关系型数据库管理系统的弱点及对象存储策略

# 关系型数据库管理系统的弱点及对象存储策略 ## 1. 数据库应用发展与关系型数据库弱点概述 随着互联网的广泛应用和技术的不断进步，企业能够触达全球近 25 亿在线消费者，未来 B2C 收入将大幅增长。同时，网站和企业间交易将处理更复杂、相互关联的数据。除了商业应用，科学和医学应用、专家系统等也需要处理复杂数据。 关系型数据库管理系统（RDBMS）虽然具有坚实的理论基础，如基于一阶谓词逻辑，支持 SQL 语言，具有简单性、适合在线事务处理（OLTP）和数据独立性等优点，但也存在一些显著的弱点，具体如下表所示： | 弱点 | 描述 | | --- | --- | | 对“现实世界”实体的糟糕表示 | 规范化过程导致创建的关系与“现实世界”实体不对应，查询处理时需要大量连接操作，效率低下。 | | 语义过载 | 关系模型仅用关系来表示数据和数据之间的关系，无法区分实体和关系，也无法区分不同类型的关系。 | | 对完整性和企业约束的支持不足 | 许多商业系统不完全支持完整性约束，需要在应用程序中构建，可能导致重复工作和不一致性。 | | 同质数据结构 | 关系模型假设水平和垂直同质性，结构过于严格，不适合表示复杂的“现实世界”对象。 | | 有限的操作 | 关系模型只有固定的操作集，SQL 不允许指定新操作，难以模拟许多现实世界对象的行为。 | | 处理递归查询困难 | 由于数据的原子性，关系模型不允许重复组，处理递归查询非常困难。 | | 阻抗不匹配 | SQL 是声明性语言，处理数据行，而高级语言是过程性语言，一次只能处理一行数据，两者数据表示模型不同，导致编程效率低下。 | | 其他问题 | 包括并发控制、模式更改困难和导航访问不佳等问题。 | ## 2. 关系型数据库管理系统的具体弱点分析 ### 2.1 对“现实世界”实体的糟糕表示 规范化过程通常会将“现实世界”实体拆分成多个关系，物理表示反映了这种结构，导致查询处理时需要大量的连接操作。连接操作是最昂贵的操作之一，会降低查询效率。 ### 2.2 语义过载 关系模型只有一个构造来表示数据和数据之间的关系，即关系。例如，要表示实体 A 和 B 之间的多对多关系，需要创建三个关系，分别表示实体 A、实体 B 和它们之间的关系。这种方式无法区分实体和关系，也无法区分不同类型的关系，如 1:* 关系可能是“拥有”、“管理”等。虽然语义数据模型试图解决这个问题，但关系模型本身也有一些语义特征，如域和键、函数依赖、多值依赖和连接依赖等。 ### 2.3 对完整性和企业约束的支持不足 完整性指存储数据的有效性和一致性，通常用约束来表示。许多商业系统不完全支持实体完整性、引用完整性和域约束等，需要在应用程序中构建这些约束，这可能导致重复工作和不一致性。此外，关系模型对一般约束的支持不足，也需要在数据库管理系统或应用程序中实现。不过，SQL 标准允许在数据定义语言（DDL）中指定一些类型的约束，部分解决了这个问题。 ### 2.4 同质数据结构 关系模型假设水平和垂直同质性，即每个元组必须由相同的属性组成，每列的值必须来自相同的域，并且行和列的交集必须是原子值。这种固定结构过于严格，不适合表示许多具有复杂结构的“现实世界”对象，会导致不自然的连接操作，效率低下。为了解决这个问题，研究人员提出了复杂对象或非第一范式（NF2）数据库系统。例如，在非第一范式数据库系统中，对象可以递归定义： 1. 每个原子值（如整数、浮点数、字符串）都是一个对象。 2. 如果 a1, a2, ..., an 是不同的属性名，o1, o2, ..., on 是对象，则 [a1:o1, a2:o2, ..., an:on] 是一个元组对象。 3. 如果 o1, o2, ..., on 是对象，则 S = {o1, o2, ..., on} 是一个集合对象。 以下是一些有效对象的示例： - 原子对象：B003, John, Glasgow - 集合：{SG37, SG14, SG5} - 元组：[branchNo: B003, street: 163 Main St, city: Glasgow] - 层次元组：[branchNo: B003, street: 163 Main St, city: Glasgow, staff: {SG37, SG14, SG5}] - 元组集合：{[branchNo: B003, street: 163 Main St, city: Glasgow], [branchNo: B005, street: 22 Deer Rd, city: London]} - 嵌套关系：{[branchNo: B003, street: 163 Main St, city: Glasgow, staff: {SG37, SG14, SG5}], [branchNo: B005, street: 22 Deer Rd, city: London, staff: {SL21, SL41}]} 许多 RDBMS 现在允许存储二进制大对象（BLOB），但 BLOB 不包含内部结构信息，无法进行查询和操作，且不能包含其他 BLOB，不能形成复合对象，还忽略了对象的行为方面。 ### 2.5 有限的操作 关系模型只有固定的操作集，如集合和元组操作，SQL 不允许指定新操作，难以模拟许多现实世界对象的行为。例如，地理信息系统（GIS）应用需要处理点、线、线组和多边形