MASARYKOVA UNIVERZITA FAKULTA INFORMATIKY Objektovo-relačné mapovanie a jeho použitie na platforme .NET DIPLOMOVÁ PRÁCA Tomáš Stach Brno, 2013 i Prehlásenie Prehlasujem, že táto diplomová práca je mojím autorským dielom, ktoré som vypracoval samostatne. Všetky zdroje, pramene a literatúru, ktoré som pri vypracovaní používal alebo z nich čerpal, v práci riadne citujem s uvedením úplného odkazu na príslušný zdroj. Vedúci práce : RNDr. David Sehnal ii Poďakovanie Rád by som poďakoval vedúcemu práce RNDr. Davidovi Sehnalovi za jeho podporu a cenné pripomienky a svojim nadriadeným v zamestnaní za zhovievavosť. Poďakovanie si zaslúži aj moja rodina a priateľka za obrovskú dávku trpezlivosti. iii Zhrnutie Cieľom tejto práce je zoznámiť čitateľa s objektovo-relačným mapovaním na platforme .NET. Po predstavení relačného a objektového modelovania nasleduje popis problematiky objektovo-relačného mapovania, jeho výhodami, nevýhodami a rozdielmi jeho použitia v programoch voči klasickému dopytovaniu pomocou SQL, resp. využitiu inej ako relačnej databázy. Následne sú niektoré konkrétne najčastejšie používané nástroje predstavené detailne a je porovnaný ich výkon v niekoľkých testoch. Súčasťou práce je testovacia aplikácia, ktorá bola použitá pri porovnávaní a testovaní výkonu jednotlivých nástrojov. iv Kľúčové slová Relačná databáza, NoSQL databáza, objektovo-relačné mapovanie, návrhové vzory, platforma .NET, LINQ, Entity Framework v Obsah Kapitola 1 Úvod 1 1.1 Formulácia práce .................................................................................1 1.2 Delenie práce .......................................................................................1 Kapitola 2 Databázy a relačné modelovanie 2 2.1 Pred-relačné databázy .........................................................................2 2.2 Relačné databázy .................................................................................3 2.3 Post-relačné databázy ..........................................................................10 Kapitola 3 Objektové modelovanie 14 3.1 Vlastnosti objektu ...............................................................................14 3.2 Modelovanie s objektami .....................................................................15 3.3 Vzťahy medzi objektami ......................................................................16 Kapitola 4 Objektovo-relačné mapovanie 19 4.1 Impedance mismatch ...........................................................................19 4.2 Mapovanie objektov na relácie ............................................................21 4.3 Princípy fungovania ORM ...................................................................25 4.4 Výhody použitia ORM ........................................................................41 4.5 Nevýhody použitia ORM .....................................................................42 Kapitola 5 Platforma .NET a použité databázy 43 5.1 Platforma .NET ...................................................................................43 5.2 Microsoft SQL Server ..........................................................................50 5.3 RavenDB .............................................................................................51 Kapitola 6 Prehľad ORM nástrojov 52 6.1 Aktívne projekty..................................................................................52 6.2 Neaktívne projekty ..............................................................................56 Kapitola 7 Vybrané ORM nástroje 58 7.1 Entity Framework ................................................................................58 7.2 LINQ to SQL .......................................................................................66 7.3 NHibernate ..........................................................................................70 7.4 LLBLGen Pro ......................................................................................77 Kapitola 8 Testovanie 83 8.1 Testovacia aplikácia .............................................................................83 8.2 Prostredie ............................................................................................84 8.3 Testy ....................................................................................................85 8.4 Vyhodnotenie .......................................................................................95 vi Kapitola 9 Záver 97 Literatúra 99 Prílohy 105 Príloha A: Diagramy databáz ......................................................................105 Príloha B: Zdrojové kódy testovacích dopytov .............................................107 Príloha C: Elektronické prílohy ....................................................................131 Príloha D: Namerané výsledky testov ..........................................................131 vii Kapitola 1 Úvod Väčšina netriviálnych aplikácií potrebuje nejakým spôsobom uchovávať svoje dáta, v drvivej väčšine prípadov ide o databázu. Už desaťročia sú v praxi najviac nasadzované relačné databázy založené na relačnom modeli. Medzi momentálne najpopulárnejšie programovacie jazyky patrí hlavne Java a C#. [1] Tieto objektovo orientované jazyky sú dlhodobo zaužívané a primárne využívané na vývoj podnikového softvéru a webových aplikácií. Pri ich vývoji treba venovať čas prevodu zložitých dátových typov na jednoduché skalárne typy uchovávané v relačnej databáze. Tento prevod môže programátor vykonať ručne, alebo môže využiť nástroj objektovo- relačné mapovanie, ktorý umožňuje komplexne vyriešiť nesúlad medzi objektovým a relačným modelom. Je nutné určiť mapovanie tried na jednotlivé tabuľky, resp. mapovanie atribútov objektu na stĺpce tabuliek. Následne je programátorovi dovolené pracovať priamo s objektovým modelom namiesto relačnej databázy. Takáto práca s objektami je omnoho pohodlnejšia a efektívnejšia ako práca s navzájom prepojenými riadkami dát. 1.1 Formulácia práce Text práce je číslovaný a štruktúrovaný obvyklým spôsobom. Prvý výskyt cudzieho, alebo odborného termínu je označený kurzívou. Popisovaná problematika obsahuje množstvo anglických termínov, ktoré sú v prípade možného slovenského ekvivalentu preložené. Originálny anglický názov je uvedený v zátvorke. Niektoré výrazy nie sú lokalizované z dôvodu neexistujúceho (MapReduce ), alebo nevhodného (Session ) prekladu. Ukážky zdrojových kódov a názvy tried, či metód sú odlíšené iným fontom textu. 1.2 Delenie práce Kapitola 2 popisuje rozdelenie databáz. U relačných sú vysvetlené špecifiká relačného modelovania a problematiky s ním spojenej, záver kapitoly sa týka moderných databázových systémov (NoSQL ). Nasledujúca kapitola 3 predstavuje objekty používané v objektovo orientovanom programovaní. Po zoznámení čitateľa s relačným a objektovým prístupom práca pokračuje kapitolou 4, ktorá predstavuje objektovo-relačné mapovanie, technológiu umožňujúcu prepojiť oba spomínané svety. Sú spomenuté základné pojmy problematiky a návrhové vzory využité pri tvorbe nástrojov spadajúcich do tejto kategórie. V kapitole 5 je popis základných technológii použitých v praktickej časti práce. Kapitoly 6 a 7 sa zaoberajú aktuálnou situáciou objektovo-relačného mapovania na platforme .NET. Niektoré nástroje predstavené v týchto kapitolách sú otestované v aplikácii, ktorá je spolu so spôsobom testovania a výsledkami popísaná v kapitole 8. Posledná kapitola 9 obsahuje záver celej problematiky a ponúka názor autora práce. 1 Kapitola 2 Databázy a relačné modelovanie Pod pojmom databáza si aj človek bez informatického vzdelania dokáže predstaviť skupinu údajov, ktoré sú istým spôsobom štruktúrované. Typickým príkladom môže byť napríklad databáza telefónnych čísiel, či liekov. V oblasti počítačov pojem databáza vyjadruje v princípe to isté: štruktúrovanú kolekciu (množinu) usporiadaných dát využívanú k ukladaniu a získavaniu informácií. Prvé databázové systémy sa objavili pred viac ako piatimi dekádami a za túto dobu prešli veľmi zaujímavým vývojom. Momentálne existuje značné množstvo druhov, najpoužívanejším je jednoznačne relačný typ, ktorému sekundujú databázy typu NoSQL. Táto kapitola uvedie čitateľa do problematiky databáz a podrobnejšie mu vysvetlí princípy na ktorých fungujú aktuálne tieto dva najpoužívanejšie typy. Ďalej sú vysvetlené základy relačného modelovania, ktorých pochopenie je dôležité pri štúdiu objektovo- relačného mapovania v kapitole 4. Dnes sú pokladané za databázový „štandard“ relačné databázy, ktoré sú najviac rozšírené, dostupné, majú za sebou veľmi dlhý vývoj a hlavne sú plne dostačujúce. Vo väčšine prípadov ide o prvý typ databázy s ktorým začínajúci vývojár príde do styku pri bežnej praxi, alebo v škole. Existuje však mnoho iných typov databáz, ktoré nespadajú do kategórie relačných a môžeme ich z časového hľadiska rozdeliť do dvoch skupín: na tie, ktoré vznikli skôr a na tie, ktoré vznikli neskôr, teda na pred-relačné a post-relačné databázy. Pojmy databáza a databázový systém sa často zamieňajú. Databázový systém, resp. Systém riadenia báze dát ( SRBD 1 ) je kolekcia softvéru, ktorá užívateľom umožňuje získavať, vytvárať a modifikovať informácie z databázy. Databáza je len samotný súbor dát. 2.1 Pred-relačné databázy Prvé databázy vznikli v 60-tych rokoch minulého storočia. Historicky prvou komerčnou bola databáza IMS ( Information Management System ) hierarchického typu od spoločnosti IBM, ukladajúca dáta v stromovej štruktúre. Základnými operáciami bolo vyhľadávanie všetkých potomkov alebo rodiča daného záznamu. Dnes podobnú štruktúru uchovania dát využíva značkovací