Aktivní databáze

1. Aktivní databáze Milan Plachý Dan Kobr 2010/2011

2. Obsah referátu • Úvod • Základní pojmy • Starburst • Oracle • DB2 • Chimera • Taxonomie konceptů aktivních databází • Aplikace, příklady

3. Úvod Aktivní databáze • podporují použití aktivních pravidel Aktivní pravidla (triggery) • umožňují databázovému systému reagovat na různé události a změny • definují činnosti, které se mají provést v případě provedení konkrétní operace nad databází

4. Přínos aktivních pravidel • velmi silný nástroj k zajištění kontroly a integrity dat • standardní databáze mohou ke kontrole využít pouze integritních omezení • usnadňují práci s databází

5. Problémy spojené s triggery • standardizace – sémantika triggeru záleží na konkrétní implementaci - kdy přesně je trigger spuštěn - jak proběhne a co jej může přerušit - jakým způsobem (zda vůbec) je ošetřeno zacyklení vzájemně se volajících triggerů • těžko odhadnutelný výsledek operací ve složitých databázových systémech

6. Aktivní databáze • Těsné svázání databázového systému a pravidel, kterými se databáze řídí automaticky • Paradigma: Událost-Podmínka-Akce (Event-Condition-Action)

7. Taxonomie – základní pojmy event (událost) • jakákoli změna stavu databáze • vyhledávání záznamu v databázi • pravidelně se opakující události • definovány externí aplikací

8. Taxonomie – základní pojmy condition (podmínka) • vrací logickou hodnotu True / False • databázový predikát • databázový dotaz – ohodnocen True, pokud je výsledek neprázdný

9. Taxonomie – základní pojmy action (akce) • libovolná manipulace s daty v databázi • může aktivovat procedury definované externí aplikací • může obsahovat transakční příkazy (ROLLBACK) • může aktivovat / deaktivovat aktivní pravidla

10. Active rule engine (jádro aktivních pravidel) • Nastavení pravidel, pořadí akcí a transakcí, kontrola změn databáze dle nastavených pravidel • Zaručení reagujícího chování databáze • Možnost nahrazení části sémantiky databáze aktivními pravidly • Nová dimenze závislostí - knowledgeindependence • Aplikace není nijak vázána s těmito pravidly a ani je nemusí/nesmí znát • Nastavení pouze jednou, poté pouze úpravy -> ušetření práce aplikace resp. uživatele • společné pro všechny aplikace a uživatele

11. Jak chápat aktivní databázi • Aktivní databáze je klasický databázový systém obsahující navíc množinu pravidel, podle kterých se databáze chová • Jednoduchým příkladem (bez ohledu na databázový systém) může být například databáze firmy, která si vede historii o změnách v databázi. V případě, že jeden ze zaměstnanců přidá do tabulky s výrobky novou položku, databáze automaticky zanese tuto informaci do tabulky s historií a přidá například údaje o zaměstnanci • Výhodou pravidel je především jejich nezávislost na konkrétní aplikaci a zjednodušení práce aplikace

12. Syntaxe a sémantika aktivní databáze • Syntaxe se mění v závislosti na databázovém systému, závisí na orientaci databáze (relační, objektově orientovaná) • Budeme se zajímat o systémy • Starbust, Chimera - objektově orientované • Oracle, DB2 - relační • V relačních databázích - trigger - někdy používáno jako synonymum k active rule engine resp. jeho příkladem

13. Triggery • Snaha standardizovat od 80-tých let, nepovedlo se je zařadit do standardu SQL-92 kvůli nedostatkům standardizačního dokumentu • Snaha výrobců vytvořit aplikace co nejblíže připravovanému standardu • Problémy, které jsou dány tedy řeší výrobci různě (Oracle podle SQL3) • 1990 - 1995 dominuje standardizaci SQL3 1996 podává DB2 žádost o úpravu SQL3 standardu a navrhuje přesné sémantické řešení triggerů s ohledem na kontrolu integrity

14. Starburst • Projekt IBM vývojové centrum Almaden • Aktivní rozšíření -> Starbust active rule system • Populární - jednoduchá syntaxe a sémantika - množinově orientovaná syntax - sémantika relačních databází • Umožňuje vytvářet a mazat pravidla podle paradigmatu Událost-Podmínka-Akce • Události - INSERT, DELETE, UPDATE • Podmínka - Predikát stavu databáze vyjádřen v SQL • Akce - zahrnují klasické SQL příkazy (SELECT, INSERT, DELETE, UPDATE), dále pak příkazy pro manipulaci s pravidly a instrukce transakcí (ROLLBACK WORK) •  Paradigma má intuitivní a jednoduchou sémantiku: • Nastane-li událost a je splněna podmínka, poté se provede akce (U většiny databází)

15. Starburst - pravidla • Pravidlo je • spuštěné (trigerred) - nastane-li událost, která ho definuje • zvážené (considered) - po kontrole podmínky • vykonané (executed) - po provedení akce • Různé systémy se na tyto položky dívají různě • Každá aplikace může dynamicky pracovat s pravidly vypínání/zapínání pravidel

16. Syntaxe vytvoření pravidlave Starbust CREATE RULE <jméno_pravidla> ON <jméno_tabulky> WHEN <spouštěcí_operace> [IF <SQL_predikát>] THEN <SQL_výraz> [PRECEDES <jméno_pravidla>] [FOLLOWS <jméno_pravidla>] <spouštěcí_pravidlo> = INSERTED|UPDATED| DELETED [(<jména_ sloupců>)]

17. Syntaxe vytvoření pravidlave Starbust - příklad CREATERULE kontrola_platu ON Zamestnanci WHENINSERTED, DELETED, UPDATED(Plat) IF (SELECTAVG (Plat) FROM Zamestnanci)> 20000 THENUPDATE Zamestnanci SET Plat = 0.9 * Plat Co pravidlo dělá??

18. Vlastnosti pravidel • V případě přidání, odebrání nebo upravení platu některého ze zaměstnanců se automaticky spustí toto pravidlo. To nejprve zprůměruje platy všech zaměstnanců a v případě, že průměr jejich platů přesáhne limitní hranici, všechny platy sníží o 10% • Každé pravidlo musí mít unikátní jméno a je jednoznačně přiřazeno nějaké tabulce (cíl pravidla) • Jak je vidět z příkladu, každé pravidlo může monitorovat více událostí • Podobně jedna událost může být monitorována více pravidly • Pořadí vykonávání pravidel je dáno posledními dvěma částmi formule • Je nutné zajistit acykličnost

19. Sémantika aktivního pravidla v systému Starburst • V případě transakcí se implicitně pravidla spouští ve chvíli, kdy transakce zavolá COMMIT WORK, dále se spuštění pravidel dá zavolat explicitně: PROCESS RULES příkazem • Pravidlo • na začátku vykonání transakce nespuštěné • spuštěné v případě, že během transakce proběhne jeho spouštěcí událost • Ve chvíli spuštění triggerů - konfliktní množina • množina se postupně zmenšuje následovným algoritmem • 1) Vyber z množiny pravidlo P s nejvyšší prioritou, nastav ho na nespuštěné • 2) Vyhodnoť podmínku pravidla P • 3) Pokud je podmínka pravdivá, vykonej akci popsanou v pravidle P • Určení priority v bodě 1) je podle počtu předchůdců všech pravidel, pravidla se stejnou prioritou jsou řazena podle data vytvoření

20. Cyklické spouštění pravidel • Může se stát, aby se dvě (a více) pravidla zacyklila?? • Ano, v tomto případě říkáme, že je databáze je v nehybném stavu, resp. že pravidla jsou neukončitelná • Náhled ze strany stavů databáze - posun ze stavu S1 do S2 množinami zasažených příkazy transakce insert, delete, update • Je možné extrahovat pouze konkrétní množiny atributů: updated(Plat) • Pravidla jsou spuštěna pouze tehdy když n-tice, kterou ovlivňují je neprázdná • Pravidla umožňují takzvaný efekt sítě: • Spojení pravidel ovlivňujících stejnou n-tici dohromady • Každá n-tice změněna pouze jednou • Příklad: • insert + delete = null • vložení n1 a její úprava na n2 se chová jako vložení n2

21. Odkazování se na upravovaná data • Vytvoření dočasných tabulek s měněnými daty charakterizujícími změny stavu • tabulky INSERTED, DELETED, OLD-UPDATED, NEW-UPDATED • INSERTED - vkládaná/vkládané n-tice • DELETED - tabulka se smazanou n-ticí • OLD-UPDATED - tabulka s původními hodnotami n-tice • NEW-UPDATED - tabulka s novými hodnotami n-tice po UPDATu • Proč referovat na nové hodnoty?? • Přístup do temporálních tabulek je z důvodu jejich malé velikosti rychlý a s novými daty se bude pravděpodobně opět pracovat

22. Další příkazy pro práci s pravidly • Rozšíření starburstu obsahuje pčíkazy pro změnu, smazání, aktivování a deaktivování pravidla • DEACTIVATERULE <jméno_pravidla> ON <tabulka> • ACTIVATERULE <jméno_pravidla> ON <tabulka> • DROPRULE <jméno_pravidla> ON <tabulka> • Pravidla mohou být organizována ve větších množinách tzv. RULESET • CREATERULESET <jméno_množiny> • ALTERRULESET <jméno_množiny> • [ADDRULES <jména pravidel>] • [DELRULES <jména pravidel>] • DROPRULESET <jméno množiny>

23. Další příkazy pro práci s pravidly • Možnost manuálního zpracování pravidel (jak množiny, jak jediného pravidla) • PROCESSRULES|PROCESSRULESET <jméno_množiny> |PROCESSRULE <jméno_pravidla>

24. Příklad provádění pravidel • Nyní předpokládejme databázi s pouze jedním pravidlem a to kontrolou platu zaměstnanců • CREATERULE kontrola_platu • ON Zamestnanci • WHENINSERTED, DELETED, UPDATED(Plat) • IF (SELECTAVG (Plat) FROM Zamestnanci)> 10000 • THENUPDATE Zamestnanci • SET Plat = 0.9 * Plat • Dále tabulku s platy zaměstnanců Zamestananci v následujícím stavu

25. Příklad provádění pravidel • Přidejme nyní do tabulky dvojici Jaromír 12000, po přidání, se spustí pravidlo kontrola_platu, průměr je nyní vyšší než 10000, proto bude kontrolní podmínka vyhodnocena jako true a každému zaměstnanci se plat sníží o 10%. • Nyní je průměrný plat nižší než 10000, nicméně pravislo je spuštěno znovu, protože proběhl UPDATE předchozím pravidlem, nicméně podmínka bude vyhodnocena jako false z důvodu nízkého platu zaměstnanců • V případě, že by ale byla hodnota průměrného platu stále moc vysoká, spouštělo by se toto pravidlo neustále dokola a mohlo by dojít (špatným nastavením pravidla) k zacyklení, zkuste vymyslet jak • Správné nastavení pravidel je pouze v rukou vývojáře a je nutné je dobře specifikovat

26. Příklad provádění pravidel

27. Oracle • Oracle podporuje triggery obecného účelu podle předběžného dokumentu popisující triggery - SQL3 • Velmi silné, je povoleno v triggeru libovolný PL/SQL kód • Reagují na INSERT, DELETE, UPDATE na dané tabulce • 2 různé úrovně granuality triggerů • řádková úroveň (row-level) • výrazová úroveň (statement-level) • Statement level - podobné jako starburst, množinově orientovaná sémantika • row-level - sémantika orientovaná na konkrétní instance - každý řádek, který byl ovlivněn

28. Oracle • Možnost spustit trigger před nebo po provedení příkazu -> těsné svázání s konkrétním příkazem • 2 typy x 2 možnosti spuštění = 4 možnosti • řádkové trigery před příkazem (row-level before-triggers) • výrazové triggery před příkazem (statement-level before-triggers) • řádkové triggery po příkazu (row-level after-triggers) • výrazové triggery po příkazu (statement-level after-triggers)

29. Syntaxe Oracle triggeru CREATE TRIGGER <jméno_triggeru> BEFORE |AFTER} <událost_triggeru> ON <tabulka> [[REFERENCING <odkazy> ] FOR EACH ROW [WHEN (<podmínka>)]] <PL/SQL blok> <událost_triggeru> = INSERT | DELETE | UPDATE [OF <jména_sloupců>] <odkazy> = OLD AS <pojmenování_předchozí_n_tice> NEW AS <pojmenování_nové_n_tice> FOR EACH ROWurčuje úroveň (vynechání = statement level)

30. Syntaxe Oracle triggeru • podmínka je podporována pouze v případě řádkové úrovně (řádkový predikát), v případě úrovně výrazu je možné použít příkaz WHERE, což ale umožňuje možnost nekonečného cyklu • odkazy na předchozí stavy databáze jsou možné pouze v řádkové úrovni pomocí nastavení REFERENCING nebo zabudovaných proměnných OLD a NEW

31. Sémantika triggeru v Oraclu • Každá operace může být na každé úrovni monitorována nejvýše jedním triggerem -> max 4 triggery • pořadí vykonávání triggerů není možné explicitně ovlivnit • Postup při vyhodnocování výrazu • 1. Vykoná se výrazový trigger před příkazem • 2. Pro každý řádek cílové tabulky • a. řádkový trigger před výrazem • b. modifikace řádku a kontrola řádkové integrity • c. řádkový trigger po výrazu • 3. Kontrola integrity na úrovni výrazu • 4. výrazový trigger po příkazu • během všech akcí je možné zavolat nový trigger - možné kaskádové šíření - max 32 aktivovaných triggerů, potom vyhození výjimky, ROLLBACK (podpora částečných nejen transakčních rollbacků)

32. DB2 • Triggery podobně jako Oracle • Definováno ve výzkumném středisku IBM • Snaha definovat přesnou sémantiku triggerů vzhledem k integritě

33. DB2 - syntaxe • Každý trigger monitoruje pouze jednu událost • Jako v Oraclu existují AFTER a BEFORE triggery, řádková/výrazová úroveň CREATETRIGGER <jméno_triggeru> {BEFORE| AFTER} <spouštěcí_událost> ON <tabulka> [REFERENCING <odkazy>] FOR EACH{ROW|STATEMENT} WHEN (<SQL_podmínka>) <SQL_procedura> • <spouštěcí událost> = INSERT|DELETE|UPDATE[OF <jména_sloupců>]

34. DB2 - syntaxe • OLD a NEW označují n-tice jako v Oraclu • OLD_TABLE a NEW_TABLE popisují n-tice před a po množinově orientovaném dotazu • INSERT definován pouze proměnnou NEW_TABLE, DELETE naopak pouze OLD_TABLE • Obsah tabulek je podobný jako u Starburstových INSERTED, DELETED, OLD_UPDATED, NEW_UPDATED s rozdílem, že ve Starburst může všechny události monitorovat pouze jeden trigger • Možnost vyhození chyb -> Výrazový ROLLBACK

35. DB2 – sémantika triggerů • Before triggery slouží pro kontrolu vkládaných dat • Nemohou obsahovat výrazy INSERT, UPDATE, DELETE – nedojde ke kaskádovému šíření • AFTER triggery se vykonají po akci • Jednu událost může monitorovat více triggerů, provádějí se v pořadí podle času definování • Postup při zpracování procedury v DB2: • Akce A vyvolá událost E poté probíhá následující procedura • 1. Pozastaví se a do zásobníku uloží pracovní prostor pro A • 2. Spočtou se hodnoty OLD a NEW vůči E • 3. Vykonání všechny before-triggery vůči E, možné změnit NEW • 4. Aplikování přechodu pomocí NEW • 5. Vykonání všech after-triggerů případně rekurzivní volání dalších • 6. Vhodí ze zásobníku pracovní místo pro A a pokračuje

36. DB2 – sémantika triggerů • Kroky nejsou nutné v případě uživatelem definované transakce • V případě, že v bodě 4 jsou porušena integritní omezení (s check constrains) jsou volány kompenzační akce dokud se nedosáhne opravené pozice • V tomto případě nastávají následné akce • 4. Aplikování přechodu pomocí NEW, pro každé integritní omezení IC bereme akci Aj, která znovu zaručí integritu • a. Spočtou se hodnoty NEW a OLD vůči Aj • b. Vykonají se before-triggery vzhledem k Aj, možnost změny hodnoty NEW • c. Aplikování změn v NEW, čímž A nabyde efektivity • d. Dá všechny triggery vztahující se k Aj do fronty pro další vykonání • Fronta může narůst kvůli velkému množství kompenzačních akcí

37. Chimera • Čistě objektově orientovaný databázový systém, spojuje objektově orientovaný datový model, deklarativní jazyk a jazyk aktivní databáze • Aktivní pravidlo - trigger - množinově orientované • Několik novinek oproti předchozím • Využívá identifikátorů objektů pro popis objektů, které jsou akcí ovlivněny. Identifikátory poskytují spojovací mechanismus událost-podmínka, podmínka-akce • Poskytují různé módy pro zpracování událostí - event consumption modes • Podpora jak okamžitého tak odloženého spuštění triggeru • Mechanismy pro přístup do okamžitých stavů databáze • Možnost podpory efektu sítě (speciální predikát)

38. Shrnutí jazyku Chimery • Schémata se skládají z tříd objektů, každá třída má svůj stav sestávající se z atributů • Jazyk je klasický objektově orientovaný define object class Zamestnanec attributes Jmeno: string, Plat: integer end; define object class Oddeleni attributes Jmeno: string, Zamestnanci: set-of(Zamestnanec) end; • třídy jsou uspořádané v hierarchiích a v jejich deklaraci je možné zadefinovat integritní omezení, operací a přidělených triggerů

39. Chimera - deklarativní výrazy • Term • atom (konstanty, proměnné) • složený - funkcionální termy vytvořené deklarací (množina, list, záznam) • Formule • atomické formule se skládají z predikátu a seznamu parametrů • formule typu - popis datového typu proměnné - integer(X) • formule třídy - popis třídy objektu - Zamestnanec(X) • formule srovnání - mezi dvěmi skalárními termy, funguje jako klasické porovnání - X.Jmeno = 'Karel'‚ • formule náležení - mezi skalárem a množinou - Y in X.Oddeleni

40. Chimera - deklarativní výrazy • Formule • Složené formule se vytváří z jednoduchých jejich spojením a negací (negace pouze pro atomické) - Zamestnanec(X), Oddeleni(Y), Y.Jmeno = 'Marketing', not(X in Y.Zamestnanci) • Formule vyhodnocovány oproti databázi v nějakém stavu - matchování parametrů • Nezáleží na pořadí vyhodnocování výrazů, výsledek je vždy stejný

41. Primitivní výrazy (výrazová primitiva) • Procedurální výrazy jsou složeny z takzvaných primitivních výrazů • Primitivum select - select(X where Zamestnanec(X), X.Jmeno = 'Karel') • Primitivum create - create(Zamestnanec,['Josef',45000],X) X... výstupní proměnná vázaná k identifikátoru nově vytvořeného objektu • Primitivum delete - delete(Zamestnanec,X) • Primitivum modify (úprava) - modify(Zamestnanec.Plat,X,X.Plat*10) • Procedurální výrazy organizovány v transakčních řadách = řady primitivních výrazů oddělených čárkami • Transakční řada je nejmenší jednotka, která může být monitorována triggerem

42. Chimera - syntaxe definování triggeru define <nastavení> trigger <jméno_triggeru> [for <jméno_třídy>] events <spouštěcí_události> condition <formule> actions <procedurální_výraz> [{before|after} <jména_triggerů>] end <spouštěcí_událost> = create|delete|modify[(<jméno_atributu>)]  <nastavení> = [<nastavení_vykonávání>][<nastavení_zachování>] <nastavení_vykonávání> = deferred|immediate <nastavení_zachování> = event-consuming|event-preserving

43. Chimera - sémantika triggerů • Zpracování triggerů je dáno vůči konkrétní transakci • immediate triggery se vykonávají po skončení transakční řady • deferred triggery se vykonají při zavolání commit nebo savepoint příkazu • immediate triggery zavolané akcí jiného triggeru se provádějí spolu s deferred • Na rozdíl od Starburstu jsou aktivní triggery vždy vykonány, nefunguje efekt sítě

44. Chimera - sémantika triggerů • Postup při zpracovávání triggerů • Dokud není prázdná množina aktivovaných triggerů opakuj • Vyber z množiny trigger T s nejvyšší prioritou a nastav jeho příznak na neaktivovaný • Zkontroluj podmínku triggeru T • Pokud byla podmínka vyhodnocena kladně, vykonej akci v T • Výběr pořadí se řídí pouze podle after a before, novlivnitelný • Predikáty holds a occurred • slouží pro kontrolu akcí provedených triggerem • holds - kontrola výsledku síťového efektu

45. Chimera - sémantika triggerů • Módy zachování (consumption modes) • Consumed (zpracována) – každá instance události je zvažována pouze jednou a pak není relevantí • Preserved (zachována) – všechny instance události od začátku transakce jsou posuzovány neustále • Odkazy na předchozí stavy databáze jsou podporovány speciální funkcí old • Při prvním zvažování triggeru je old nastavena na začátek transakce

46. Sledování změn databáze • může probíhat na různých úrovních: • na úrovni instancí – např. změna objektu v rámci třídy nebo změna řádku tabulky • na úrovni příkazů – celý příkaz manipulující s daty je chápán jako událost

47. Sledování změn databáze • je nutné po určitou dobu uchovat staré i nové záznamy: • na úrovni instancí – používají se proměnné OLD a NEW pro řádek či objekt • na úrovni příkazů – proměnné DELETED a INSERTED representují celé tabulky

48. Konfliktní množina triggerů • množina pravidel, která mají být vykonána ve stejnou dobu • je nutné vybrat následující pravidlo • typicky se tak děje po vyhodnocení každé podmínky pravidla nebo po vykonání triggeru • je také možné vytvořit seznam triggerů a ty vykonávat jeden po druhém

49. Konfliktní množina triggerů- priority • úplné uspořádání – pravidla jsou ohodnocena prioritami a pořadí vykonání je jednoznačné • částečné uspořádání – ohodnocení pravidel je nejednoznačné (vyhodnotí systém nebo uživatel), výběr může být nedeterministický • bez priorit – vyhodnotí systém či uživatel

50. Opakovatelnost • jsou dány dvě stejné transakce, databáze a množina triggerů • vykonání transakce je opakovatelné, pokud jsou výsledky provedených transakcí stejné