконец, разработаны методические основы создания интегрированной системы управления качеством продукции, соответствующей требованиям стандартов ИСО серии 9000 версии 2000 года.

Работы по внедрению CALS-технологий в промышленность России интенсивно продолжаются при пристальном внимании и поддержке Минпромнауки РФ, Госстандарта РФ и других министерств и ведомств России. Авторы надеются, что эти работы позволят если не полностью преодолеть, то хотя бы существенно сократить отставание российской промышленности от промышленности ведущих стран Запада.

4. Проблемы стандартизации описания продукции, технологии и

бизнеса

Началом современного этапа стандартизации описания продукции и технологии можно считать появление в середине 80-х годов проекта STEP (STandard for the Exchange of Product model data ) – серии стандартов для обеспечения универсального механизма обмена данными о продукции и технологии как между различными организациями, так и между разными этапами жизненного цикла продукции. Ядром STEP был почти объектно-ориентированный язык информационного моделирования EXPRESS (ISO 10303, part11). Не являясь языком программирования, не поддерживая “методы” и механизмы их наследования, действующая версия EXPRESS обеспечивает объектно-ориентированную идеологию для описания концептуальных моделей данных (множественное наследование данных и ограничений, выводимые атрибуты и др.).

Вторым "китом", на котором основан EXPRESS, является модель “сущность-связь” (E-R модель). Так же, чувствуется влияние и SQL. Графическая версия – EXPRESS-G уже полностью вытеснила IDEF 1X, который использовался на начальных этапах проекта STEP. В новой версии – EXPRESS v2 уже предполагается полная объектно-ориентированность, с поддержкой моделирования процессов, событий, транзакций, а также единая формальная метамодель, гораздо более детализированная и семантически более строгая, чем части Generic Resources серии стандартов ISO 10303 (parts 41-49).

Вся работа над проектом велась под эгидой подкомитета 4, технического комитета 184 ISO (ISO TC184/SC4), к концу 90-х годов в рамках которого появилось еще несколько серий стандартов (разной степени завершенности), связанных с описанием уже не только продукции и технологии (ISO 13584, ISO 14959, ISO 15926), но и управления производством (Manufacturing Management – MANDATE - ISO 15531) и использующих в качестве основы язык EXPRESS.

За 15 лет вокруг EXPRESS и STEP сформировалась уже целая отрасль ИТ, которая обеспечивает значительное уменьшение трудозатрат при “запуске” новых технологий и новых видов продукции. Причем, если серия ISO 10303 начиналась прежде всего для обслуживания автомобильной и аэрокосмической промышленностей, то сейчас она охватывает уже большинство видов производств, включая электротехническое, кораблестроительное, строительство, нефтехимическое и т.п. Появились не только компании, специализирующиеся на инструментарии технологии STEP, но и организации общеметодологического плана, связанные с развитием технологии “данных о продукции” (Product Data Technology- PDT), например EuroSTEP, PDT Solutions, PDTAG , PDES и др.

Важно отметить активное использование Internet при разработке стандартов, в работе над которыми принимают участие многие организации и специалисты всех ведущих стран мира. Это и серии телеконференций с дискуссиями по наиболее важным вопросам, и электронное голосование по утверждению проектов стандартов на разных стадиях разработки вплоть до статуса Международного стандарта, и организация очных семинаров/конференций, и организация полного электронного архива, доступного по Сети. Такая технология организации проектов на основе управления знаниями симптоматична для “новой эры” однако она делает только первые шаги и серьезно противоречит существующим социальным институтам.

Несмотря на внешние успехи сама идеология, методология и технология STEP/EXPRESS требует глубокого совершенствования. С одной стороны, нужна “гармонизация” и “модуляризация” стандартов внутри самого ISOTC184/SC4, c другой, оказалось необходимым выйти за рамки описания “продукции и технологии” и включить более широкий круг вопросов бизнеса, с третьей стороны все более возникает необходимость в согласовании аналогичных работ с другими организациями, занимающимися разработками в том же направлении и прежде всего с группами CSMF (Conceрtual Schema Modelling Facilities) и CDIF (CASE Data Interchange Format) в рамках объединенного технического комитета ISO и Международной Электротехнической Комиссии (ISO/IEC JTC1), с консорциумом WWW (W3C), с базовыми подгруппами OMG (Object Management Group), с группой KIF ( Knowledge Interchange Format ) ANSI ASC X3T2 , а также с OAG (Open Application Group).

5. Объектно-ориентированное моделирование на EXPRESS

Кратко рассмотрим подмножество языка EXPRESS, непосредственно относящееся к спецификации объектно-ориентированных данных. EXPRESS включает в себя также довольно развитую императивную часть, предназначенную для определения поведенческих свойств объектов и задания ограничений на них. Однако в силу предмета статьи эти подробности будут опущены, а их описание может быть найдено в оригинале стандарта языка

Язык EXPRESS поддерживает набор стандартных, встроенных в него элементарных типов данных INTEGER, REAL, NUMBER, LOGICAL, BOOLEAN, BINARY и STRING для представления, соответственно, целых, вещественных и произвольных числовых данных, логических и булевых значений, последовательностей двоичных данных и строк. Для перечислимых типов предусмотрена специальная конструкция ENUMERATION. Агрегатные типы ARRAY, SET, BAG и LIST предоставляют возможность определения различного рода контейнеров, таких как массивы, множества, мультимножества и списки. Опционально могут быть заданы их размеры, способы индексации элементов, условие множественности эквивалентных элементов для массивов и списков, а также допустимость разреженности элементов в массивах. Селективные типы, вводимые оператором SELECT, позволяют использовать переменные и константы, принимающие значения одного из альтернативных типов, объявленных в списке оператора. Новые производные типы данных создаются на основе стандартных и предопределенных типов с помощью конструкции TYPE. Допускается произвольная вложенность определений пользовательских типов, которая, в частности, обеспечивает создание многомерных массивов, вложенных селективных и агрегатных конструкций.

Типы GENERIC, AGGREGATE, а также ARRAY, SET, BAG и LIST OF GENERIC обеспечивают обобщенную реализацию функций и процедур с использованием абстракций простых и агрегатных данных.

Для объектных типов используется конструкция ENTITY, предусматривающая разнообразные модели простого и множественного наследования с помощью квалификаторов AND, ANDOR, ONEOF. При специфицировании объектного типа задаются атрибуты и ассоциации различной кратности (EXPLICIT), обратные ассоциации (INVERSE), а также производные вычисляемые свойства объектов (DERIVED). Последние определяются типами и выражениями, которые могут включать в себя значения явных атрибутов, константы, исполняемые операторы, включая вызов функций и процедур, как стандартных, так и пользовательских.

Ограничения целостности данных задаются непосредственно при определении объектного типа с помощью конструкции WHERE, определяющей логические условия в виде выражений логического типа, а также с помощью квалификатора UNIQUE, приписывающего условие уникальности атрибутам, ассоциациям и производным свойствам в популяциях родственных объектов. Для задания глобальных ограничений над разнородными объектами предусмотрена конструкция RULE, позволяющая описать ограничение в виде формальной спецификации функции логического типа.

Определения глобальных констант, простых и объектных типов данных, глобальных ограничений объединяются в разделе информационной схемы модели (SCHEMA). Посредством конструкций импорта USE и REFERENCE достигается возможность использования в одной схеме определений из других схем, что обеспечивает разработку сложных информационных моделей путем иерархической композиции отдельных схем. Таким образом, охватываются разнообразные практически содержательные случаи объектно-ориентированного моделирования прикладных данных.

Ниже представлен пример информационной модели на языке EXPRESS — схема ActorResource, специфицирующая информацию о персонах и организациях, участвующих в совместном проекте, их ролях в нем и отношениях между ними.

SCHEMA ActorResource;

TYPE ActorSelect = SELECT (Organization, Person);

END_TYPE;

TYPE AddressTypeEnum = ENUMERATION OF (

END_TYPE;

TYPE Label = STRING(255);

END_TYPE;

TYPE ActorRole = Label;

END_TYPE;

ENTITY Address

ABSTRACT SUPERTYPE OF (ONEOF(PostalAddress, TelecomAddress));

Purpose : AddressTypeEnum;

UserDefinedPurpose : OPTIONAL STRING;

INVERSE

OfPerson : SET OF Person FOR Addresses;

OfOrganization : SET OF Organization FOR Addresses;

WHERE

WR1 : (Purpose <> AddressTypeEnum.USERDEFINED) OR

((Purpose = AddressTypeEnum.USERDEFINED) AND

EXISTS(UserDefinedPurpose));

END_ENTITY;

ENTITY PostalAddress

SUBTYPE OF(Address);

AddressLines : LIST [1:?] OF Label;

END_ENTITY;

ENTITY TelecomAddress

SUBTYPE OF(Address);

TelephoneNumbers : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

FacsimileNumbers : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

ElectronicMailAddresses : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

WWWUrls : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

WHERE

WR1 : EXISTS (TelephoneNumbers) OR EXISTS (FacsimileNumbers) OR

EXISTS (ElectronicMailAddresses) OR EXISTS (WWWUrls);

END_ENTITY;

ENTITY Organization;

Id : INTEGER;

Name : Label;

Description : OPTIONAL STRING;

Roles : LIST [0:?] OF UNIQUE ActorRole;

Addresses : LIST [1:?] OF UNIQUE Address;

INVERSE

IsRelatedBy : SET OF OrganizationRelationship FOR RelatedOrganizations;

Relates : SET OF OrganizationRelationship FOR RelatingOrganization;

Engages : SET OF Person FOR EngagedIn;

UNIQUE

UR1 : Id;

END_ENTITY;

ENTITY OrganizationRelationship;

Name : Label;

Description : OPTIONAL STRING;

RelatingOrganization : Organization;

RelatedOrganizations : SET [1:?] OF Organization;

END_ENTITY;

ENTITY Person;

Id : INTEGER;

FamilyName : OPTIONAL Label;

GivenName : OPTIONAL Label;

MiddleNames : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

PrefixTitles : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

SuffixTitles : OPTIONAL LIST [1:?] OF Label;

Roles : LIST [0:?] OF UNIQUE ActorRole;

Addresses : OPTIONAL LIST [1:?] OF UNIQUE Address;

EngagedIn : SET OF Organization;

UNIQUE

UR1 : Id;

WHERE

WR1 : EXISTS(FamilyName) OR EXISTS(GivenName);

END_ENTITY;

END_SCHEMA;

К настоящему времени в рамках международных программ по стандартизации прикладных информационных моделей и интероперабельности программных приложений накоплен значительный ресурс многопрофильных междисциплинарных моделей. Ресурс охватывает такие научные и промышленные области, как машиностроение, авиационную и космическую промышленность, судостроение, нефтегазовый комплекс, архитектуру и строительство, электронную промышленность, фармацевтику, геоинформатику. Значительная часть разработанных на языке EXPRESS спецификаций принята в качестве документов ISO-10303. Другая часть разрабатывается непосредственно промышленными альянсами для последующего представления в международную организацию по стандартам.

К существенным особенностям прикладных информационных моделей следует отнести:

· сложность и масштабность моделей, выражающиеся в большом количестве типов, определяемых в рамках одной информационной схемы, в применении альтернативных механизмов множественного наследования и полиморфного переопределения свойств объектных типов, а также в использовании вложенных агрегатных и селективных конструкций и двунаправленных ассоциаций;

· необходимость поддержки запросов к данным в декларативном предикативном и навигационном стилях, а также эффективную реализацию базовых операций манипулирования ими;

· широкий контекст использования моделей в приложениях, оперирующих как с данными одной многопрофильной информационной схемы, так и с данными нескольких независимых схем.

Данные особенности обуславливают поиск эффективных решений для объектно-реляционного отображения и их систематизацию для комплексного использования в конкретных прикладных контекстах.

6. Общая систематизация подходов

6.1 Классификация паттернов отображения

Независимо от особенностей применяемых подходов нам видится ряд связанных между собой аспектов отображения прикладных данных из объектно-ориентированной модели в реляционную. Прежде всего, это технические вопросы семантического отображения в реляционную метамодель базовых конструкций языка EXPRESS, а именно:

· элементарных базовых типов;

· перечислимых типов;

· ассоциативных связей между объектами;

· селективных типов;

· агрегатных типов;

· вложенных структур данных, основанных на базовых, перечислимых, ассоциативных, селективных и агрегатных типах данных;

· простых и сложных объектных типов в рамках модели множественного наследования;

· информационных схем.

Не менее существенными для практического применения являются часто противоречащие друг другу проблемы:

· выбора стратегии отображения в соответствии с контекстом использования семантики информационной модели;

· поддержки метаданных в реляционном представлении и их конструктивного применения в ходе пользовательских сессий;

· эффективности реализации объектных запросов и операций манипулирования объектами (создание, модификация, удаление);

· оптимизации используемых ресурсов, включая затраты памяти;

· сопровождаемости решений и их гибкости по отношению к возможной эволюции используемых прикладных моделей.

6.2 Отображение информационных схем

Вопрос о выборе стратегии отображения в рамках схемо-зависимого (СЗ) или схемо-независимого (СН) подходов является наиболее принципиальным для систематизации методов объектно-реляционного отображения и их адекватного применения в приложениях.

6.2.1 Схемо-независимая стратегия

Схемо-независимая стратегия ориентирована на использование единой реляционной схемы для представления произвольных прикладных данных, модели которых специфицированы на EXPRESS. Для приложений, оперирующих одновременно с несколькими перманентно изменяемыми прикладными моделями, применение схемо-независимая стратегии является наиболее предпочтительным. Сопровождение и администрирование реляционной базы данных с фиксированной системой таблиц, состав и структура которой не меняется, достаточно просты.

К издержкам стратегии следует отнести необходимость поддержки и использования словарей метаданных, без которых реализация промежуточного объектно-реляционного слоя невозможна. Сами словари также могут быть представлены в виде таблиц, хранящих информацию об исходных прикладных моделях и включенных в состав единой реляционной системы. Другим недостатком является относительно низкая эффективность выполнения базовых операций манипулирования объектами, поскольку их реализация сопряжена с необходимым дополнительным анализом сопутствующих метаданных.

6.2.2 Схемо-зависимая стратегия

Схемо-зависимая стратегия в большей степени ориентирована на приложения, оперирующие с единственной моделью данных, не изменяемой на протяжении всего жизненного цикла проекта. Организация реляционной системы в этом случае может отражать и учитывать особенности конкретной прикладной модели. Схемо-зависимая стратегией не исключается и одновременная поддержка нескольких моделей. Однако в силу сложности сопровождения и администрирования реляционных баз данных с большим количеством таблиц ее использование в этом случае может оказаться крайне обременительным.

Достоинством схемо-зависимой стратегии является возможность более эффективной реализации объектных запросов и операций манипулирования объектами за счет непосредственной адресации к таблицам с хранимыми данными, в отличие от схемо-независимой стратегии, где такая адресация осуществляется косвенно через таблицы метаданных.

Как разновидность схемо-зависимой стратегии может рассматриваться смешанная (СМ) стратегия, заключающаяся в организации системы таблиц по заданной прикладной модели при одновременном использовании словарей метаданных. При определенной избыточности в представлении данных такая стратегия обеспечивает более эффективную реализацию сложных запросов непосредственно средствами реляционной СУБД, поскольку вся необходимая метаинформация может также храниться в виде таблиц и быть доступной при обработке запросов.

6.3 Отображение наследования классов

Паттерны, предназначенные для отображения отношений простого наследования между классами, являются хорошо известными. В этой курсовой работе мы обсудим возможные варианты отображений в рамках развитой модели множественного наследования языка EXPRESS.

6.3.1 Паттерн OneInheritanceHierarchy–OneTable

Первый, наиболее простой паттерн OneInheritanceHierarchy–OneTable соответствует случаю отображения всех конкретных родственных классов, имеющих общий набор прародителей, в одну таблицу <Hierarchy>_Instances. Прародителем будем называть класс-предок, у которого нет собственных родителей.

В случае простого наследования данный паттерн трансформируется в стратегию представления конкретных классов в каждом дереве наследования одной реляционной таблицей. Атрибуты всех родственных классов, являющихся вершинами дерева, отображаются в столбцы данной таблицы. Если иерархия наследования классов в прикладной модели представлена несколькими деревьями, то каждому такому дереву будет соответствовать отдельная таблица.

В общем случае множественного наследования иерархия классов представляется набором таблиц, каждая из которых соответствует одному из сочетаний прародителей. Все атрибуты классов, объединенных единым набором прародителей, отображаются в столбцы конкретной таблицы из этого набора. Для записей объектов, в которых не определены какие-либо атрибуты, в соответствующих столбцах прописываются нулевые значения.

Достоинством паттерна является возможность эффективной реализации базовых операций над произвольными объектами без дополнительных расходов на сборку значений атрибутов из разных таблиц и их обратное распределение по ним. Также непосредственно реализуется полиморфное чтение. Единственная сложность состоит в определении типа запрашиваемых объектов. Простота поддержки и развития такой СЗ стратегии делает ее довольно привлекательной. Недостатком является излишнее потребление памяти за счет избыточного хранения нулевых значений, а иногда и необходимость индексирования большого числа столбцов для ускорения выполнения запросов по значениям отдельных атрибутов. При большой глубине наследования классов, что является типичным в научных и промышленных моделях STEP, это может оказаться критичным как для потребления памяти, так и для производительности.

6.3.2 Паттерн OneClass–OneTable

В паттерне OneClass–OneTable каждый конкретный или абстрактный классы в иерархии наследования представляются отдельной таблицей <Class>_Instances, при этом собственные атрибуты данного класса отображаются в ее столбцы. Для связи с наследуемыми атрибутами она хранит вторичные ключи соответствующих записей в таблицах родительских классов. В случае простого наследования — один вторичный ключ, в случае множественного наследования — несколько вторичных ключей, каждый из которых соответствует таблице одного из родителей.

Поскольку при множественном наследовании возможны неоднозначные ситуации, когда атрибуты одного и того же базового класса наследуются несколько раз, реализация данного паттерна сопряжена с анализом и разрешением подобных ситуаций. В языке EXPRESS допустимо лишь виртуальное наследование, при котором любые атрибуты базовых классов должны наследоваться единожды. Поэтому при анализе реконструируется основное дерево наследования, а ветви, приводящие к циклам, игнорируются в результате обнуления соответствующих вторичных ключей к записям в таблицах родительских классов. Случаи многократного наследования атрибутов обрабатываются автоматически и не требуют дополнительного анализа.

Паттерн обеспечивает хорошую производительность на операциях полиморфного чтения, однако реализация базовых операций над объектами сопряжена с расходами на сборку значений атрибутов из нескольких таблиц при чтении и их рассылку по таблицам при записи и модификации. При глубокой иерархии наследования такие издержки могут оказаться существенными.

Затраты памяти в реализации данного паттерна близки к оптимальным, поскольку хранение вторичных ключей не требует больших накладных расходов. Как элемент схемо-зависимой стратегии паттерн не обеспечивает простоту поддержки и эволюции сложных прикладных моделей с развитой иерархией наследования.

6.3.3 Паттерн OneInheritancePath–OneTable

Некоторые недостатки предыдущего паттерна компенсируются в результате сериализации таблиц классов по отношениям наследования. В паттерне OneInheritancePath–OneTable каждому конкретному классу соответствует своя таблица <Concrete_Class>_Instances, в столбцы которой отображаются все атрибуты класса, включая наследуемые от родителей.

Паттерн обеспечивает хорошую эффективность на базовых операциях чтения, записи, модификации, удаления, однако полиморфные операции оказываются достаточно дорогими, поскольку сопряжены с просмотром всех таблиц классов, наследуемых от заданного. Затраты памяти здесь оптимальны, поскольку не требуется хранение избыточных полей. Важным достоинством паттерна в ряде случаев оказывается равномерное распределение запросов и сопряженных с ними блокировок по таблицам схемы. В отличие от предыдущих паттернов наследования, в которых превалирующая нагрузка приходится на корневые таблицы прародителей, данный паттерн обеспечивает большую эффективность за счет более равномерного распределения записей.

Однако в отношении поддержки эволюции схем паттерн довольно критичен, поскольку все запросы, основанные на полиморфных операциях, требуют модификации с учетом каждого нового наследуемого класса, включаемого в прикладную модель.

6.3.4 Паттерн AllClasses–OneTable

Паттерн AllClasses–OneTable предполагает использование единой таблицы Instances для представления дескрипторов объектов всех классов. В столбцах таблицы хранятся идентификатор объекта и его тип. Контекст использования паттерна связан с представлением атрибутов классов в виде самостоятельных таблиц. В этом случае связь между таблицами экземпляров классов и значений их атрибутов осуществляется через внешние ключи записей объектов (см. раздел 6.4.2.2). Предполагается, что значения атрибутов одного и того же типа хранятся в единой таблице независимо от их вхождения в состав того или иного класса. Тем самым достигается существенная для схемо-независимой стратегии инвариантность реляционной схемы по отношению к прикладным моделям. Связь простого объекта с его классом осуществляется через внешний ключ записи в таблице классов Entities (см. раздел 6.5). Для сложных объектов предусмотрен внешний ключ записи в соответствующей таблице сложных классов Complex_Entities.

6.3.5 Паттерн BLOB

Паттерн BLOB также предполагает использование единой таблицы BLOB Instances для представления объектов всех классов. Однако в отличие от паттерна AllClasses–OneTable в данной таблице используется дополнительный столбец для хранения значений атрибутов, упакованных в бинарную или текстовую строку переменной длины. Задача упаковки значений в строку и их распаковки для клиентских приложений ложится непосредственно на промежуточный слой программного обеспечения. Хотя чтение и запись данных объекта осуществляются за одну операцию обращения к таблице, дополнительные расходы приходятся на обработку строк промежуточным слоем. По существу в этом случае BLOB стратегия объединяет в себе паттерны наследования, агрегации и ассоциации.

Возможны разновидности данного паттерна, связанные с различными способами представления строки значений атрибутов как в бинарном формате, так и в одном из текстовых метаформатов. В частности, применительно к метамодели EXPRESS стандарт STEP определяет формат текстового кодирования прикладных данных (ISO-10303-21) и несколько альтернативных способов XML разметки документов (ISO-10303-28), порождаемых соответствующей прикладной моделью данных, специфицируемой на языке EXPRESS.

Главным недостатком BLOB паттерна является невозможность разрешения запросов и реализации объектных операций непосредственно средствами реляционной СУБД. В данном случае она играет роль простого хранилища, а эти функции выполняет промежуточный слой. Как паттерн схемо-независимой стратегии он не требует больших затрат на поддержку реляционной схемы при эволюции прикладной модели, поскольку связанные с этими изменениями функции затрагивают лишь промежуточный слой.

6.4 Отображение атрибутов

Атрибуты классов представляются либо столбцами соответствующих таблиц объектов классов, либо самостоятельными таблицами. Как и в случае паттернов отображения классов, альтернативы представления атрибутов во многом определяются применяемой схемо-зависимой или схемо-независимой стратегией объектно-реляционного отображения. Рассмотрим их, следуя введенной классификации паттернов отображения атрибутов простых, селективных, агрегатных типов и ассоциаций.

6.4.1 Представление простых типов

Соответствие базовых типов языка EXPRESS типам данных в SQL достаточно прозрачно. В таблицу 1 сведены базовые типы EXPRESS и возможные способы их представления в некоторых популярных коммерческих и свободно распространяемых реляционных СУБД.

Таблица 1. Соответствие базовых типов EXPRESS и SQL в реляционных СУБД

Помимо указанных вариантов представления точности числовых значений и ограничений длины строковых и двоичных переменных, важные отличия затрагивают способы представления атрибутов типа BOOLEAN, LOGICAL и ENUMERATION. С точки зрения семантики языка EXPRESS значения этих типов упорядочены, и для них определены операции сравнения. Поэтому, если предполагается реализация запросов с использованием подобных операций, более предпочтительным выглядит представление переменных этих типов как целых чисел. В этом случае функция интерпретации значений в терминах исходной прикладной модели возлагается на промежуточный программный слой, возможно, с использованием словарей метаданных. Значения, представленные в виде символьных строк, интерпретируются непосредственно клиентскими приложениями. Средствами СУБД может контролироваться также и корректность данных, для чего должны быть наложены соответствующие ограничения на область допустимых значений.

6.4.2 Отображение атрибутов простых типов

6.4.2.1 Паттерн Attribute–Column

Реализация паттерна представления атрибутов простых типов в виде столбцов соответствующих таблиц объектов довольно прозрачна и естественна для применения в рамках схемо-зависимой стратегии. В этом случае каждая таблица объектов классов включает в себя соответствующий столбец для представления значений простого атрибута. Тип столбца определяется возможными вариантами представления базовых типов языка EXPRESS, рассмотренными в предыдущем разделе. В качестве имени столбца могут быть выбраны либо имя атрибута, уникальное в пределах класса, либо конкатенация имен класса и атрибута, уникальная в пределах информационной схемы.

6.4.2.2 Паттерн Attribute–Table

Данный паттерн предполагает использование самостоятельных таблиц для представления простых однотипных атрибутов. Его применение возможно лишь в рамках схемо-независимой и смешанной стратегий с одновременным использованием таблиц метаданных. Привязка значений атрибутов к дескрипторам объектов осуществляется по внешним ключам записей объектов в таблице Instances, представленным в таблицах атрибутов. Для идентификации хранимых величин как значений атрибутов определенных классов в них также хранятся внешние ключи записей метаинформации о соответствующих атрибутах в таблице Attributes в составе системы таблиц метаданных.

Независимо от принадлежности различным классам значения однотипных атрибутов хранятся в одной таблице. Для представления всех атрибутов простых типов, допускаемых метамоделью языка EXPRESS, в общей реляционной схеме достаточно иметь фиксированный набор из шести таблиц: Integer_Attributes, Real_Attributes, Logical_Attributes, String_Attributes, Binary_Attributes и Enum_Attributes. Предполагается, что в схеме хранения данные типа NUMBER всегда представимы типом REAL, а данные типа BOOLEAN — типом LOGICAL.

6.4.3 Отображение ассоциаций

Язык EXPRESS допускает определение разного рода ассоциативных отношений между классами, отличающихся как по типу, так и по кратности. Ассоциации однонаправлены в том смысле, что ассоциируемый объект может быть получен по соответствующей ссылке из объекта, содержащего ассоциативную связь. Вместе с тем, допускается задание двунаправленных связей с помощью определения обратных атрибутов (INVERSE) в ассоциируемом классе. При определении прямой и обратной ассоциации допустимо указание диапазона кратности связи как ограничения, налагаемого на количество объектов, участвующих в ней как со стороны ассоциируемых, так и со стороны ассоциирующих объектов.

Ассоциации “один-к-одному” реализуются как простые атрибуты, имеющие тип объектной ссылки. Ассоциации “один-ко-многим” представляются средствами языка как агрегаты простых ассоциативных отношений. Ассоциации вида “многие-ко-многим” непосредственно конструкциями языка не поддерживаются, однако могут быть представлены в прикладной модели в виде дополнительных объектов, через которые на основе множественных ассоциаций могут быть установлены требуемые отношения между прикладными объектами.

Рассмотрим задачу отображения множественных ассоциаций вида “один-ко-многим” как наиболее типовой случай, к которому могут быть непосредственно редуцированы ассоциации “один-к-одному” и “многие-ко-многим”. Видятся три наиболее содержательных случая представления ассоциаций и соответствующих им паттерна отображения.

6.4.3.1 Паттерн ForeignKeyAssociation

Данный паттерн применим к прямым множественным ассоциациям при условии, что соответствующая обратная ассоциация является простой. Иными словами, с каждым объектом, участвующим в связи, может быть ассоциировано некоторое множество объектов. Однако каждый объект таких множеств может участвовать только в одной обратной ассоциации этой связи. Паттерн реализуется в рамках схемо-зависимой стратегии путем включения в таблицу ассоциированного класса <Associated_Class> (класса, на который содержится ссылка в классе ассоциации) внешнего ключа на таблицу <Associating_Class>. Имя ключа может соответствовать имени связи в соответствующей спецификации <Associating_Class>. В случае упорядоченных множественных ассоциаций (LIST или ARRAY OF ENTITY) может потребоваться дополнительный столбец в таблице <Associated_Class> для хранения индекса ассоциации. Если связь реализуется как элемент вложенной агрегатной конструкции, то в данной таблице предусматривается необходимое число столбцов индексов для каждого из упорядоченных множеств, участвующих в ней. Аналогично, если связь реализуется как элемент селективной конструкции, то в таблицу добавляется соответствующий столбец для представления дискриминатора. Более подробно эти случаи описаны в паттернах отображения селективных и агрегатных конструкций.

Чтение ассоциирующего объекта реализуется посредством одной операции соединения или двух операций запроса к таблицам <Associated_Class> и <Associating_Class>, один из которых является множественным. Запись объекта также сопряжена с множественной операцией модификации внешних ключей в записях ассоциированных объектов. Затраты памяти в реализации паттерна близки к оптимальным, поскольку издержки приходятся лишь на хранение дополнительного внешнего ключа, а иногда и индекса ассоциации в таблице <Associated_Class>, для каждой связи, в которой ассоциируемый класс участвует.

6.4.3.2 Паттерн ClassAssociation

Данный паттерн позволяет непосредственно представить множественные ассоциативные отношения в результате использования отдельной таблицы в рамках схемо-зависимой стратегии. Такая таблица <Class1>_<Class2>_Associations создается для каждой пары классов, участвующих в ассоциативной связи, и содержит пары внешних ключей записей в таблицах классов ассоциируемых и ассоциирующих объектов.

В отличие от предыдущего, данный паттерн обеспечивает представление произвольных ассоциативных отношений, не ограниченных кратностью обратных ассоциаций.

6.4.3.3 Паттерн GenericAssociation

Данный паттерн соответствует схемо-независимой стратегии. Он реализует идею унифицированного представления всех видов ассоциаций, участвующих в прикладной модели, одной таблицей Associations. Ассоциативные связи в таблице устанавливаются через ссылки на дескрипторы прикладных объектов в таблице Instances в виде внешних ключей соответствующих записей в ней. Поскольку для реализации схемо-независимой стратегии важна привязка элементов данных к прикладной модели, для каждой ассоциации в таблице Associations хранится также ссылка на метаинформацию о соответствующем атрибуте, представленную в таблице Attributes. Если ассоциация устанавливается как элемент агрегатной или селективной конструкции, то указывается также ссылка на соответствующую запись в таблицах Aggregates или Selections. Таким образом, таблица Associations хранит множество записей обо всех видах ассоциаций прикладных данных, контексте их использования в составе агрегатных или селективных конструкций и их привязке к прикладной информационной модели, представимыми соответствующими таблицами метаданных.

6.4.4 Отображение селективных типов

Поскольку селективные типы данных в языке EXPRESS по существу являются альтернативным представлением других базовых типов, паттерны их отображения тесно связаны с соответствующими паттернами отображения тех базовых типов, на которых они основаны. Важно отметить, что селективные типы могут быть основаны на простых типах данных, ассоциативных типах, агрегатах различного вида и на ранее предопределенных селективных типах иной организации. Дискриминатор установки селективного элемента данных в одно из альтернативных состояний в реляционной схеме представим столбцом в таблице хранения значений атрибутов объектов. Тип столбца дискриминатора соответствует рассмотренным способам отображения данных перечислимого типа ENUMERATION (см. раздел 6.4.1). А способ представления самого состояния элемента определяется одним из паттернов отображения атрибутов базовых типов. Поскольку в качестве базовых могут выступать пользовательские типы данных, эквивалентные с точки зрения способов представления в реляционной схеме, то для исключения избыточности и минимизации затрат памяти целесообразно выделить подмножество неэквивалентных базовых типов и предусмотреть способы их адекватного реляционного представления. При этом дискриминатор селективного элемента позволит однозначно идентифицировать, в каком именно состоянии хранимые данные находятся.

Удобно различать два встречаемых на практике случая определения селективного типа. Первый случай соответствует селективным типам, базируемым только на простых и ассоциативных типах данных, учитывая возможный вложенный характер составных типов. Второй общий случай охватывает все возможные варианты определения селективного типа на основе произвольной комбинации базовых, в том числе и с участием агрегатов.

6.4.4.1 Паттерн Select–Columns

Данный паттерн применим к отображению атрибутов селективных типов, относящихся к первому случаю. В реляционной схеме селективный элемент такого вида представляется набором столбцов в таблице объектов класса. Один из столбцов резервируется для хранения дискриминатора селективных элементов. А остальные используются для хранения всех возможных альтернативных неэквивалентных состояний самих селективных данных. В случаях, когда селективный тип является составным вложенным, в таблице резервируется необходимое число столбцов под дискриминаторы для каждого вложенного селективного типа, участвующего в определении составного типа, и под каждое неэквивалентное состояние, в котором селективные данные могут находиться.

Достоинством данного паттерна является возможность эффективной реализации базовых операций над объектами с участием атрибутов селективного типа путем непосредственной адресации к таблице объектов. Он может использоваться в сочетании со всеми рассмотренными выше паттернами отображения классов в рамках схемо-зависимой стратегии.

6.4.4.2 Паттерн ClassSelect

В тех случаях, когда в определении атрибута селективного типа участвуют агрегатные конструкции, применение рассмотренного выше паттерна является проблематичным и возникает необходимость представления значений атрибута класса отдельной таблицей <Class>_<Attribute>_Select. Организация данной таблицы повторяет структуру столбцов в предыдущем паттерне отображения за исключением того, что резервируются дополнительные столбцы для хранения индексов элементов агрегатов, участвующих в определении селективного типа. Число столбцов, необходимое для этого, определяется максимальной глубиной вложенности используемых конструкций упорядоченных агрегатов. Для связи с объектами используется ссылка из таблицы <Class>_<Attribute>_Select на соответствующую таблицу объектов классов в виде внешнего ключа записей в ней.

По сравнению с предыдущим паттерном для реализации базовых операций над объектами возникает необходимость доступа к нескольким таблицам, однако при этом он охватывает наиболее общий случай определения атрибутов произвольного селективного типа. Отметим, что вспомогательные операции со значениями селективных атрибутов выполняются достаточно эффективно, поскольку в таблице хранятся только значения, соответствующие одному атрибуту (или нескольким однотипным атрибутам) одного класса. Однако число реляционных таблиц при отображении масштабных прикладных моделей может быть значительным с учетом повторяемости используемых селективных типов в определениях классов.

6.4.4.3 Паттерн HierarchySelect

Настоящий паттерн устраняет отмеченный выше недостаток за счет использования одной таблицы для каждого селективного типа, встречаемого в определении самостоятельной иерархии наследования классов. Однако контекст его использования ограничивается единственным паттерном отображения классов OneInheritanceHierarchy–OneTable. Организация таблицы для каждого селективного типа повторяет предыдущий случай. Для связи с объектами используется внешний ключ записей объектов в таблице <Hierarchy>_Instances. Данный паттерн позволяет существенно сократить число таблиц, необходимых для реляционного представления масштабных прикладных моделей, за счет хранения однотипных селективных данных в единых таблицах. Их размер естественно возрастает, что приводит к замедлению операций работы с хранимыми селективными данными, однако общее число таблиц, критичное для большинства современных реализаций реляционных СУБД, снижается.

6.4.4.4 Паттерн GenericSelect

Данный паттерн предоставляет типовое обобщенное решение для реляционного представления произвольных атрибутов селективного типа. Он применяется в сочетании с паттерном отображения классов AllClasses–OneTable в рамках схемо-независимой стратегии.

Таблица Selections хранит записи дескрипторов селективных данных, включая их дискриминаторы и ссылки на объекты в таблице Instances, атрибутами которых они являются. Сами данные хранятся в таблицах представления простых типов Integer_Elements, Real_Elements, String_Elements, Binary_Elements, Logical_Elements, Enum_Elements и в таблице ассоциаций Associations.

Возможны случаи, когда сами селективные данные являются элементом другой родительской селективной или агрегатной конструкции. Для этого в таблице дескрипторов Selections предусмотрены ссылки на соответствующие родительские селективные и агрегатные элементы данных в виде столбцов внешних ключей записей в таблицах Selections и Aggregates. Такая организация таблиц позволяет представить вложенные конструкции, составленные из данных произвольных типов. Для получения метаинформации о селективном элементе в таблице Selections также хранятся ссылки на соответствующие записи в таблице метаданных Attributes.

6.4.5 Отображение агрегатов

Паттерны отображения атрибутов агрегатных типов в реляционную схему во многом аналогичны паттернам представления селективных типов. Основные отличия затрагивают необходимость представления размерности агрегата вместо дискриминаторов в случае селективных элементов, а также организации специальных таблиц для хранения значений агрегируемых элементов, а также и их индексов в случае упорядоченных множеств и мультимножеств. Число столбцов, необходимое для представления размерности агрегата, определяется глубиной вложенности агрегатных конструкций. Число столбцов, необходимое для представления индексов агрегируемых элементов, определяется глубиной вложенности упорядоченных агрегатов. Организация столбцов для представления значений самих элементов определяется их типом. Для простых типов данная организация тривиальна. Для элементов селективного типа организация столбцов следует описаниям рассмотренных выше паттернов.

В отношении способов представления вложенных типов данных, в том числе основанных на предопределенных конструкциях, паттерны отображения селективных и агрегатных типов довольно близки. Паттерны ClassAggregate и HierarchyAggregate предназначены для использования с паттернами отображения классов OneClass–OneTable, OneInheritancePath–OneTable и OneInheritanceHierarchy–OneTable в рамках схемо-зависимой стратегии. Паттерн GenericAggregate применяется вместе с паттерном AllClasses–OneTable, соответствуя СН стратегии отображения.

6.4.5.1 Паттерн ClassAggregate

Данный паттерн предполагает организацию специальных столбцов для хранения размерностей агрегата непосредственно в таблице объектов класса, а также создание отдельной таблицы <Class>_<Attribute>_Aggregate для хранения значений и индексов элементов агрегата. Такая таблица создается для каждого агрегатного атрибута каждого класса. Для связи с объектами используется ссылка из <Class>_<Attribute>_Aggregate на соответствующую таблицу объектов классов в виде внешнего ключа записей в ней.

Паттерн охватывает наиболее общий случай определения атрибутов произвольного агрегатного типа. При этом число реляционных таблиц при отображении масштабных прикладных моделей обычно велико с учетом повторяемости эквивалентных агрегатных типов в определениях классов.

6.4.5.2 Паттерн HierarchyAggregate

Настоящий паттерн уменьшает число таблиц, необходимых для представления агрегатных данных за счет использования одной таблицы для каждого агрегатного типа, встречаемого в определении самостоятельной иерархии наследования классов. Размер таких таблиц при этом увеличивается, что приводит к замедлению операций работы с хранимыми агрегатными данными, однако общее число таблиц, критичное для большинства современных реализаций реляционных СУБД, снижается. Контекст использования паттерна ограничивается соответствующей схемой отображения классов OneInheritanceHierarchy–OneTable. Для связи с объектами используется внешний ключ записей объектов в таблице <Hierarchy>_Instances.

6.4.5.3 Паттерн GenericAggregate

Данный паттерн предоставляет типовое решение для обобщенного реляционного представления произвольных атрибутов агрегатного типа. Он применяется в сочетании с паттерном отображения классов AllClasses–OneTable в рамках схемо-независимой стратегии.

Таблица Aggregates хранит записи дескрипторов агрегатных данных, включая их размерности и ссылки на объекты в таблице Instances, атрибутами которых они являются. Таблица является родительской для элементов агрегата, хранящихся в других таблицах Integer_Elements, Real_Elements, String_Elements, Binary_Elements, Logical_Elements, Enum_Elements и Associations. В свою очередь, каждая запись в таблице Aggregates может иметь ссылку на запись в этой же таблице, если агрегат является элементом, вложенным в другой родительский агрегат, а также хранить соответствующий индекс в нем. Если агрегат является одним из значений селективного типа, то он ссылается на соответствующую родительскую конструкцию, представляемую записью в таблице Selections. В остальных случаях записи таблицы Aggregates ссылаются на соответствующие записи в таблице Attributes для получения метаинформации об агрегатном атрибуте.

6.5 Отображение метаданных

Для представления метаданных в рамках схемо-независимой и смешанной стратегий объектно-реляционного отображения необходимо предусмотреть специальную систему таблиц, которая в свою очередь может рассматриваться как результат отображения объектно-ориентированной метамодели языка EXPRESS на реляционную модель. Поскольку полная метамодель языка EXPRESS довольно сложна, а объектно-реляционное отображение допускает множество реализаций, в том числе на основе вышеописанных паттернов, ограничимся рассмотрением следующего возможного варианта организации таблиц. Система таблиц, позволяет представить необходимую метаинформацию об EXPRESS схеме, ее составе в виде определяемых простых и объектных типов данных и организации атрибутов в классах объектов. Допустимы расширения реляционной схемы, обеспечивающие представление различного рода ограничений, допускаемых языком EXPRESS.

Таблица Schemas предназначена для представления информационных схем языка EXPRESS, зарегистрированных в реляционной базе данных. Она хранит первичные ключи записей и уникальные имена схем. Defined_Types — это таблица простых типов данных, определяемых пользователем, которая хранит первичный ключ типа, его имя, а также ссылку на базовый тип в виде внешнего ключа записи в этой же таблице. Одиннадцать предопределенных типов, соответствующих семи элементарным типам языка EXPRESS, обобщенным ассоциативному и перечисляемому типам, а также селективному и агрегатному супертипам, заносятся заранее при инициализации таблицы. Предопределенные типы являются листьями в дереве иерархии сложных типов, рекурсивно определяемых пользователем и заносимых в данную таблицу в виде отдельных записей. Defined_Types_To_Schemas — это таблица соответствия определяемых типов данных конкретным схемам. Связь между пользовательским типом и информационной схемой устанавливается через отдельную таблицу, а не через внешний ключ в таблице Defined_Types, поскольку один и тот же тип может включаться в разные схемы, если в спецификации на языке EXPRESS для него определены директивы импорта. Таблица хранит внешние ключи определяемых пользователем типов и соответствующих им информационных схем. Пара внешних ключей «тип–схема» формирует составной первичный ключ записи в таблице Defined_Types_To_Schemas, чем контролируется уникальность включения типа в одну и ту же схему.

Для детального описания перечислимых, селективных и агрегатных типов дополнительно используются таблицы Enumeration_Constants, Select_Types и Aggregate_Types. Таблица Enumerations_Constants содержит списки возможных значений для каждого перечислимого пользовательского типа. Ее столбцы хранят символьные значения перечислимого типа и внешний ключ соответствующей записи типа в таблице Defined_Types. Аналогичным образом, таблица Select_Types представляет списки базовых типов, входящих в определение каждого конкретного селективного типа, в виде внешних ключей записей типов в таблице Defined_Types. В столбцах таблицы агрегатных типов Aggregate_Types содержится информация о типе агрегата (ARRAY, LIST, SET или BAG), базовом типе его элементов в виде внешнего ключа соответствующей записи в таблице Defined_Types, разрешенных значениях нижней и верхней границ агрегата, признаках допустимости наличия уникальных и неопределенных элементов.

Таблица классов Entities предназначена для представления объектных типов информационной схемы, зарегистрированной в базе данных. Ее столбцы хранят первичные ключи записей и уникальные имена сущностей. Аналогично определяемым типам, привязка классов к схеме осуществляется через отдельную таблицу соответствия Entities_To_Schemas. Для реконструкции отношений наследования между классами используется таблица Inheritance_Relations, в которой данные отношения представлены парами внешних ключей записей классов родителей и потомков в таблице Entities. Поскольку язык EXPRESS допускает множественное наследование с признаками AND или ANDOR, важно иметь альтернативное представление иерархии наследования в виде множеств всех родительских классов, данные которых включаются в конструируемые объекты сложных классов. Для этой цели используется таблица Complex_Entities. Для единообразия обработки объектов простые классы также представляются записями этой таблицы. Таблица Complex_Entities_To_Entities хранит все соответствия сложных классов родительским классам в виде пары внешних ключей записей в таблицах Complex_Entities и Entities.

Наконец, таблица атрибутов Attributes содержит столбцы для представления имени атрибута, класса, в котором данный атрибут определяется (или переопределяется), в виде соответствующего внешнего ключа записи в таблице Entities, типа атрибута в виде внешнего ключа записи в таблице Defined_Types, признака обязательности значений и контекста использования (EXPLICIT, DERIVED или INVERSE).

В заключение отметим, что приведенная схема достаточно удобна для реализации промежуточного объектно-реляционного слоя в рамках схемо-независимой и смешанной стратегий непосредственно средствами реляционной СУБД. Вместе с тем, возможен ряд ее модификаций, связанных с иными способами реляционного представления метамодели EXPRESS путем использования альтернативных паттернов отображения прикладных объектно-ориентированных моделей, рассмотренных выше.

7. Реализация промежуточного объектно-реляционного слоя в

среде Oracle 9

В настоящее время в рамках проекта создания программной платформы для интеграции приложений ведется разработка промежуточного объектно-реляционного слоя общего назначения. Объектно-реляционный слой предназначен для работы с произвольными прикладными объектно-ориентированными данными, модели которых описаны на языке EXPRESS.

Для интегрируемых приложений объектно-реляционный слой предоставляет программные объектно-ориентированные интерфейсы доступа к прикладным данным на некоторых популярных языках реализации). Организация этих интерфейсов следует перечисленным выше принципам прозрачного манипулирования хранимыми данными, декларируемым Манифестом объектно-ориентированных баз данных. Интерфейсы предоставляют функционально развитый набор операций для манипулирования хранимыми и временными объектами, включая операции создания, модификации, удаления объектов, навигации по их однонаправленным и двунаправленным ассоциативным связям и выборки объектов на основе языка запросов. Запросы базируются на конструкции QUERY языка EXPRESS, позволяющей задать произвольный предикат на множестве объектов и отобрать те из них, которые удовлетворяют условию данного предиката. Интерфейсы предусматривают несколько пессимистических и оптимистических моделей транзакций с различными способами изоляции на уровне отдельных прикладных объектов и самостоятельных объектных популяций, содержательных для коллективных пользовательских сессий и участвующих в них приложений.

По спецификации данные интерфейсы совместимы с соответствующими частями международного информационного стандарта по интероперабельности STEP и поэтому обеспечивают интегрируемость широкого класса унаследованных и вновь создаваемых программных систем научного и промышленного назначения.

В качестве хранилища данных реализация объектно-реляционного слоя предусматривает использование реляционных СУБД со схемами, основанными на рассмотренных выше паттернах объектно-реляционного отображения. При этом функции по управлению транзакциями, разрешению запросов, контролю целостности данных, управлению версиями и контролю прав доступа распределяются между сервером объектно-реляционного слоя, через который непосредственно взаимодействуют приложения, и реляционной СУБД, выступающей в роли вторичного хранилища данных.

Важнейшими функциями, реализуемыми непосредственно средствами реляционной СУБД, являются операции манипулирования хранимыми объектами и выполнения простых объектных запросов. С этой целью на языке PL/SQL разрабатываются пакеты программ, эмулирующие объектно-ориентированные интерфейсы доступа к данным путем предоставления функциональных средств для создания, модификации, поиска и удаления объектов. Поскольку полная поддержка объектного языка запросов средствами реляционной СУБД представляется проблематичной с учетом разнообразия императивных конструкций языка EXPRESS, пакеты программ выполняют простейшие виды запросов на основе хранимых объектных идентификаторов (PID), объектных типов и навигационных маршрутов в виде графов переходов по ассоциативным связям типизированных объектов. Поддерживая кэширование объектов, посредник в ряде случаев разрешает запросы самостоятельно, а иногда переадресовывает их реляционной СУБД. При этом происходит редукция клиентского запроса, представленного в общей форме, к запросу упрощенного вида, расширяющего множество объектов и выполнимого пакетом программ реляционной СУБД. Результаты затем обрабатываются посредником с целью исключения объектов, полученных в результате интерпретации упрощенного запроса и не удовлетворяющих исходному.

Поскольку выбор стратегии отображения для реализации объектно-реляционного слоя подобной функциональности крайне неоднозначен с учетом разнообразия потенциальных приложений, предполагается реализация и поддержка нескольких альтернативных стратегий, а именно: схемо-независимого, схемо-зависимого и BLOB подходов. Они базируются на тех или иных сочетаниях рассмотренных выше паттернов ОР отображения и используют собственные пакеты программ на PL/SQL для реализации базовой функциональности объектно-реляционного слоя. Хотя все пакеты реализуют семантически эквивалентные наборы операций для манипулирования объектами и их поиска, их внешние интерфейсы не допускают унификацию в силу ограниченных возможностей языка SQL при формировании клиентских запросов со стороны объектно-реляционного посредника для специфических реляционных схем представления объектно-ориентированных моделей данных. Для адаптации посредника к иным объектно-реляционным стратегиям в его архитектуре предусмотрены специальные компоненты-адаптеры, обеспечивающие требуемую виртуализацию хранилищ данных. Каждый адаптер реализуется с учетом специфики конкретного ОР отображения.

В качестве целевой платформы реализации промежуточного объектно-реляционного слоя выбрана СУБД Oracle9.

7.1 Схемо-независимая стратегия

Разработанная схемо-независимая стратегия состоит в применении обобщенных паттернов AllClasses–OneTable, Attribute–Table, GenericAssociation, GenericSelect, GenericAggregate для отображения схем, классов и атрибутов, а также паттерна представления соответствующих метаданных прикладной модели реляционными таблицами.

Реализованные в среде Oracle9 PL/SQL пакеты обеспечивают выполнение всего базового набора операций с хранимыми объектно-ориентированными данными и запросов к ним. Обобщенная, независимая от конкретных прикладных моделей реализация PL/SQL процедур и функций основана на совместном одновременном использовании данных и метаданных, хранимых в системах таблиц в соответствии с перечисленными паттернами отображения. Приведем описание основных пакетных методов для объектно-реляционного отображения в качестве иллюстрации схемо-независимой стратегии.

Пакет lb_defined_types для работы с метаинформацией о пользовательских типах данных, определенных EXPRESS схемой:

· procedure Register_Defined_Type – регистрация в базе данных пользовательского типа схемы;

· procedure Save_Enum_Type – сохранение метаданных для перечислимого типа;

· procedure Save_Select_Type – сохранение метаданных для селективного типа;

· procedure Save_Aggregate_Type – сохранение метаданных для агрегатного типа;

· function Get_Type – выдача метаинформации о пользовательском типе данных.

Пакет lb_entity предназначен для работы с метаинформацией, относящейся к объектным типам EXPRESS схемы:

· function Register_Entity – регистрация объектного типа схемы;

· procedure Save_Attribute – сохранение метаданных для атрибута, определяемого в регистрируемом объектном типе;

· procedure Save_Inheritance_Relations – сохранение информации о подтипах и супертипах регистрируемого объектного типа;

· function Add_Entity_From_Schema – экспортирование информации об объектном типе из другой схемы;

· function Get_Entity – выдача метаинформации об объектном типе;

· function Get_Attribute – выдача метаинформации об атрибуте, определяемом в объектном типе схемы.

Пакет lb_instance предназначен для работы с данными: занесения данных в базу, а также для извлечения данных из нее на основе запросов:

· function Init_Instance – инициация сохранения объекта;

· procedure Init_Attribute_List – инициация сохранения значений атрибутов объекта;

· procedure Put_Simple_Attribute_{R, I, S, B, L, E} – сохранение значения атрибута вещественного, целочисленного, символьного, бинарного, логического, перечислимого типа, соответственно;

· procedure Put_Association – сохранение значения атрибута ассоциативного типа;

· function Put_Aggregate – инициация сохранения элементов агрегата;

· function Put_Select – инициация сохранения селективного элемента;

· procedure Put_Element_{R, I, S, B, L, E} – сохранение значения элемента агрегатной или селективной конструкции вещественного, целочисленного, символьного, бинарного, логического, перечислимого типа, соответственно;

· procedure Get_Instances_By_ID – выборка объектов по заданным идентификаторам;

· procedure Get_Instances_By_Type – выборка объектов по заданному типу;

· procedure Get_Instances_By_Route – выборка объектов по заданному навигационному маршруту;

· procedure Add_Route_Path – метод формирования навигационного маршрута;

· procedure Get_All_Instances – выборкавсехобъектов;

· procedure Delete_Instances – удаление объектов по заданным идентификаторам.

До начала работы с прикладными данными соответствующие таблицы метаданных должны быть проинициализированы. С этой целью разработан CASE инструмент, позволяющий автоматически сгенерировать скрипт инициализации соответствующих таблиц на языке PL/SQL по заданной EXPRESS спецификации прикладной модели. Фрагмент данного скрипта для информационной схемы ActorResource представлен ниже.

При непосредственной работе с данными адаптер схемо-независимой стратегии осуществляет динамическую трансляцию базовых операций манипулирования объектами того или иного типа в соответствующую последовательность вызовов PL/SQL функций и процедур. На следующем примере можно проследить логику генерации подобных последовательностей. Аналогичным образом реализуются операции модификации, удаления и поиска объектов на основе хранимых идентификаторов, объектных типов и маршрутов навигации.

7.2 Схемо-зависимая стратегия

Альтернативу рассмотренному способу реализации объектно-реляционного отображения составляет разработанный вариант схемо-зависимой стратегии, основанный на использовании паттернов отображения классов и атрибутов OneInheritancePath–OneTable, Attribute–Column, ClassAssociation, ClassSelect и ClassAggregate. Данный вариант представляет собой попытку оптимизировать реляционную схему для наиболее эффективной работы с данными внутри одной прикладной модели. Подобная постановка задачи возникает довольно часто на практике и представляет интерес для приложений, оперирующих с одной, возможно масштабной, междисциплинарной прикладной моделью. Указанное сочетание паттернов отображения приводит к большому количеству таблиц, требуемых для адекватного представления объектно-ориентированных данных. Однако при этом оно обеспечивает более эффективную реализацию базовых операций манипулирования объектами. Паттерн OneInheritancePath–OneTable использует преимущества сериализованного представления атрибутов конкретных классов и упрощает компоновку наследуемых атрибутов для объектов выбранных типов. Перечисленные паттерны отображения исключают многоуровневую косвенную адресацию при доступе к таблицам атрибутов и обеспечивают высокую эффективность реализации вспомогательных операций сборки значений из таблиц атрибутов при чтении объектов и их рассылку по соответствующим таблицам при записи и модификации объектов.

Реализация адаптера посредника для схемо-зависимой стратегии существенно отличается от реализации схемо-независимой стратегии. Во-первых, реляционная схема для СУБД генерируется соответствующим CASE инструментом для каждой прикладной модели, специфицированной на языке EXPRESS. Ниже представлен фрагмент описания такой схемы на языке SQL для прикладной модели ActorResource, приведенной ниже. Во-вторых, одновременно со схемой генерируются исходные тексты пакета процедур на языке PL/SQL для манипулирования объектами данной прикладной модели. Каждая процедура пакета ориентирована на работу с объектами определенного типа и имеет специфический для него интерфейс. Поддержка подобных хранимых процедур со стороны реляционной СУБД существенно упрощает реализацию адаптера для посредника и позволяет повысить эффективность его работы за счет компиляции соответствующих директив манипулирования объектами в среде самой СУБД. В-третьих, не требуется какая-либо работа с метаданными, поскольку организация таблиц данных следует структурным особенностям прикладной информационной модели и позволяет явно адресоваться к ним при работе.

7.3 BLOB стратегия

Наконец, третий разработанный вариант реализации адаптера основан на применении BLOB&Text&XML_Encoding паттернов для реляционного представления объектов классов и их атрибутов. Этот вариант воспроизводит упрощенную схему СН стратегии за счет упакованного представления значений атрибутов объекта в виде бинарной или текстовой строки. Сами строки хранятся как элементы записей в таблице объектов BLOB_Instances. Как следствие, таблицы представления простых и сложных атрибутов отсутствуют. Модифицированная таблица Associations хранит ассоциации всех видов и используется для реализации навигационных запросов по ним. Из таблиц метаданных поддерживаются лишь Schemas, Entities, Entities_To_Schemas, Inheritance_Relations, Complex_Entities и Complex_Entities_To_Entities, записи которых воспроизводят отношения наследования классов в прикладной модели и используются для реализации запросов по типам объектов. Соответствующий CASE инструмент позволяет сгенерировать скрипт инициализации таблиц метаданных по спецификации прикладной информационной модели на языке EXPRESS.

Разработанный на языке PL/SQL пакет процедур предоставляет базовый набор операций манипулирования объектами и их поиска по идентификаторам, типам и навигационным маршрутам в рамках BLOB стратегии. Поскольку значения атрибутов объекта представлены в БД единой строкой, функции по упаковке и распаковке строк целиком ложатся на адаптер посредника. В силу этой же причины в рамках BLOB стратегии невозможно выполнение более тонких запросов на основе атрибутных свойств объектов непосредственно средствами СУБД.

8. Рекомендации использования

Таким образом, на основе выделенных паттернов проведена систематизация методов объектно-реляционного отображения. Паттерны отображения информационных схем, классов, атрибутов, метаданных и их сочетания приводят к существенным различиям в организации реляционных таблиц и способах реализации промежуточного объектно-реляционного слоя. Получаемые решения обладают разной степени эффективностью, гибкостью и адаптируемостью к изменениям и развитию прикладных моделей.

Так, приведенный пример реализации схемо-независимой стратегии объектно-реляционного отображения, основанный на фиксированной системе таблиц, может быть рекомендован для использования в приложениях, оперирующих одновременно с несколькими перманентно изменяемыми моделями либо с масштабными промышленными моделями, включающими тысячи классов. Однако эффективность выполнения запросов, а также базовых операций манипулирования объектами при использовании данной стратегии оказывается низкой, поскольку их реализация связана с необходимостью дополнительного анализа таблиц метаданных, а также сборки значений атрибутов объектов из нескольких таблиц при чтении и их обратной рассылки по таблицам при записи.

Частично компенсировать данные недостатки, а также сократить количество необходимых реляционных таблиц позволяет упрощенный вариант реализации схемо-независимой стратегии, основанный на представлении значений атрибутов, упакованных в единую бинарную или текстовую строку (BLOB) и хранимых как элементы записей в таблице объектов. Недостатком данной стратегии является невозможность непосредственной реализации запросов и базовых операций манипулирования объектами средствами самой СУБД. Вся нагрузка здесь ложится на промежуточный слой, выполняющий операции упаковки/распаковки строк со значениями атрибутов. Реализованный вариант BLOB стратегии, описанный в настоящей статье, позволяет разгрузить слой-посредник и выполнить простые запросы по идентификаторам объектов, их типам, а также навигационным маршрутам средствами СУБД, поскольку использует дополнительную систему таблиц для хранения отношений наследования и ассоциативных связей между отдельными объектами.

Наиболее эффективную реализацию запросов и операций манипулирования объектами обеспечивает разработанный вариант схемо-зависимой стратегии, основанный на сериализованном представлении атрибутов конкретных классов. Данная стратегия рекомендуется для использования в приложениях, оперирующих с одной прикладной моделью, включающей несколько сотен классов. Ее недостатками являются большое количество используемых таблиц, критичное для большинства реализаций современных реляционных СУБД, чувствительность к эволюции прикладной модели, а также необходимость применения CASE инструментария для генерации реляционной схемы и процедур, реализующих запросы и операции манипулирования объектами. Подобный инструментарий позволяет существенно упростить сопровождение и администрирование базы данных, эксплуатирующей данную стратегию объектно-реляционного отображения.

Таким образом, разрабатываемый программно-инструментальный комплекс предоставляет развитые средства для эффективной организации промежуточного объектно-реляционного слоя в типовых прикладных контекстах. Представленные рекомендации могут служить конструктивной основой для выбора наиболее оптимальных решений.

Заключение

В данной курсовой работе мы выяснили, что значение языка EXPRESS заключается в описании информационных моделей.

Язык EXPRESS:

· опирается на объектно-ориентированный подход

· использует разбиение на иерархические уровни

Язык EXPRESS может быть использован двумя путями:

1. прямое использование алгоритмов языка EXPRESS; применение программных средств, а также использование оболочки EXPRESS, с помощью которой создается информационная модель

2. моделирование понятий и функциональных (информационных) связей отдельно; проектирование информационной модели включает 3 этапа:

А) информационное моделирование

Б) функциональное моделирование

В) программная реализация

Второй путь является наиболее предпочтительнее для CALS, т.к. есть разделение функциональных обязанностей.

Информационная модель на языке EXPRESS описывается с помощью схемы, которая может включать в свой состав следующие элементы:

1) описание типов

2) описание констант (ввод постоянных)

3) создание правил

4) функции

5) процедуры

Функции и процедуры необходимы для проверки правил, для вычисления каких-то переменных.

Для описания ограничений в EXPRESS вводятся логические функции, их называют глобальными правилами. Пользователь чаще всего работает с локальными правилами.

Язык EXPRESS включил 2 особенности, которых нет у других программных средств:

1) механизм множественного наследования (генетический механизм). С помощью объявлений можно указать список сущностей, которые являются предками этой сущности, от которой она наследует свойства: атрибуты, правила, алгоритмы, постоянные и т.д. EXPRESSследование осуществляется транзитивно (значит выполняются логические операции, в результате которых меняются свойства у взаимодействующих объектов).

2) Использование механизма мутации. При наличии в одной схеме нескольких подтипов определенной сущности считается, что в популяции этой сущности возможны объекты с характерными свойствами.

Список используемых источников

1. В.П. Иванников, С.С. Гайсарян, К.В. Антипин, В.В. Рубанов. Объектно-ориентированное окружение, обеспечивающее доступ к реляционным СУБД. // Труды Института системного программирования РАН, том 2, 2001, c. 89–114.

2. Судов Е. В., Левин А. И., Давыдов А. Н., Барабанов В. В. Концепция развития CALS-технологий в промышленности России. М.: НИЦ CALS-технологий «Прикладная логистика», 2002.

3. Ю. Шрейдер. “Социальные аспекты информатики” //Научно-техническая информация, Серия 2, 1989, #1.

4. Владимир Пржиялковский. “Волшебство нового программирования” // Директору Информационной Службы (ComputerWorld), 2000, #3

5. Кнорина Л.В. “Природа слова в Универсальном Языке Ньютона” // Научно--техническая информация, Серия 2 , 1994, #9.