面向对象数据库系统：概念、应用与实现

### 面向对象数据库系统：概念、应用与实现 #### 1. 引言 传统的关系数据库系统仅支持有限的固定数据类型，如整数、日期和字符串等，这在处理传统的行政数据处理等应用领域时是足够的。然而，在许多应用领域，如计算机辅助设计与建模（CAD/CAM）、多媒体存储库和文档管理等，需要处理更为复杂的数据。随着数据量的增长，数据库管理系统（DBMS）所提供的诸多特性，如减少应用开发时间、并发控制和恢复、索引支持以及查询功能等，变得越来越有吸引力且必不可少。为了支持这些应用，DBMS 必须支持复杂的数据类型。面向对象的概念对增强数据库对复杂数据的支持产生了深远影响，并推动了对象数据库系统的发展。 #### 2. 对象数据库系统的发展路径 对象数据库系统沿着两条不同的路径发展： - **面向对象数据库系统（OODBMS）**：作为关系系统的替代方案，面向对象数据库系统旨在处理复杂对象起核心作用的应用领域。该方法深受面向对象编程语言的影响，可以看作是在编程语言环境中添加 DBMS 功能的尝试。对象数据库管理组（ODMG）已经开发了标准的对象数据模型（ODM）和对象查询语言（OQL），它们相当于关系数据库系统的 SQL 标准。 - **对象关系数据库系统（ORDBMS）**：对象关系数据库系统可以被视为对关系数据库系统的扩展，以支持更广泛的应用程序。在许多方面，它为关系和面向对象范式之间架起了一座桥梁。SQL:1999 标准将 SQL 扩展为包含对对象关系数据模型的支持。 #### 3. 动机示例：Dinky 娱乐公司 以虚构的 Dinky 娱乐公司为例，该公司是一家大型好莱坞企业集团，其主要资产是一系列卡通角色，特别是深受国际喜爱的蠕虫赫伯特（Herbert the Worm）。Dinky 拥有几部赫伯特蠕虫电影，其中许多电影在世界各地的影院随时上映。此外，公司还通过授权赫伯特的形象、声音和视频片段用于各种用途（如动作人偶、视频游戏、产品代言等）赚取了大量资金。Dinky 的数据库用于管理与赫伯特相关产品的销售和租赁记录，以及构成赫伯特众多电影的视频和音频数据。 ##### 3.1 新数据类型需求 Dinky 的数据库设计人员面临的基本问题是，他们需要支持比关系数据库管理系统中可用的数据类型丰富得多的数据类型： - **用户定义的数据类型**：Dinky 的资产包括赫伯特的图像、声音和视频片段，这些必须存储在数据库中。为了处理这些新类型，需要能够表示更丰富的结构，并需要特殊的函数来操作这些对象。例如，可以编写函数来生成图像的压缩版本或低分辨率图像。通过函数隐藏数据结构的细节，实现数据抽象，从而使代码设计更简洁。 - **继承**：随着数据类型数量的增加，利用不同类型之间的共性非常重要。例如，压缩图像和低分辨率图像在某种程度上都是图像。因此，在定义和操作压缩图像对象和低分辨率图像对象时，继承图像对象的某些特征是很有必要的。 - **对象标识**：由于某些新数据类型包含非常大的实例（如视频），重要的是不存储对象的副本，而是存储对这些对象的引用或指针。这就强调了为对象赋予唯一对象标识的必要性，以便从数据的其他地方引用它们。 在关系数据库管理系统中，我们可以将图像、视频等存储为二进制大对象（BLOB）。但这种解决方案效率不高，因为即使可以通过用户定义的函数（在 DBMS 内）过滤掉大部分 BLOB，我们仍被迫检索集合中的所有 BLOB。从数据一致性的角度来看，这也不令人满意，因为数据的语义现在在很大程度上依赖于宿主语言应用程序代码，而不能由 DBMS 强制执行。此外，关系模型中根本没有对结构化类型和继承的支持，我们不得不将具有复杂结构的数据映射到一组平面表中。 SQL:1999 引入了新的数据类型和标准，以支持更复杂的数据处理。例如，SQL/MM 标准是一个新兴的标准，它基于 SQL:1999 的新数据类型，定义了 SQL:1999 的扩展，以方便处理复杂的多媒体数据类型。SQL:1999 还包括一种新的数据类型，即大对象（LOB），有二进制大对象（BLOB）和字符大对象（CLOB）两种变体，这使得许多当前关系数据库管理系统中的大对象支持得以标准化。 以下是 Dinky 公司 ORDBMS 模式的部分 SQL:1999 DDL 语句示例： ```sql 1. CREATE TABLE Frames (frameno integer, image jpeg image, category integer); 2. CREATE TABLE Categories (cid integer, name text, lease price float, comments text); 3. CREATE TYPE theater t AS ROW(tno integer, name text, address text, phone text) REF IS SYSTEM GENERATED; 4. CREATE TABLE Theaters OF theater t REF is tid SYSTEM GENERATED; 5. CREATE TABLE Nowshowing (film integer, theater REF(theater t) SCOPE Theaters, start date, end date); 6. CREATE TABLE Films (filmno integer, title text, stars VARCHAR(25) ARRAY [10]), director text, budget float); 7. CREATE TABLE Countries (name text, boundary polygon, population integer, language text); ``` ##### 3.2 操作新数据 Dinky 的数据库需要支持以下两个查询： - **查询一**：Clog 早餐 cereal 公司想要租赁一张赫伯特蠕虫在日出前的图像，用于 Delirios 麦片盒的设计。以下是一个用类似 SQL 语法表达的查询，用于展示可能的图