http://www.interface.ru/home.asp?artId=2849http://www.interface.ru/home.asp?artId=2849

Пакет Sybase PowerDesigner. Объектно-реляционное моделирование.

Николай Птицын, МГТУ им. Н. Э. Баумана, каф. ИУ5

Вступление

Современные CASE-средства являются неотъемлемой частью инструментария разработчика информационной системы. Помимо специализированных CASE-пакетов, решающих задачи на определенной фазе проекта, на рынке появились, так называемые интегрированные комплексы программного обеспечения, позволяющие автоматизировать весь цикл жизни проекта от исследования предметной области до внедрения и поддержки информационной системы. В литературе выделяют следующие средства интегрированных CASE-пакетов:

• Репозиторий является средством организации совместной работы разработчиков и обеспечивает хранение версий проекта, синхронизацию обновлений, контроль целостности;

• Визуальные инструменты проектирования и анализа обеспечивает работу с диаграммами UML (модель приложения), ER (модель данных), DFD (модель потоков данных) и пр.

• Прямой инжиниринг предполагает генерацию модели более низкого уровня или генерацию программного кода из рассматриваемой модели;

• Обратный инжиниринг обеспечивает соответственно обратное преобразование из модели или программного кода в рассматриваемую модель более высокого уровня (например, из физической в концептуальную);

• Среда быстрой разработки приложений (RAD), включающая оболочку и компилятор языка 4GL, генераторы программных кодов, мастера и пр.;

• Система документирования;

• Средства тестирования.

Американская компания Sybase, наряду с Oracle, Rational Software и рядом других, предлагает интегрированные инструменты, решающие перечисленные задачи. Продукт Sybase PowerDesigner является средством моделирования, проектирования, документирования и управления проектом. Пакет Enterprise Application Studio (включает Application Server , PowerBuilder и PowerJ ) дополнят PowerDesigner и содержит RAD-инструменты для разработки распределенных клиент-серверных приложений. Разумеется, PowerDesigner успешно взаимодействует с СУБД и средствами разработки приложений других производителей.

В этом обзоре мы рассмотрим объектно-реляционную методологию, реализованную в CASE-пакете Sybase PowerDesigner. Более подробно остановимся на модели "сущность-связь", так как, по мнению автора, компонент проектирования баз данных в PowerBuilder заслуживает особого внимания и может быть использован независимо от всего остального (не менее успешно, чем ERwin - популярный продукт Computer Associates ).

Объектно-реляционная парадигма

Реляционная модель данных изначально проектировалась для эффективной обработки запросов и транзакций, манипулирующих записями и полями. Модель получила широчайшее распространение среди производителей программного обеспечения. Был стандартизирован язык запросов к реляционной базе данных (SQL). Реляционная СУБД с поддержкой языка SQL обеспечила практически универсальное решение для хранения и обработки динамических данных. Однако с развитием объектно-ориентированного подхода (ООП) в разработке клиент-серверных приложений проявились трудности, связанные с интеграцией объектной и реляционной моделей.

Наиболее актуальной задачей является сохранение объекта (serialization) из кучи оперативной памяти (heap), доступной приложению, в базу данных с последующим восстановлением (deserialization). Объекты, которые должны "запоминаться", будем называть постоянными (persistent).

Примерами из финансовой области могут быть объекты Банковский Счет , Держатель Счета. С одной стороны эти объекты создаются и обрабатываются в приложение на рабочем месте оператора, а с другой стороны, они должны надежно храниться в распределенной БД банковской системы.

Одновременно с хранением объектов желательно обеспечить выполнение запросов на выборку на основе заданного условия (значения атрибута), а так же другие манипуляции с объектами - обновление и удаление. То есть речь идет о переходе от уровня работы с записями на уровень работы с объектами .

Одним из решений этой задачи является адаптация реляционной СУБД к объектной модели. (Альтернативным подходом является полный переход на объектно-ориентированную СУБД.) Рассмотрим механизм преобразования, который, мог бы обеспечить хранение объектов в реляционной таблице и, следовательно, работу с атрибутами объекта как с полями записи (рис. 1).

Рис. 1. Преобразование ООМ в РМ

Сопоставим каждому классу ООМ реляционное отношение (таблицу) следующего вида:

• Первичный ключ генерируется базой данной и становится уникальным идентификатором сохраняемого объекта;

• Каждый атрибут класса ставиться в соотношение колонке таблицы:

  • Если атрибут класса - скаляр, то атрибут реляционного отношения представляет собой внешний ключ таблицы, описывающей класс этого атрибута. Простые атрибуты (char, int, double и т.д) могут сохраняться в таблице класса сразу вместо внешнего ключа;

  • Если атрибут класса - вектор (массив элементов), то имеем неатомарный атрибут отношения, что в явном виде не поддерживается реляционной моделью. Такая многозначная связь между атрибутом отношения и записями таблицы класса этого атрибута может быть установлена с помощью дополнительной таблицы, соответствующей "массиву элементов данного класса".

• Наследование в явном виде не поддерживается в реляционной модели, но может быть реализовано следующим способами:

  • Атрибуты таблицы, соответствующей базовому классу (в частности, абстрактному), могут переноситься физически в таблицы наследующих классов. Как правило, эти мигрирующие атрибуты отмечаются разработчиком сразу в концептуальной модели. Объекту финального класса будет соответствовать одна запись в таблице наследующего класса. Базовая таблица вообще не включается в окончательную структуру базы данных.

• Между базовой и наследующей таблицами может быть установлена связь 1:1. В этом случае наследуемые атрибуты хранятся в таблице, соответствующей базовому классу, а дополнительные - в таблице наследующего класса. Объекту финального класса соответствует пара записей (или большее число, в зависимости от глубины иерархии) в базовой и наследующей таблицах. Реализация механизма наследования в PowerDesigner описана ниже в разделе Модель данных PowerDesigner.

Рис. 2. Диаграмма классов Держатель и Счета

Здесь в свойствах связи Держатель Счета (Account Holder) и Адрес Держателя (Holder Address) был определен класс Holder как контейнер для классов Account и Address . В результате в атрибутах Holder появились массивы ссылок accounts и addresses. Скелет класса, который выдает кодогенератор на основе модели UML имеет следующие вид (рис. 3).

Рис. 3. Генерируемый код класса Holder на языке Java

С учетом того, что все классы объектов должны "запоминаться" в базе данных, преобразуем эту ООМ в реляционную модель физического уровня. Как видно на рис. 4 ассоциативные (association/composition, в терминологии RUP - aggregation) и наследственные (generalization) связи ООМ заменяются на реляционные отношения между таблицами, устанавливаемые с помощью внешних ключей (<fk>).

Рис. 4. Диаграмма "сущность связь" Держатель и Счета

Таким образом, интеграция двух моделей с помощью рассмотренного механизма приводит к возникновению понятия объектно-реляционной модели (ОРМ).

Отметим, что в таком понимании объектно-реляционная СУБД существенно отличается от объектно-ориентированной СУБД . Первая представляет собой традиционную реляционную СУБД дополненной схемой преобразования классов в таблицы (mapping layer). Это позволяет сохранять данные объектно-ориентрованного приложения в "обычной" базе данных.

Более серьезное разногласие объектно-ориентированного и реляционного подходов заключается в концепции хранения данных и программирования. Так, в ООМ используется процедурный язык программирования, ориентированный на работу со скалярными значениями, в то время как SQL представляет собой декларативный язык запросов и предназначен для работы со множествами. Эта явление принято называть потерей соответствия (impedance mismatch).

В индустрии распространены два подхода к реализации ОРМ:

1. Проектировщик строит ООМ и разрабатывает приложение, не заботясь о том, каким образом объекты буду "запоминаться" в базе данных. Дополнительное программное обеспечение (например, Sun JavaBlend, [7]) берет на себя прозрачное преобразование:

   1. классов в реляционное отношение и обратно (в процессе проектирования);

   2. объектов в записи таблиц и обратно (в процессе работы приложения);

2. Состыковка объектно-ориентированной и реляционной моделей на этапе концептуального проектирования. Например, такая идеология заложена в продукте Sun EJB (Enterprise Java Beans). Забота о синхронизации структуры классов и соответствующей структуры таблиц лежит на плечах разработчика (или на его CASE-инструментах). Подход имеет преимущества - исключается "промежуточное" программное обеспечение, выполняющие преобразования, что повышает быстродействие и гибкость приложения. Структура базы данных контролируется разработчиком, поэтому может быть адаптирована для решения каких-либо задач (например, для организации SQL-взаимодействия с другими СУБД). Именно такой вариант объектно-реляционного проектирования мы рассмотрим подробнее в пакете Sybase PowerDesigner.

Следующая схема иллюстрирует процесс проектирования приложения с использованием CASE-средств, обеспечивающих автоматизацию перехода от одной модели к другой, а так же генерацию программного кода из моделей физического уровня.

Рис. 5 Уровни проектирования объектно-реляционного ПО

На схеме выделены 4 уровня приложения, на которых ведутся его разработка и тестирование:

1. Концептуальный уровень (включает ООМ и концептуальную модель данных (CDM);

2. Физический уровень (привязывается к прикладному средству разработки);

3. Уровень программного кода (исходные тексты на языке программирования);

4. Уровень выполняемого кода (готовое приложение)

Архитектура PowerDesigner

Как уже было отмечено во вступлении, PowerDesigner относится к классу интегрированных CASЕ-пакетов и может применяться на этапах от концептуального проектирования до генерации программного кода. Основное назначение PowerDesigner состоит в объектно-реляционном моделировании информационной системы. Пользователями пакета могут быть различные участники проекта - системные аналитики, бизнес-аналитики, администраторы БД, разработчики приложения, менеджеры проекта и др.

Пакет PowerDesigner содержит набор тесно интегрированных модулей, обеспечивающих работу с различными моделями:

1. Объектно-ориентированная модель (OOM, в нотации UML), включающая диаграммы классов, сценариев и прецедентов;

2. Концептуальная модель данных (CDM, в нотациях IE или Merise);

3. Физическая модель данных (PDM в нотациях реляционной БД, CODASYL или IE).

Таким образом, в продукте объединены средства ООМ с традиционной двухуровневой схемой проектирования БД. Все три компоненты встроены в одно приложение и взаимодействуют с пользователем через единый интерфейс (common shell).

Дополнительными компонентами PowerDesigner являются:

• Центральный репозиторий моделей данных и других файлов проекта обеспечивает контроль доступа при совместной работе, объединение модулей, контроль версий и управления моделями данных;

• Система документирования обеспечивает генерацию отчетов по моделям.

Благодаря модульной архитектуре PowerDesigner (рис. 6) могут быть выбраны различные комплектации продукта [5].

рис. 6 Архитектура PowerDesigner

Методология проектирования

В PowerDesigner реализованы концепции итерационного и структурного проектирования информационной системы:

1. Итерационный подход предполагает разработку программного обеспечения по спиральной модели [ 1]. Каждой "виток" спирали включает часть или все этапы проекта (анализ, проектирование, разработка, тестирование, внедрение и сопровождение) и соответствует шагу к "улучшению" программного продукта - наращивание функциональных возможностей, исправление ошибок и т.д. На каждом шаге, модификация проекта может проводиться:

   1. на различных уровнях (в программном коде, OOM, CDM, PDM, …);

   2. одновременно в нескольких местах (при параллельной разработке);

При этом для обеспечения целостности всего проекта требуется:

1. согласовать и протоколировать изменения с помощью репозитория (repository);

2. обновлять связанные модели путем прямого/обратного инжиниринга (forward/reverse engineering) и разрешать конфликты (функции merge/compare/check models).

1. Сущность структурного подхода [1] заключается в декомпозиции всего приложения на компоненты по функциональным или другим критериям. Каждый компонент в свою очередь разбивается на меньшие, и так далее до выделения бизнес-логики в методах класса. Например, структурирование приложения обеспечивается с помощью иерархического представления ООМ (вложенные диаграммы UML).

Рис. 7. Средства итерационного проектирования для PDM

На рис. 8 представлена схема возможных преобразований моделей и генерации программного кода. Последовательность проектирования и разработки проекта описана ниже в таблице. Номера операций соответствуют числам в кружочке на схеме.

Рис. 8 Схема возможных преобразований моделей

№	Исходные данные	Средство разработки	Описание этапа проектирования и результат
1	Требования к структуре приложения и функциональным возможностям; способы применения и пользователи	PowerDesigner / модуль ООМ	Проектирование концептуальной модели приложения в нотации UML - диаграмм прецедентов (use-CASE), сценариев (sequence или scenario), классов (class) и пр. Результат: диаграмма ООМ.
2	Данные о предметной области проектируемого приложения	PowerDesigner / модуль CDM	Проектирование концептуальной модели данных в нотации IE: определение сущностей и установка связей между ними. Результат: диаграмма CDM.
3	Концептуальная модель данных (CDM)	PowerDesigner / модуль PDM	Прямой инжиниринг CDM в физическую модель данных (PDM) и доработка последней (адаптация к выбранной СУБД, оптимизация). Результат: диаграмма PDM.
4	Физическую модель данных (PDM)	PowerDesigner / модуль PDM, СУБД	Генерация сценариев DDL и передача их на СУБД (через ODBC или текстовый файл с запросами SQL). Результат: модель данных в конкретной СУБД.
5	ОО и физическая модели данных (ООМ и PDM)	PowerDesigner / модуль ООМ	Объединение (merge) моделей, преобразование структур данных PDM в классы ООМ, обновление CDM (при необходимости). Результат: дополненная диаграмма ООМ.
6	Объектно-ориентированная модель ООМ	PowerDesigner / модуль ООМ	Прямой инжиниринг ООМ в исходные тексты выбранного средства разработки приложения. Результат: Шаблоны или готовый код на Java, PowerBuilder, C++, VB или другом языке программирования.
7	Исходные тексты из п 6.	выбранное средство разработки (Sybase PowerBuilder, PowerJ, Sun TDK, Microsoft VC++)	Доработка приложения с помощью средств RAD или "обычного" программирования (разработка пользовательского интерфейса, функции ввода/вывода и пр.) Результат: дополненный программный код и готовое исполняемое приложение (на данном витке итерации)
8	Исходные тексты из п. 7	PowerDesigner / модули ООМ, CDM, PDM	Обратный инжиниринг обновленных классов в диаграммы UML модели ООМ и обновление CDM, PDM, структуры БД (при необходимости) Результат: обновленные модели ООМ, CDM, PDM.
9	Переход на следующий "виток развития" приложения - п. 1.