[论文解读] Conceptual Schema Optimisation -- Database Optimisation before sliding down the Waterfall

Henderik A. Proper, Terry Halpin|arXiv (Cornell University)|May 26, 2021

Advanced Database Systems and Queries参考文献 48被引用 12

一句话总结

本文提出了一种在实现前通过在基于对象-角色建模（ORM）的正式框架内应用变换序列来优化概念数据库模式的方法。通过保持数学等价性和人类偏好，该方法实现了早期、与平台无关的优化，减少了下游性能问题，并通过一种用于指定模式变换及其语义的元语言提高了设计质量。

ABSTRACT

In this article we discuss an approach to database optimisation in which a conceptual schema is optimised by applying a sequence of transformations. By performing these optimisations on the conceptual schema, a large part of the database optimisation can be done before actually sliding down the software development waterfall. When optimising schemas, one would like to preserve some level of equivalence between the schemas before and after a transformation. We distinguish between two classes of equivalence, one based on the mathematical semantics of the conceptual schemas, and one on conceptual preference by humans. As a medium for the schema transformations we use the universe of all (correct) conceptual schemas. A schema transformation process can then be seen as a journey (a schema-time worm) within this universe. The underlying theory is conveyed intuitively with sample transformations, and formalised within the framework of Object-Role Modelling. A metalanguage is introduced for the specification of transformations, and more importantly their semantics. While the discussion focusses on the data perspective, the approach has a high level of generality and is extensible to process and behaviour perspectives.

研究动机与目标

• 在映射到物理模式之前，实现在概念模式级别的数据库优化。
• 在模式变换过程中保持数学等价性和人类偏好。
• 开发一种形式化的元语言，用于指定模式变换及其语义。
• 通过在开发生命周期早期解决设计缺陷，减少实现层面的性能问题。
• 通过重写系统和变换规则，支持半自动化的模式优化。

提出的方法

• 该方法将模式变换建模为在所有正确概念模式的宇宙中穿行的旅程，使用‘模式时间虫’隐喻。
• 变换在对象-角色建模（ORM）框架内形式化，以确保语义一致性。
• 引入一种元语言以指定变换及其语义，区分正确性、类型保持性和非冗余性。
• 定义了三种变换解释：替代（等价的模式变体）、丰富（添加新类型）和优化（内部效率改进）。
• 形式化规则确保正确性：保持模式有效性，新类型不重复存在，且不移除派生类型。
• 该方法使用清理函数对变换后的模式进行归一化，以确保一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在软件开发瀑布模型的早期阶段实现概念模式的优化？
• RQ2 哪些形式化标准可确保模式变换保持数学等价性和用户偏好？
• RQ3 如何设计一种元语言以指定模式变换及其语义？
• RQ4 哪些关键的变换类型可在不损害正确性的前提下支持概念模式的改进？
• RQ5 如何实现变换过程的半自动化以减少手动设计工作量？

主要发现

• 所提出的方法使得在概念模式级别即可实现显著的数据库优化，从而减少了对映射后性能调优的需求。
• 通过形式化变换规则，保持了模式之间的数学等价性，确保了语义一致性。
• 人类对模式表示的偏好可在优化过程中被形式化建模并予以尊重，从而提升了可用性。
• 元语言和变换规则确保了新类型不冗余，且派生类型不会被意外移除。
• 该框架可扩展至处理数据建模之外的流程和行为视角。
• 正在开发一种用于半自动模式优化的原型工具，计划引入重写系统以处理约束和推导规则的变换。