capítulo 8: bds orientadas a objectos

©Silberschatz, Korth and Sudarshan (modificado)8.1.1Database System Concepts

Capítulo 8: BDs Orientadas a ObjectosCapítulo 8: BDs Orientadas a Objectos

Necessidade de Tipos de Dados Complexos

O Modelo de Dados Orientado para Objectos

Linguagens Orientadas para Objectos

Linguagens de Programação Persistentes

Linguagem de definição de dados ODMG

Linguagem de manipulação de dados ODMG


Necessidade de Tipos ComplexosNecessidade de Tipos Complexos

As aplicações de Bases de Dados apenas usavam tipos de dados conceptualmente simples Poucos tipos de dados, verificando-se a 1ª Forma Normal

Os tipos de dados complexos têm ganho importância E.g. Moradas podem ser vistas como

String, ou

Atributos separados para cada parte da morada, ou

Atributos compostos (que não estão na 1ª Forma Normal)

Por vezes é útil guardar atributos compostos como tal, em vez de criar uma relação separada para guardar os valores na 1ª Forma Normal

Aplicações computer-aided software engineering, computer-aided design

multimedia, e bases de dados de documentos e hipertexto.


Modelo de Dados Orientado a ObjectosModelo de Dados Orientado a Objectos

Podemos ver um objecto como uma entidade do modelo ER.

O paradigma de objectos baseia-se na encapsulação de código e dados relativos a um objecto, numa unidade única.

Trata-se de um modelo lógico de dados (como o modelo ER).

É uma adaptação do paradigma de programação por objectos (e.g., Smalltalk, C++, Java) a sistemas de Bases de Dados.


Estrutura de ObjectosEstrutura de Objectos

A um objectos estão associados: Um conjunto de variáveis, contendo os dados do objecto, onde o

valor de cada variável é um objecto Um conjunto de mensagens às quais o objecto responde; cada

mensagem pode ter zero, um ou mais parâmetros. Um conjunto de métodos, cada um dos quais consistindo em código

que implementa uma mensagem; um método devolve um valor como resposta a uma mensagem

A representação física dum objecto só está visível a quem o implementou

As mensagens (e respostas) são o único interface possível com um objecto.

Apesar do nome, uma mensagem não obriga a que haja algo a ser passado. As mensagem podem ser implementadas como invocação de procedimentos.


Mensagens e MétodosMensagens e Métodos

Os métodos são programas com as seguintes características: Só se podem usar (directamente) variáveis do próprio objecto

Dados noutros objectos só podem ser acedidos por envio de mensagens.

Os métodos podem ser read-only ou de actualização Métodos read-only não alteram o valor do objecto

Levado à regra, em bases de dados cada atributo duma entidade tem que ser representado por uma variável (que guarda o valor) e dois métodos (um para ler o valor, e outro para o alterar) e.g., o atributo morada é representado pela variável morada e

dois métodos get-morada e set-morada.

Para facilitar, muitos dos modelos de objectos permitem acesso directo às variáveis de outros objectos.


ClassesClasses

Objectos semelhantes são agrupados em classes; cada um desses objectos agrupados chama-se uma instância da classe

Todos os objectos duma classe, têm os mesmos: Variáveis com os mesmos tipos

Interface de mensagens

Métodos

Só podem diferir nos valores das suas variáveis

Exemplo: Grupo de objectos para pessoas na classe pessoa

Classes correspondem a conjuntos de entidades do modelo ER.


Exemplo de Definição de ClasseExemplo de Definição de Classe

class empregado {/*Variáveis */

string nome;string morada;date data_inicio;int salario;

/* Mensagens */int salario_anual();string get_nome();string get_morada();int set-morada(string nova_morada);int tempo_na_casa();

};

Os métodos são definidos separadamente E.g. int tempo_na_casa () { return today() – data_inicio;}

int set-morada(string nova_morada) { morada = nova_morada;}


HerançaHerança

E.g., A classe dos clientes dum banco é semelhante à dos empregados do banco, embora hajam diferenças. Partilham algumas variáveis e mensagens, e.g., nome and morada.

Mas há variáveis e mensagens específicas a cada uma das classes e.g., salario (só) para empregados e limite_crédito (só) para clientes.

Todo o empregado é uma pessoa: empregados é uma especialização de pessoas

clientes é também uma especialização de pessoas.

Criar classes: pessoas, empregados e clientes Associam-se a pessoas as variáveis e mensagem aplicáveis quer a

empregados quer a clientes.

As variáveis/mensagens específicas de empregados associam-se directamente a essa classe; idem para clientes


Herança (Cont.)Herança (Cont.)

Colocar as classes numa hierarquia de especialização IS-A

As variáveis/mensagens pertencentes à classe pessoas são herdadas pelas classes empregados e clientes

Hierarquia de classes

Semelhante às associações ISA no modelo ER


Definição de Hierarquia de ClassesDefinição de Hierarquia de Classes

class pessoas{stringnome;stringmorada:};

class clientes isa pessoas {int limite_crédito;};

class empregados isa pessoas {date data_início;int salário;};

class gerentes isa empregados {int num_gabinete,int número_de_conta_despesas,};

...


Exemplo de Hierarquia de Classes (Cont.)Exemplo de Hierarquia de Classes (Cont.)

A lista completa de variáveis associada à classe gerente é:

num_gabinete, número_de_conta_despesas: definidos localmente

data_início, salário: herdados de empregados

nome, morada: herdados de pessoas

A herança de métodos é semelhantes.

Todo o método duma classe (e.g. pessoas) pode ser invocado em todas as subclasses (e.g. empregados ou gerentes).


Herança MúltiplaHerança Múltipla

Com herança múltipla, uma classe pode ter mais do que uma superclasse. A relação classe/subclasse é representada por um grafo dirigido acíclico

(DAG) Especialmente útil quando há objectos que podem ser definidos de formas

diversas, independentes entre si. E.g. temporário/permanente é independente de gerente/secretaria/caixa Criar uma subclasse para cada combinação

– Não é necessário criar subclasses para as combinações que não são possíveis nos dados a modelas

Cada classe herda as variáveis e métodos de todas as suas superclasses

Pode haver conflito (ambiguidade) quando uma variável/mensagem com o mesmo nome é herdada de duas superclasses distintas A e B Não há problema se a variável/mensagem tiver sido definida numa

superclasse comum a A e B Caso contrário:

flag assinalando erro, ou renomear variáveis (A.N e B.N), ou escolher uma delas.


Exemplo de Herança MúltiplaExemplo de Herança Múltipla

DAG de classes


Mais exemplos de Herança MúltiplaMais exemplos de Herança Múltipla

Conceptualmente, um objecto pode pertencer a várias subclasses de uma mesma classe E.g. uma pessoa pode ser simultaneamente cliente e empregado

do banco

Pode usar-se herança múltipla para modelizar “papéis” dum objecto

No entanto, muito sistemas obrigam a quem cada objecto esteja sempre associado a uma classe mais específica I.e. tem que haver uma classe à qual o objecto pertence que é

subclasse de todas as outras classes a que o objecto pertence

Criar subclasse, e.g. cliente_empregado, para estas combinações

Quando há muitas combinações possíveis, criar tantas subclasses pode ser difícil de gerir


Identidade de ObjectosIdentidade de Objectos

Um objecto mantém a sua identidade mesmo que os valores de todas as suas variáveis, e mesmo os seus métodos, mudem.

A identidade de objectos neste modelo é mais forte que no modelo relacional, ou em linguagens de programação.

Identidade por: Valor – e.g. chaves primárias no modelo relacional.

Nome – dado pelo utilizador, como nas linguagens de programação.

Built-in – a identidade está built-in no modelo de dados.

O utilizador não precisa fornecer um identificador.

É a forma de identidade usada no modelo de objectos.


Identificadores de ObjectosIdentificadores de Objectos

Os Identificadores de Objectos são usados por objectos para identificar univocamente outros objectos São únicos:

Não podem haver dois objectos com o mesmo identificador

Cada objecto tem apenas um identificador

E.g., numa inscrição o atributo num_aluno é um identificador de um objecto de alunos (em vez da inscrição conter o próprio aluno).

Podem ser

Gerados pela base de dados

externos (e.g. número de BI)

Os identificadores gerados automaticamente:

São mais fáceis de usar

Podem ser redundantes se já existe atributo único


Objectos CompostosObjectos Compostos

No design, cada componente pode conter outros componentes Pode ser representado com objectos que contêm outros objectos

– objectos compostos. Os múltiplos níveis de composição de objectos formam uma

hierarquia de composição Os links devem ser interpretados como is-part-of, não is-a.

Permite que os dados sejam vistos com detalhe diferente por diferente utilizadores.


Usos do modeloUsos do modelo

Estes conceitos de objectos podem ser usados de diversas formas: Usar apenas como ferramenta na fase de design, e na

implementação usa-se, e.g., uma base de dados relacional

Semelhante ao uso que fizemos de diagramas ER (que depois se passavam para conjunto de relações)

Incorporar as noções de objectos no sistema que manipula a base de dados:

Linguagens persistentes – generalizam (com conceitos de persistência e colecções) linguagens de programação object-oriented para permitir lidar com bases de dados.

Sistemas objecto-relacional – adiciona tipos complexos e noções de objectos a linguagem relacional.


Linguagens PersistentesLinguagens Persistentes

Permitem criar e armazenar objectos em bases de dados , e usá-los directamente a partir da linguagem de programação (object-oriented, claro!) Permite que os dados sejam manipulados directamente a partir do

programa

Programas em que os dados ficam de uma sessão para outra. sendo isto feito de forma transparente para o utilizador

Desvantagens: Dada a expressividade das linguagens, é fácil cair em erros (de

programação) que violam consistência dos dados.

Tornam muito difícil (senão impossível) optimização de pesquisas.

Não suportam formulação declarativa de perguntas (como acontece em bases de dados relacionais)


Persistência de ObjectosPersistência de Objectos

Há várias abordagens para tornar os objectos persistentes Persistência por Classe – declara-se que todos os objectos duma

classe são persistentes; simples mas inflexível.

Persistência por Criação – estender a sintaxe de criação de objectos, para se poder especificar se são ou não persistentes.

Persistência por Marcação – todo o objecto que se pretende que persista para além da execução do programa, é marcado antes do programa terminar.

Persistência por Reachability – declara-se uma raiz de objectos persistentes; os objectos que persistem são aqueles que se conseguem atingir (directa ou indirectamente) a partir dessa raiz.

Facilita a vida ao programador, mas põe um overhead grande na base de dados

Semelhante a garbage collection usado em Java


Identidade de ObjectosIdentidade de Objectos

A cada objecto persistente é associado um identificador.

Há vários níveis de permanência da identidade de objectos: Intraprocedure – a identidade persiste apenas durante a

execução dum procedimento

Intraprogram – a identidade persiste apenas durante a execução dum programa ou pergunta.

Interprogram – a identidade persiste duma execução dum programa para outra, mas pode mudar se a forma de armazenar os dados for alterada

Persistente – a identidade persiste entre execuções de programas e entre reorganizações de dados; esta é o nível necessário para sistemas de bases de dados de objectos.


Identidade de Objectos e ApontadoresIdentidade de Objectos e Apontadores

Em linguagens object-oriented os identificadores são apontadores em memória

Apontadores persistentes – persistem para além da execução de programas Podem ser pensados como apontadores para a base de

dados

E.g. especificam identificador de ficheiro, mais offset no ficheiro

Há que organizar apontadores por forma a que estes se mantenham quando há reorganizações da base de dados


Armazenamento e AcessoArmazenamento e Acesso

Dar nomes a objectos (e aceder por nome) Não se generaliza para grande número de objectos.

Normalmente dão-se nomes a classes, mas não a objectos.

Armazenar colecções de objectos (e.g. a nível de classe) e permitir que os programas iterem sobre essas colecções.

Como encontrar objectos numa base de dados?


Sistemas C++ PersistenteSistemas C++ Persistente

O C++ permite que se adicione suporte para objectos persistentes, sem alterar a linguagem Declarar uma classe Persistent_Object com atributos e métodos de

suporte a persistência

Usar overloading para redefinir funções e operadores standard

Template classes ajudam a construir um sistemas de tipos de suporte a colecções e tipos persistentes.

Suporte a persistência sem estender a linguagem C++ é fácil de implementar

complexo de usar

Há sistemas C++ Persistentes já definidos e implementados


Linguagem de Definição de Objectos (ODL) da Linguagem de Definição de Objectos (ODL) da ODMGODMG

Object Database Management Group: consórcio industrial que definiu definir standards para bases de dados orientadas para objectos Standards de linguagens de programação persistentes

Inclui standards para C++, Smalltalk e Java

ODMG-93

ODMG-2.0 e 3.0 (extensão do 2.0 para Java)

O standard ODMG C++ não altera a linguagem C++ Fornece funcionalidade para persistência via template classes e

class libraries


Tipos ODMGTipos ODMG

Template class d_Ref<class> usada para referências (apontadores persistentes)

Template class d_Set<class> usada para conjuntos de objectos. Inclui métodos como insert_element(e) e delete_element(e)

Contém outras classes como d_Bag (conjuntos com duplicados), d_List e d_Varray (arrays de tamanho variável).

d_ version de muitos tipos standard, e.g. d_Long e d_string A interpretação destes tipos é independente da plataforma

Dados são (dinamicamente) guardados na base de dados, e não em memória.


ODMG C++ ODL: ExemploODMG C++ ODL: Exemplo

class Branch : public d_Object { ….

}class Person : public d_Object { public:

d_String name; // não se deve usar String!d_String address;

};

class Account : public d_Object { private:

d_Long balance; public:

d_Long number;d_Set <d_Ref<Customer>> owners;

int find_balance();int update_balance(int delta);

};


ODMG C++ ODL: Exemplo (Cont.)ODMG C++ ODL: Exemplo (Cont.)

class Customer : public Person {public:

d_Date member_from;d_Long customer_id;d_Ref<Branch> home_branch;d_Set <d_Ref<Account>> accounts; };


Implementação de RelaçõesImplementação de Relações

Relações entre classes são implementadas com referências Tipos especiais de referências obrigam à adição/remoção de

links inversos. Tipo d_Rel_Ref<Class, InvRef> é uma referência para Class,

onde o atributo InvRef de Class é a referência inversa. d_Rel_Set<Class, InvRef> é usado (de forma semelhante) para

conjuntos de referências

O método de afectação (=) da classe d_Rel_Ref é overloaded Usa a definição de tipos para, automaticamente, encontrar e

actualizar o link inverso Liberta o programador desta tarefa (complexa) Elimina a possibilidade de links inconsistentes

O mesmo acontece para os métodos insert_element() e delete_element() da classe d_Rel_Set


Implementação de Relações: ExemploImplementação de Relações: Exemplo

extern const char _owners[ ], _accounts[ ];

class Account : public d_Object { ….

d_Rel_Set <Customer, _accounts> owners;}

class Customer : public Person { ….

d_Rel_Set <Account, _owners> accounts;}

// .. Como não se podem usar strings em templates …const char _owners= “owners”;const char _accounts= “accounts”;


Linguagem de Manipulação de Objecto (OML) Linguagem de Manipulação de Objecto (OML) ODMG C++ODMG C++

Usa versões persistentes de operadores C++

d_Ref<Account> account = new(bank_db, “Account”) Account; Guarda o objecto na base de dados, em vez de na memória.

O segundo argumento (“Account”) denota o nome usado na base de dados.

O operador -> quando aplicado a d_Ref<Account> começa por carregar o objecto em memória (se não estiver já lá) antes de aplicar a desreferenciação usual do C++.


ODMG C++OML: FunçõesODMG C++OML: Funções A classe d_Database fornece métodos para

Abrir um base de dados: open(databasename)

Dar nomes a objectos: set_object_name(object, name)

Procurar objectos por nome: lookup_object(name)

Renomear objectos: rename_object(oldname, newname)

Fechar um base de dados close()

A classe d_Object é herdada por todas as classes persistentes. Tem métodos para guardar e apagar objectos

O método mark_modified() tem que ser chamado antes dum objecto ser modificado.

É automaticamente chamado sempre que um objecto é criado


ODMG C++ OML: ExemploODMG C++ OML: Exemplo

int create_account_owner(String name, String Address){

Database bank_db.obj;Database * bank_db= & bank_db.obj;bank_db =>open(“Bank-DB”);d.Transaction Trans;Trans.begin();

d_Ref<Account> account = new(bank_db) Account;d_Ref<Customer> cust = new(bank_db) Customer;cust->name = name;cust->address = address;cust->accounts.insert_element(account);... Código para inicializar outros atributos

Trans.commit();

}


ODMG C++ OML (Cont.)ODMG C++ OML (Cont.)

Os objectos de uma classe são mantidos automaticamente na base de dados.

Para aceder a objectos duma classe: d_Extent<Customer> customerExtent(bank_db);

A classe d_Extent tem o método d_Iterator<T> create_iterator() para criar um iterador sobre os objectos duma classe

Também fornece o método select(pred) que devolve um iterador sobre objectos que satisfazem um dado predicado pred.

Colecções (conjuntos, listas etc.) também fornecem o método create_iterator() method.


ODMG C++ OML: Exemplo de IteradoresODMG C++ OML: Exemplo de Iteradores

int print_customers() {Database bank_db_obj;Database * bank_db = &bank_db_obj;bank_db->open (“Bank-DB”);d_Transaction Trans; Trans.begin ();

d_Extent<Customer> all_customers(bank_db);d_Iterator<d_Ref<Customer>> iter;iter = all_customers–>create_iterator();d_Ref <Customer> p;

while{iter.next (p))print_customer (p); // Função definida noutro local

Trans.commit();

}


Linguagem de Perguntas a Objecto (OQL) Linguagem de Perguntas a Objecto (OQL) ODMG C++ODMG C++

A linguagem declarativa OQL, parece-se com o SQL Construir uma string com a pergunta e executar para obter um

conjunto (bag pois pode conter duplicados) com os resultados

d_Set<d_Ref<Account>> result;d_OQL_Query q1("select a

from Customer c, c.accounts a where c.name=‘Jones’

and a.find_balance() > 100");d_oql_execute(q1, result);


Java PersistenteJava Persistente

O ODMG-3.0 define extensão ao Java para persistência Como o Java não suporta templates, tem que se estender a

linguagem

Usa persistência por reachability Coincide com o mecanismo de garbage collection do Java Só um tipo de apontadores (para objectos persistentes e não

persistentes) Estar na base de dados ou em memória, é transparente para o

programador

Uma classe é tornada persistente, executando um pós-processador sobre o código gerado pelo compilador do Java (versus pré-processador usado no C++)

Define tipos de colecções DSet, DBag, DList, etc. Usa iteradores do Java

capítulo 8: bds orientadas a objectos

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