Simulation von Schemaänderungen in objektorientierten Datenbanksystemen mit Hilfe von Sichten

Diplomarbeit von Thomas Golob

Einleitung:

Die Art der relationalen Datenmodellierung, die den großen Erfolg des Relationmodells in betriebswirtschaftlichen Anwendungsfällen begründeten, verhinderte bis dato den erfolgreichen Einsatz von relationalen Datenbanksystemen in den sogenannten Nicht-Standard-Anwendungen wie z.B. Computer-Aided-Design und -Manufacturing (CAD/CAM), Computer-Aided-Software-Engineering (CASE) oder den Office-Information-Systems (OIS) mit den Bereichen der Bürokommunikation und Dokumentenverwaltung. Diesen Bereichen liegen oft sehr komplexe Strukturen und Vorgänge zu Grunde, die durch das Relationenmodell nicht mehr adäquat und effizient abgebildet werden können.

Es lag nahe, die bereits bei der Softwareentwicklung und Anwendungsmodellierung erfolgreich eingesetzten objektorientierten Konzepte auf den Datenbankbereich zu übertragen. So enstanden mit der Zeit objektorientierte Datenbankmodelle als konsequente Weiterentwicklung semantischer und geschachtelt relationaler Modelle.

Schema Change Management Den typischen Anwendungen für objektorientierte Datenbanken liegen häufig sehr komplexe Datenmodelle zugrunde. Diese können in der Regel nicht von Anfang an korrekt in ein Datenbankschema abgebildet werden, so daß eine nachträgliche Schemaänderung unumgänglich werden kann (Schemaevolution). Aber auch sich ändernde Voraussetzungen in der Umwelt erfordern oft eine Anpassung eines Datenbankschemas.

Schemaänderungen in einem Datenbanksystem sollten unter Berücksichtigung bereits existierender Daten sowie Applikationen und Sichten ausgeführt werden. Desweiteren gilt zu berücksichtigen, ob und welche Ausfallzeiten eine Schemaänderung in einem Teil oder dem kompletten Datenbanksystem hervorruft. Oft ist es nicht möglich, ein Datenbanksystem für einen gewissen Zeitraum zu deaktivieren, um Wartungsarbeiten oder Umstrukturierungen durchzuführen. Hier müssen Methoden gefunden werden, das Datenbankschema dynamisch zu manipulieren ohne den laufenden Betrieb zu beeinflussen. Diese Art der Schemaevolution unter Berücksichtigung vorhandener Daten und Applikationen wird als Schema Change Management bezeichnet.

Es wurden bis jetzt drei verschiedene Ansätze für Schema Change Management in objektorientierten Datenbanksystemen verfolgt:

1. Schemaänderungen mit Datenbanktransformation.

2. Versionierung von Schemata.

3. Schemaänderungen durch Sichten.

Gang der Untersuchung:

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der dritten Methode des Schema Change Managements, der Durchführung von Schemaänderungen in objektorientierten Datenbanksystemen durch Sichten. Während in der Literatur bereits frühzeitig der Nutzen von Sichten in objektorientierten Datenbanken zur Simulation von Schemaänderungen erkannt wurde, sind kaum genaue Spezifikationen der Anforderungen an solche Sichtensysteme oder gar Prototypimplementationen von Sichtensystemen zur Durchführung von Schemaänderungen bekannt.

Die zu erreichenden Ziele eines Schema Change Management Systems, nämlich die flexible Durchführung von Schemaänderungen an einem laufenden Datenbanksystem, und die ständige Verfügbarkeit einer Datenbank, sind sowohl in bisher vorhandenen relationalen als auch in objektorientierten Datenbanksystemen gegenläufig. Obwohl das Anwenden von verzögerter Datenbanktransformation einen längeren Ausfall der Datenbank verhindert, mußten bis jetzt immer noch Applikationen auf das veränderte Schema angepaßt oder zumindest zum Zeitpunkt der Schemaänderung in ihrer Ausführung angehalten werden. Die Schemamodifikation implizierte somit indirekt einen kurzzeitigen Ausfall der Datenbank. Besteht dagegen die Forderung, daß das Datenbanksystem inklusive der darauf laufenden Applikationen ständig verfügbar sein muß, dann können an dem laufenden System keine Änderungen mehr durchgeführt werden.

Das Ziel dieser Diplomarbeit ist das Aufstellen einer Reihe von Anforderungen an ein Sichtensystem, die notwendigerweise erfüllt sein müssen, um Schemamodifkationen mit Sichten durchführen zu können. Es wird ein theoretisches Modell eines flexiblen objektorientierten Sichtensystems eingeführt und gezeigt, daß Schemaänderungen durch Sichten uneingeschränkt durchgeführt werden können. Im praktischen Teil der Arbeit wurde eine Umgebung zur Simulation von Schemaänderungen in dem objektorientierten Datenbanksystem O2 mit Hilfe des Sichtensystems O2Views implementiert. Mit dem O2 Schema Evolution Simulator ist es möglich, Schemaänderungen an einem laufenden O2-System durchzuführen, ohne dabei die Ausführung bestehender Applikationen zu beeinflussen oder Daten in der Datenbank zu verändern.

Kapitel 2 führt in die notwendigen Grundlagen für die Durchführung von Schemaänderungen in objektorientierten Datenbanksystemen durch Sichten ein. Schwerpunkte liegen dabei auf den beiden wesentlichen Bestandteilen dieser Arbeit, den Sichten und den Schemaänderungen in objektorientierten Datenbanksystemen.

In Kapitel 3 wird das Zielsystem beschrieben, eine Klassifikation der zu simulierenden Schemaänderungen vorgenommen, und die Durchführbarkeit von Datenbankoperationen auf Sichten untersucht. Daraus werden eine Reihe von Anforderungen an ein Sichtensystem zur Simulation von Schemaänderungen abgeleitet.

In Kapitel 4 wird ein Objektmodell eines Datenbanksystems eingeführt, welches sowohl die wesentlichen Konzepte für einen Sichtenmechanismus beinhaltet als auch den in Kapitel 3 aufgestellten Anforderungen für die Simulation von Schemaänderungen genügt. Desweiteren wird sowohl die Semantik von Operationen als auch von Schemaänderungen auf dem Objektmodell formal definiert.

In Kapitel 5 werden die theoretischen Ergebnisse aus den Kapiteln 3 und 4 in einer Umgebung zur Simulation von Schemaänderungen implementiert. Der O2 Schema Evolution Simulator (O2SES) wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit angefertigt. Als Basis diente dazu das objektorientierte Datenbanksystem O2 mit der zweiten Prototypversion des Sichtensystems O2Views. Das Datenmodell von O2Views wurde dazu um die in Kapitel 4 eingeführten Konzepte erweitert.

Kapitel 6 beschließt diese Arbeit mit einer Zusammenfassung, einer Diskussion der Ergebnisse mit ähnlichen, in der Literatur bekannten Ansätzen und einem Ausblick auf weiterführende Arbeiten.

Inhaltsverzeichnis:

	Abbildungsverzeichnis	viii
	Tabellenverzeichnis	ix
1.	Einleitung	1
2.	Grundlagen	8
2.1	Einführung in Sichten	8
2.1.1	Sichten im Relationenmodell	10
2.1.2	Sichten in objektorientierten Datenbanksystemen	12
2.2	Schema Change Management	18
2.2.1	Schemaänderung mit Datenbanktransformation	18
2.2.2	Schemaversionierung	20
2.2.3	Schemaänderungen durch Sichten	22
3.	Schemaänderungen durch Sichten	23
3.1	Das Zielsystem	23
3.2	Klassifikation und Semantik von Schemaänderungen	27
3.2.1	Auswirkungen der Schemaänderungen	28
3.2.2	Konsequenz der Auswirkungen	33
3.3	Datenbankoperationen in einem Sichtensystem	36
3.3.1	Erzeugen von Instanzen	36
3.3.2	Löschen von Instanzen	36
3.3.3	Updaten von Objektwerten	37
3.4	Anforderungen an ein Sichtensystem	38
4.	Ein Objektmodell mit Sichtenmechanismus	40
4.1	Das objektorientierte Datenmodell	40
4.1.1	Werte und Objekte	40
4.1.2	Typen und Klassen	41
4.1.3	Methoden	44
4.1.4	Die Datenbank	45
4.1.5	Repräsentation der Objektwerte	51
4.2	Semantik von Operationen auf dem Objektmodell	55
4.2.1	Ableiten einer Sicht von einem bestehenden Schema	55
4.2.2	Löschen einer Sicht	57
4.2.3	Erzeugen von Instanzen	58
4.2.4	Löschen von Instanzen	59
4.2.5	Updaten von Attributen	59
4.3	Überprüfen der Anforderungen	59
4.4	Semantik von Schemaänderungen auf dem Objektmodell	60
4.4.1	Voraussetzung für alle Schemaänderungen	62
4.4.2	Hinzufügen eines Attributes	63
4.4.3	Löschen eines Attributes	63
4.4.4	Ableiten eines Attributs	64
4.4.5	Hinzufügen einer Methode	66
4.4.6	Löschen einer Methode	66
4.4.7	Hinzufügen einer Klasse	66
4.4.8	Löschen einer Klasse	67
4.4.9	Hinzufügen einer Vererbungsbeziehung	68
4.4.10	Löschen einer Vererbungsbeziehung	68
4.5	Zusammenfassung	68
5.	O2SES - Die Implementation	70
5.1	Das objektorientierte Datenbanksystem O2	70
5.1.1	Überblick	70
5.1.2	O2DDL - O2 Data Definition Language	72
5.1.3	Vergleich der Objektmodelle	73
5.2	Das Sichtensystem O2Views	73
5.2.1	Die Konzepte von O2Views	73
5.2.2	Die Implementation von O2Views	77
5.3	O2Views und die Simulation von Schemaänderungen	79
5.3.1	Welche Anforderungen sind erfüllt?	79
5.3.2	Welche Anforderungen sind nicht erfüllt?	79
5.4	O2SES - O2 Schema Evolution Simulator	81
5.4.1	Die Funktionsweise von O2SES	82
5.4.2	Voraussetzungen und Einschränkungen für das Basisschema	82
5.4.3	Erstellen einer Simulation	87
5.4.4	Rekonstruktion der Klassenhierarchie	90
5.4.5	Simulation der Schemaänderungen	103
5.5	Zusammenfassung	117
6.	Zusammenfassung und Ausblick	119
	Literaturverzeichnis	128
A.	O2SES – Benutzerhandbuch	129
A.1	Erste Schritte	130
A.2	Laden einer Simulation	130
A.3	Erstellen eines Simulationsschemas	132
A.4	Der Base Schema Manager	133