Table Of ContentFZI -Berichte Informatik
Herausgegeben vom Forschungszentrum Informatik
an der Universitat Karlsruhe (FZI)
Herausgebergremium: R. Dillmann G. Goos P. C. Lockemann
U. Rembold W. Rosenstiel
M. Wallrath
Entwicklung ingenieur
wissenschaftlicher
Datenbankanwendungen
Ein objektorientiertes Datenmodell
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona
Budapest
Herausgeber
Forschungszentrum Informatik an der Universitat Karlsruhe (FZI)
Haid-und-Neu-StraBe 10-14, D-76131 Karlsruhe
Autor
Mechtild Wallrath
Forschungszentrum Informatik an der Universitat Karlsruhe
Haid-und-Neu-StraBe 10-14, D-76131 Karlsruhe
ISBN-13: 978-3-540-55720-3 e-ISBN-13: 978-3-642-77665-6
DOl: 10.1007/978-3-642-77665-6
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor
SPIN: 10075861 45/3140-543210 - Gedruckt auf siiurefreiem Papier
Vorwort
Objektorientierte Datenmodelle, deren Entwicklung in den vergangenen Jahren wesent
lich durch die Anforderungen der Nicht-Standard-Anwendungen fUr Datenbanksysteme
gepragt war, gewinnen durch ihre Berucksichtigung in kommerziellen Produkten auf die
sem Sektor kontinuierlich an Bedeutung. Ein wichtiges Teilgebiet der Nicht-Standard
Anwendungen sind die ingenieurwissenschaftlichen Anwendungen mit den Teilbereichen
Computer Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD), Computer Aided
Manufacturing (CAM) und Computer Aided Process Planning (CAPP).
Wahrend den Anforderungen dieser Anwendungsbereiche durch objektorientierte Da
tenmodelle und spezifische Systemarchitekturen weitestgehend Rechnung getragen wird,
ist bisher nur unzureichend untersucht worden, welche Entwurfsmethoden der Entwick
lung einer konkreten Anwendung zugrunde gelegt werden konnen. Der Entwurf einer
technischen Datenbankanwendung, die auf persistente Daten zugreift, erfordert Entwurfs
konzepte fUr zwei Teilbereiche - den Entwurf des (objektorientierten) Datenbankschemas
einerseits sowie den Entwurf der Anwendungsprogramme unter Berucksichtigung des Da
tenbankschemas andererseits.
Bei den in diesem Buch vorgestellten Methoden fUr den Datenbankentwurf auf der Ba
sis objektorientierter Datenmodelle und fur die Anforderungsanalyse bzgl. des Programm
entwurfs handelt es sich urn Erweiterungen allgemein anerkannter Entwurfstechniken. Die
Basis der vorgestellten Methodik fUr den Entwurf objektorientierter Datenbankschemata
bildet der Phasenentwurf in Anlehnung an die ANSI/SPARC 3-Schichten-Architektur.
Anhand eines umfangreichen Anwendungsbeispiels aus dem Bereich der Robotik wird ex
emplarisch aufgezeigt, wie die verschiedenen Entwurfsphasen und Teilschritte erweitert
werden mussen, urn zu einer Beschreibung der anwendungsrelevanten Objekttypen und
ihres Verhaltens zu gelangen. Fur den Bereich des Softwareentwurfs wird untersucht, wie
dieser durch das zugrundeliegende objektorientierte Datenmodell und spezielle Schnitt
stellenkonzepte unterstutzt werden kann und welche Abhangigkeiten zwischen Konzepten
des Datenbank- und Softwareentwurfs bestehen.
Dieses Buch ist eine leicht uberarbeitete Fassung meiner von der Fakultat fUr Infor
matik der Universitat Karlsruhe genehmigte Dissertation mit dem Titel "Entwicklung
ingenieurwissenschaftlicher Anwendungen auf der Basis eines objektorientierten Daten
modells". Wenngleich die Promotionsordnung dieser Fakultat besagt, daB eine Disserta
tion ein eigener Beitrag seines Verfassers / seiner Verfasserin zum Fortschritt der Wis
senschaft sein muB, kann eine derartige Arbeit niemals vollstandig als alleiniges Werk
einer Person betrachtet werden. Immer wird sie beeinfluBt durch das Umfeld, in dem sie
entsteht. Dazu gehoren einerseits die Kolleginnen und Kollegen, Studentinnen und Stu
denten, die durch ihre Beteiligung an fachlichen Diskussionen EinfluB auf Entscheidungen
vi VORWORT
nehmen oder durch technische und organisatorische Unterstutzung die Umsetzung von
Ideen ermoglichen, andererseits aber auch diejenigen Menschen, die im privaten Umfeld
die fUr einen berufiichen Erfolg ebenso notwendigen Rahmenbedingungen schaffen.
Die hier prlisentierten Forschungsergebnisse entstanden wahrend meiner Tatigkeit als
wissenschaftliche Mitarbeiterin am Institut fUr Programmstrukturen und Datenorganisa
tion der Fakultat fUr Informatik. Ich mochte an dieser Stelle allen Kolleginnen, Kollegen,
Studentinnen und Studenten danken, mit denen ich dort zusammenarbeiten durfte. Stell
vertretend mochte ich Frau Jutta Mulle und Herrn Martin Durr nennen, deren Diskussi
onsbeitrage fUr mich sehr wertvoll waren.
Mein besonderer Dank gilt meinem Betreuer, Herrn Prof. Dr. P.C. Lockemann, der
mir den notigen Freiraum fUr eigene Forschungsarbeiten verschaffte und durch den Einsatz
seiner Sachkompetenz und seiner Zeit maBgeblich zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen
hat. Herrn Prof. Dr. R. Dillmann danke ich fur die Ubernahme des Zweitgutachtens.
Eine wichtige Ausgangsbasis fUr die Dissertation bildeten die Erfahrungen, die ich
durch die Mitarbeit im Projekt R2D2 gewonnen habe. Bedanken mochte ich mich bei
meinem Kollegen Herrn Alfons Kemper fUr die gute Zusammenarbeit und die Konzeption
des Datenmodells sowie bei Herrn Martin Huck fUr seine Bereitschaft, sein Wissen aus
dem Bereich der Robotik einzubringen. Stellvertretend fur alle Studenten danke ich den
Herren Stefan Lang und Matthias Zimmermann fur ihr groBes Engagement. Den Kol
legen der AIM-Forschungsgruppe des Wissenschaftlichen Zentrums Heidelberg der IBM
Deutschland bin ich zu groBem Dank verpfiichtet fUr ihre Offenheit gegenuber unseren
Vorschlagen und ihre Bereitschaft, die Last der Implementierung vieler Datenmodellkon
zepte zu tragen.
Mein ganz besonderer Dank gilt meinem Mann fur sein Verstandnis und seine Geduld,
die er mir jederzeit entgegenbrachte, sowie meinen Eltern. In einer Zeit, in der eine
weitreichende Qualifikation von Frauen noch keine Selbstverstandlichkeit war, haben sie
mir eine gute Ausbildung ermoglicht und meine personlichen Entscheidungen mitgetragen.
Dies trug wesentlich dazu bei, daB ich meine berufiichen Wunsche verwirklichen konnte.
Karlsruhe Mechtild Wallrath
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
2 Anwendungsaspekte 5
2.1 Einfiihrung in die Robotersimulation .. . . . . . . . 5
2.2 Datenunabhangige Modellierung technischer Objekte 8
2.3 Programmierung mit technischen Objekten . 21
3 Datenbankaspekte 25
3.1 Ein Datenmodell fiir technische Anwendungen . . . . . . . . . . . 25
3.1.1 Das erweiterte NF2-Datenmodell .............. 26
3.1.2 Realisierung des erweiterten NF2-Datenmodells in AIM-P . 29
3.1.3 Das R2D2-Datenmodell . . . . . . . . . . . . . . 30
3.1.4 Realisierung des R2D2-Datenmodells in AIM-P. . 37
3.2 Programmierung mit komplexen Objekten . . . . . . . . 41
3.2.1 Basiskonzepte der API-Programmierschnittstelle . 41
3.2.2 Die objektorientierte Erweiterung von API . . . . 48
3.2.3 Konzepte der R2D2-Programmierschnittstelle . . . 49
3.2.4 Die Updateproblematik fiir abgeleitete Relationen 55
3.3 Zusammenfassung................. 60
4 Modellierung technischer Anwendungen in R2D2 63
4.1 Das Datenbankschema in R2D2: Definition und Konsequenzen 63
4.2 Konzeptueller Entwurf . . . . . . . . . . . . 65
4.3 Implementationsentwurf . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Ermittlung der Informationseinheiten 78
4.3.2 Konzeptueller operationaler Entwurf 88
4.3.3 Struktureller DBDT-Entwurf .... . 106
4.3.4 Operationaler DBDT-Implementationsentwurf · 116
4.3.5 Entwurf der Relationenschemata · 122
4.3.6 Entwurf externer Schemata · 132
4.4 Implementierung der Schemata · 146
4.5 Zusammenfassung ......... . 147
5 Entwurf objektorientierter Datenbankschemata 149
5.1 Das Gesamtmodell . . . . . 149
5.2 Informationsbedarfsanalyse........... 151
viii INHALTSVERZEICHNIS
5.3 Konzeptueller Datenbankentwurf . . . . . . . . 151
5.3.1 Entity-Relationship-Modellierung.... 151
5.3.2 Objektorientierter konzeptueller Entwurf 152
5.4 Implementationsentwurf . . . . . . . . . . . . . 155
5.4.1 Objektorientierter Implementationsentwurf . 156
5.4.2 Entwurf des Datenbasisschemas 158
5.4.3 Entwurf externer Schemata 159
5.5 Physischer Datenbankentwurf 160
6 Softwareentwurf in R2D2 161
6.1 Motivation................... 161
6.2 Konzepte zur Anforderungsanalyse in R2D2 163
6.2.1 Beispiel und Notationen . . . . . . . 163
6.2.2 ProzeB- und InformationsfiuBidentifikation . 166
6.2.3 Objektorientierte InformationsfiuBspezifikation . 169
6.2.4 InformationsfiuBspezifikation auf der Basis der R2D2-Architektur. 180
6.2.5 Identifikation und Spezifikation von Datenbanktransaktionen 188
6.2.6 Spezifikation der Performanceanforderungen 190
6.3 Zusammenfassung............................ 194
7 Softwareentwurf mit persistenten Objekten 197
7.1 Der Verfahrensplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 197
7.2 Ermittlung des erweiterten DatenfiuBdiagramms . . . . . . . . . . . . .. 197
7.2.1 Identifikation und Spezifikation von Prozessen und Datenstromen 199
7.2.2 Objektorientierte InformationsfiuBspezifikation . . . . . . . . . .. 199
7.2.3 Identifikation und Spezifikation lokaler und globaler Datenspeicher . 200
7.3 Identifikation und Spezifikation von Datenbanktransaktionen . 201
7.4 Spezifikation der Performanceanforderungen ................. 201
8 Zusammenfassung 203
9 Ausblick 207
Literaturverzeichnis 209
A Spezifikation des Datenbasisschemas ROSI-DB 221
A.1 Deklaration der Datentypen und Operationen · 221
A.2 Deklaration des Relationenschemas ..... . · 238
A.3 Deklaration der Endeffektorsicht . . . . . . . . · 239
A.4 Pascalrepriisentation der vereinbarten Datentypen · 242
A.5 Implementierung ausgewahlter Funktionen . . . . · 256
Kapitell
Einleitung
Die Datenbankforschung und -entwicklung der vergangenen Jahre war stark gepragt von
der Fragestellung, welche Anforderungen sich aus den sogenannten Nicht-Standard-Anwen
dungen, etwa dem Bereich der Softwareentwickiung oder den Ingenieurwissenschaften, fUr
diese Systeme ergeben. Ein Schwerpunkt der Forschungsaktivitaten bestand in der Unter
suchung der Frage, wie Datenmodelle gestaltet sein mussen, urn die gegenuber herki:imm
lichen Anwendungen aus dem kaufmannischen und administrativen Bereich hi:ihere Kom
plexitat der Objektstrukturen und Objektsemantik erfassen zu ki:innen. Hier haben sich
insbesondere objektorientierte Datenmodelle [CM84, DFK+86, RS87, KLW87, BBB+88,
FJL +88, CDV88, KMWZ91J als geeignet erwiesen, die inzwischen auch in zunehmendem
MaB in kommerzielle Produkte einflieBen [And90, WLH90, CE90, Ver90, BOS91, Dea91,
LLOW91, SK91, LLPS91, Ont91J.
Vornehmlich fUr ingenieurwissenschaftliche Anwendungen, d. h. die Bereiche Com
puter Aided Engineering (CAE), Computer Aided Design (CAD), Computer Aided Ma
nufacturing (CAM) und Computer Aided Process Planning (CAPP), und hier wiederum
besonders fur Entwurfsdatenbanken, hat sich zudem gezeigt, daB u. a. aufgrund der fUr
diese Anwendungen typischen langen Transaktionen neue Architekturkonzepte, wie bei
spielsweise Client-Server Architekturen, erforderlich sind. Ein weiteres Problem im Rah
men der Entwicklung einer ingenieurwissenschaftlichen Anwendung, die auf persistente
Objekte in einem Datenbanksystem zugreift, ist die Gewahrleistung der erforderlichen
Performance. Das hier vielfach geforderte Realzeitverhalten beim Datenzugriff kann i. a.
nur durch eine lokale Datenhaltung garantiert werden.
Zwei wesentliche Eigenschaften, durch die sich die Mehrzahl der objektorientierten
Datenmodelle auszeichnet, sind die strukturelle und die verhaltensmaBige Objektorientie
rung. Diese ermi:iglichen die Beschreibung komplexer Objektstrukturen und des Objekt
verhaltens im Datenmodell. Hierzu stehen i. a. Datendefinitionssprachen zur VerfUgung,
mit deren Hilfe Objektstrukturen und zugehOrige Operationen spezifiziert werden ki:innen.
Die Realisierung der Operationen erfolgt je nach Datenmodell mittels der Datenmanipu
lationssprache (DML) [KW87b, SRH90J, einer eigens fUr das Modell entwickelten Pro
grammiersprache [KMWZ91J, oder einer konventionellen hi:iheren Programmiersprache
[LKD+88, SRH90J.
Wahrend Modellierungskonzepte und Systemarchitekturen in den vergangenen Jahren
eingehend auf ihre Eignung fUr ingenieurwissenschaftliche Anwendungen hin untersucht
wurden, ist die Datenbankwelt den potentiellen Anwendern objektorientierter Datenbank
systeme die Antwort auf die Frage nach geeigneten Entwurfsmethoden fur objektorien
tierte Schemata bisher schuldig geblieben. Eine Ursache hierfUr ist darin iu sehen, daB
der Begriff des Datenbankschemas in vielen objektorientierten Datenmodellen nur un
zureichend oder gar nicht definiert ist. Zudem ist die Rolle externer Sichten in dies en
Datenmodellen ein offenes Problem. Erste Ansatze fUr Datenbankentwurfskonzepte be
schranken sich daher auf die semantische Modellierung [BM91J.
2 KAPITEL 1. EINLEITUNG
Ein anderes Problem, das auch im Bereich der Standard-Datenbanksysteme noch nicht
zufriedenstellend geli:ist wurde, ist die Programmierung mit persistenten Objekten. Die
Verarbeitung persistenter Objekte in Anwendungsprogrammen erfolgt hier L a. mit Hilfe
von zwei verschiedenen Sprachen - DML und der Programmiersprache. Ursache dafUr
sind die unterschiedlichen Typsysteme, Manipulations- und Datenhaltungsmechanismen
der beteiligten Systeme. Dieses fUhrt im Rahmen des Softwareentwurfs dazu, daB die Da
tenbankschnittstelle ebenso wie die Dateischnittstelle als externe Schnittstelle betrachtet
wird. Zur Integration von Programmiersprachen- und Datenbankkonzepten existieren
verschiedene Ansatze aus dem Bereich der integrierten Datenbankprogrammiersprachen
[Sch77, Was79, Sho79, MBW80, SFL81, Rei83, AC085, BA86, BBKV87, SEM88] und der
objektorientierten Programmiersprachen [ZW88, KBC+88, M888].
Ein weiterer Ansatzpunkt sind die objektorientierten Datenbanksysteme selbst. Die
verhaltensmaBige Objektorientierung bildet bei geeigneter Wahl der lokalen Datenhal
tungskonzepte eine gute Ausgangsbasis fUr eine weitestgehend nahtlose Schnittstelle zwi
schen Programmiersprache und Datenbanksystem. Bei dieser Art der Integration liber
das Objektkonzept ist jedoch von Bedeutung, wie sie im Rahmen des Softwareentwurfs
unterstlitzt werden kann. Dieses Problem ist gerade im Bereich der ingenieurwissenschaft
lichen Datenbankanwendungen von besonderem Interesse, da der Datenbankzugriff hier
primar liber Anwendungsprogramme erfolgt.
Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, welche Methoden fUr die Entwicklung
ingenieurwissenschaftlicher Anwendungen auf der Basis eines objektorientierten Daten
modells bereitgestellt werden ki:innen. Der Begriff Entwicklung umfaBt dabei sowohl den
Bereich des Entwurfs objektorientierter Datenbasisschemata als auch den der Entwick
lung von Anwendungsprogrammen. Eine Unterstlitzung dieser Entwurfsvorgange fUr in
genieurwissenschaftliche Anwendungen ist insbesondere im Hinblick darauf von Interesse,
daB die Objektorientierung ein derart machtiges Konzept zur Beschreibung der Semantik
von Daten einer Anwendung darstellt, daB eine verstarkte Kooperation von Datenbank
und Anwendungsexperten erforderlich ist.
Die Arbeit ist wie folgt aufgebaut: Kapitel 2 und 3 fUhren in die den Entwurfsmetho
den zugrundeliegenden Konzepte ein. Kapitel 2 gibt zu diesem Zweck eine EinfUhrung
in ein Beispiel fUr ingenieurwissenschaftliche Anwendungen - die Robotik. Hier wer
den grundlegende Prinzipien, vornehmlich der Robotersimulation, vorgestellt. Weiterhin
werden die Charakteristika der fUr diesen Anwendungsbereich typischen Objekte heraus
gearbeitet und am Beispiel des Robotersimulationssystems R08I [DH85] wird gezeigt, wie
die Modellierung und Verarbeitung der Daten mit konventionellen Methoden erfolgt.
In Kapitel 3 wird das speziell flir ingenieurwissenschaftliche Anwendungen entwickelte
objektorientierte Datenmodell R2D2 [KLW87, KWD88, LKD+88] vorgestellt. Basiskon
zepte der Objektorientierung stellen hierin das nicht-normalisierte relationale Datenmo
dell [S886] sowie das Konzept der benutzerdefinierten Datentypen dar. Der zweite Teil
dieses Kapitels befaBt sich mit den Basismechanismen der R2D2-Programmierschnittstelle.
Hierzu gehi:iren Methoden der objektorientierten lokalen Datenhaltung und Manipulation
sowie Strategien zur benutzerkontrollierten Leistungssteuerung.
Kapitel 4 und 5 befassen sich mit dem Hauptgesichtspunkt der Arbeit, namlich dem
Entwurf objektorientierter Datenbankschemata. Hierzu wird in Kapitel 4 an einem kom
plexen Modellierungsbeispiel fUr ROSI und das R2D2-Datenmodell gezeigt, welche Ent
wurfsschritte im einzelnen zu durchlaufen sind und welche Rolle dem Konzept der benut-
KAPITEL 1. EINLEITUNG 3
zerdefinierten Datentypen zukommt. Kapitel 5 faBt die evaluierten Entwurfsschritte zu
einer allgemeinen Entwurfsmethode fur objektorientierte Datenbankschemata zusammen
und gibt Entwurfsrichtlinien sowie Pramissen und Einschrankungen des Ansatzes an.
Zur Entwicklung der Konzepte fur den Softwareentwurf auf der Basis eines objekt
orientierten Datenbanksystems wird eine analoge Vorgehensweise verfolgt. Hierzu wird
in Kapitel 6 wiederum anhand einer Fallstudie aus dem Bereich der Robotersimulation
gezeigt, wie der Programmentwurf erfolgen sollte. Der Schwerpunkt wird dabei auf die
Anforderungsanalyse und hier wiederum auf die Fragen der lokalen Datenhaltung, der
Transaktionen und der Leistungsanforderungen gelegt. Kapitel 7 faBt die anhand der
Fallstudie ermittelten Ergebnisse zu einem Entwurfsleitfaden zusammen.
In Kapitel 8 und 9 werden die wesentliche Ergebnisse der Arbeit nochmals kurz zu
sammengefaBt und Anforderungen und Perspektiven fur Einsatz und Weiterentwicklung
der Methoden dargestellt.
