Темпоральные базы данных: как построить машину времени

24 апреля 2014 года

Темпоральные базы данных:

как построить машину времени

Максим Зинченко

Oracle/Java-разработчик

Ему бы только деньги,

деньги, деньги…

Кто я? Что я здесь делаю?

Окончил МИФИ

В IT работаю 13 лет

Программирую 20 лет

QBasic, C++, Pascal, С, Delphi, TSQL,

PL/SQL, Java 1.3, C#, Java 1.7…

Работаю в CUSTIS 5 лет.

Автоматизация банков

2/ 111

За что я люблю CUSTIS

Зарплата

Бесплатные плюшки, чай, кофе…

Корпоративы, пятничные посиделки…

Расположение офиса

Можно работать удаленно

Нормальные рабочие места

3/ 111

За что я люблю CUSTIS

♥ Есть у кого поучиться

♥ Свобода творчества

♥ Руководитель – ваш друг

♥ Прозрачность и рефлексия

4/ 111

План

Философия времени

5/ 111

План


Модели машин времени

6/ 111

План


Модели машин времени

Реализация

7/ 111

Суть времени

8/ 111

Почувствуй время

Простые определения всегда идут

от ощущений

Что нужно, чтобы почувствовать время?

9/ 111

Роль памяти

Без памяти невозможно ощутить время

Память хранит прошлое

Мы помним события, в которых

не участвовали

Память хранит и будущее

10/ 111

Классическое представление

Бесконечность

Детерминированность

Непрерывность

Равномерность

Объективность

11/ 111

Альтернативные модели

Ограниченность (начало и конец времен)

Недетерминированность (случайности)

Квантование (минимальная единица)

Неравномерность

Субъективность

12/ 111

Какая же будет модель у нас?

Ограниченная по времени

Недетерминированная (открытая)

Квантованная

Равномерная

Объективная

13/ 111

Причины и следствия

Причины всегда в прошлом

Асимметрия времени: следствие

не определяет причины

Меняя причины, можем получить другое

следствие

14/ 111

Машина времени

С сутью времени вроде понятно

Что такое машина времени?

15/ 111

Что умеет машина времени?

1. Наблюдение за прошлым и будущим

2. Изменение прошлого и будущего

3. ???

4. PROFIT!

16/ 111

Можно ли ее построить?

В реальном мире – видимо, нет

В виртуальном – можно, но сложно

Зачем же она тогда нужна такая?

17/ 111

Зачем нужна машина времени

18/ 111

Предпосылки

Информационный бум

Новые возможности/потребности

Слияние виртуального и реального миров

19/ 111

Необходимость наблюдений

Разборки по факту проблем

Анализ активности в прошлом

Анализ «что если?»

Принятие решений на основании будущего

20/ 111

Необходимость изменений

Ошибки в прошлом

Запаздывание получения информации

Осуществление действий в точное время

(планирование)

21/ 111

Парадоксы

Изменения в прошлом и будущем рождают

«парадоксы»

На самом деле это просто коллизии

причин и следствий

Парадоксы виртуального мира работают

так же, как и в реальном

22/ 111

Решения парадоксов

Все они сводятся к решению «парадокса

дедушки»

Многочисленные фантасты давно все

написали

23/ 111

Решения парадокса дедушки

Ветвление вселенной

Эффект бабочки

24/ 111

Решения парадокса дедушки

Слияние линий времени

(эластичность/упругость)

Принцип запрета

25/ 111

Решения парадоксов дедушки

Замещение

Довольно сурово, зато просто

26/ 111

Что дальше?

«Парадоксы» можно решать

Пора приступать к реализации нашего

мира…

27/ 111

Терминология

Для начала введем

несколько терминов …

28/ 111

Основные термины

Период действия

Линии времени

Сущности

Факты

Агрегаты

29/ 111

Периоды действия

Гранулярность/квантование/единица

Непрерывные и непересекающиеся

30/ 111




Открытость краев

Можно использовать закрытые края как открытые

Вместо 13.03.2014 00:00 - 02.05.2014 00:00

Используем 13.03.2014 00:00 - 02.05.2014 23:59

Нет ли здесь проблемы?

Имеем дырку 02.05.2014 23:59 - 03.05.2014 00:00

Окончание периода

стало как бы открыто

Дырка

в 1 минуту

31/ 111




Открытость краев

Можно использовать закрытые края как открытые

Вместо 13.03.2014 00:00 - 02.05.2014 00:00

Используем 13.03.2014 00:00 - 02.05.2014 23:59

Имеем дырку 02.05.2014 23:59 - 03.05.2014 00:00

Полная определенность на всем времени

Нужны константы для начала и конца времен32/ 111


Линий (осей) времени может быть

несколькоДам кредит

Хочу денег

33/ 111



несколько График погашения:

Янв 100

Фев 100

Мар 100

Апр 100

Май 100

…

Давай

34/ 111



несколько

100

Январь

35/ 111



несколько

100

Февраль

36/ 111



несколько

100

Март

37/ 111



несколько

200

Апрель

38/ 111



несколько

График погашения:

…

Мар 100

Апр 200

Май 95

Июнь 95

Июль 95

…

39/ 111


Получаем графики

То есть одна ось времени у нас в графике

А вторая – ось реального времени

Янв–Мар:

Янв 100

Фев 100

Мар 100

Апр 100

Май 100

Июнь 100

…

Апр–???:

…

Мар 100

Апр 200

Май 95

Июнь 95

Июль 95

…

40/ 111


Парадокс в будущем здесь мы разрулили

через ветвление

Можно было бы разрулить через слияние

Янв 100 Фев 100 Мар 100 Апр 100 Май 100 Июнь 100

Апр 200 Май 95 Июнь 95


Апр 200

41/ 111


Фантастическое объяснение битемпоральности

Путешественник

во времени

Одно время

Другое время

42/ 111

Битемпоральность и ветвление

Реальное время Апрельская ветка

Январь

Февраль

Март

Апрель

Май

Июнь

Янв Фев Мар Апр Май Июнь






Время внутри

плана платежей

43/ 111

Названия осей времени

Зависят от области применения

Обычно одна из осей соответствует

реальному времени

Системное

Астрономическое

Реальное

Транзакционное

Эта ось отличается тем, что для нее

значения времени задаются автоматом

44/ 111

Названия осей времени

Прочие оси называют по-разному

Для обобщения их можно называть:

Бизнес-ось

Модельная ось

Ось валидности

Здесь больше свободы с указанием

периодов

45/ 111

Сущность

Идентификация (неизменность сути)

Человек сменил паспорт

У торта отрезали кусок

Документ породил документ

Отделимость

100 рублей наличными и на счету

Дырка от бублика

Протяженность во времени

46/ 111

Факт

Соответствуют понятию Transaction fact

в DWH

Сущность, у которой отобрали период

Часто изменения сущностей регистрируют

как факт

47/ 111

Агрегат

Копят результаты фактов в разрезе

измерений

Искусственная вещь

Обычно нет ссылок на агрегат

Появляются и исчезают

48/ 111

Темпоральные атрибуты

Изменяемые/неизменяемые атрибуты

Темпоральность

Нетемпоральные можно рассматривать

как действующие бесконечно

49/ 111

А где же код наконец?

Когда уже сделаем что-то?

50/ 111

Создадим модель…

Используем наш пример про кредит



51/ 111

Первый шаг

Имеем факт платежа с такими атрибутами:

Сумма – темпоральный

Дата платежа – на бизнес-оси

Период актуальности – на системной

Попробуем нарисовать таблицу…

52/ 111

Первый шаг

pay_date actual_from actual_to summ

Янв Янв 100

Фев Янв … 100

Март Янв … 100

Апр Янв Март 100

Май Янв Март 100

Июнь Янв Март 100

Апр Апр … 200

Май Апр … 95

Июнь Апр … 95



53/ 111

Первый шаг

pay_date actual_from actual_to summ

Янв Янв +∞ 100

Фев Янв +∞ 100

Март Янв +∞ 100

Апр Янв Март 100

Май Янв Март 100

Июнь Янв Март 100

Апр Апр +∞ 200

Май Апр +∞ 95

Июнь Апр +∞ 95

Здесь можно

использовать -∞

54/ 111

Второй шаг

У разных клиентов платежи отдельные

Появляется сущность «Клиент»

Клиент должен быть битемпоральным

Клиент это не факт, а сущность

55/ 111

Второй шаг

Ссылка

на клиента

Период действия

на оси платежей

Период

действия на оси

нашего времени

56/8856/ 111

Второй шаг

pay_date client_id actual_from actual_to summ

Янв 1 Янв +∞ 100

Фев 1 Янв +∞ 100

Март 1 Янв +∞ 100

Апр 1 Янв Март 100

Май 1 Янв Март 100

Июнь 1 Янв Март 100

Апр 1 Апр +∞ 200

Май 1 Апр +∞ 95

Июнь 1 Апр +∞ 95

id name actual_from actual_to business_from business_to

1 Клеент -∞ +∞ -∞ +∞

Платежи

Клиенты

Опечатка

57/ 111

Попробуем исправить опечатку

Мы хотим сохранить любую историю

Получается, что любое изменение

в Клиентах приведет к порождению новой

записи:id name actual_from actual_to business_from business_to

1 Клеент -∞2014-04-

24

17:45:37

-∞ +∞

2 Клиент2014-04-24

17:45:37+∞ -∞ +∞

Третий шаг

Поскольку это опечатка Кто заметил проблему?

58/ 111

Третий шаг

Попробуем исправить опечатку

Мы хотим сохранить любую историю

Получается, что любое изменение

в Клиентах приведет к порождению новой

записи:id name actual_from actual_to business_from business_to

1 Клеент -∞2014-04-24

17:45:37-∞ +∞

2 Клиент2014-04-24

17:45:37+∞ -∞ +∞

Кто заметил проблему?

59/ 111

Третий шаг

id name actual_from actual_to business_from business_to

1 Клеент -∞2014-04-24

17:45:37-∞ +∞

2 Клиент2014-04-24

17:45:37+∞ -∞ +∞


Янв 1 Янв +∞ 100

Фев 1 Янв +∞ 100





Апр 1 Апр +∞ 200



Клиенты

Платежи

Мы не можем

сослаться

на все версии

клиента

60/ 111

Третий шаг

Что-то здесь надо

менять

61/ 111

Третий шаг

name

Темпоральные данные

переезжаютАтрибуты периодов

тоже переезжают

Версии

клиентов

62/ 111

Третий шаг

name

Атрибуты периодов

тоже переезжают

Можно оставить здесь

нетемпоральные данные

Версии

клиентов

63/ 111

Третий шаг

client_id name actual_from actual_to business_from business_to

1 Клеент -∞2014-04-24

17:45:37-∞ +∞

1 Клиент2014-04-24

17:45:37+∞ -∞ +∞


Янв 1 Янв +∞ 100

Фев 1 Янв +∞ 100





Апр 1 Апр +∞ 200



Анкеты/верcии клиентов

Платежи

id

1

Клиенты

64/ 111

Лишняя таблица

Какая-то странная таблица Клиентов?

Может, удалить ее, ведь в ней нет

полезной информации?

65/ 111

Лишняя таблица

Это можно сделать, если:

Нет ссылок на клиентов

Вы не считаете важными FK

Нет нужды рассматривать клиента как единое

целое

Вы готовы делать ссылки не на клиента,

а на версию клиента

66/ 111

Ссылки на версию/анкету

Немного проще запросы

Сложнее изменения в датах

То есть больше подходит для OLAP

67/ 111

Альтернативы подходу версий

Подход «сущность + версии» –

не единственный

Одна из популярных альтернатив: 6НФ

Посмотрим, что это такое…

68/ 111

Шестая НФ

Пусть у клиента два темпоральных атрибута:

имя и адрес

name address

Иванов Гагарина, 34

Иванов Ленина, 41

Иванов Мира, 12

Адрес меняется, имя остается

69/ 111

Шестая НФ

Имя клиента

в отдельной

таблице

Адрес тоже

в отдельной

таблице

Как и с версиями,

здесь можно

что-то оставить

СРАВНИТЕ

70/ 111

EAV модель

Таблицы атрибутов очень похожи

Можно сделать вот так

71/ 111

Как еще можно…

От EAV до NoSQL один шаг

Можно смешать подходы по-разному

Часто акцентируются на текущих значениях

72/ 111

Но вернемся обратно

Все альтернативы рассмотреть нереально

Вариант с версиями поддерживается

лучше современными СУБД

Поэтому вернемся к нему…

73/ 111

Получение данных

Как же получить данные?

74/ 111


Нужно фиксировать даты по всем осям

Дату системного времени обычно ставят

в +∞ или текущую

Пользователю остается выбрать бизнес-

дату (или бизнес-даты)

75/ 111


Эта часть –

как у обычных запросов

Задаем бизнес-дату

Задаем системную

дату

76/ 111

Контроль ссылок

Не все сущности полностью определены

Нужен контроль допустимости ссылки

Рассмотрим на примере системного

времени…

77/ 111

Системное время

Беспроблемная ссылка

78/ 111


Платеж

до создания

клиента

Клиента удалили,

а платеж продолжает жить

79/ 111


Допустимая ссылка, но могут

быть проблемы

Допустимая ссылка,

но могут быть проблемы

80/ 111

Контроль уникальности

Периоды не должны пересекаться

для одной сущности

Это условие не так легко понять

при мультитемпоральной модели

81/ 111

Внесение изменений

Ветвление

У новых версий actual_from ставим в текущий

момент

Окончание обычно неизвестно

Укорачиваем при необходимости предыдущую

запись

82/ 111


Ветвление

У новых версий actual_from ставим в текущий

момент

Окончание обычно неизвестно

Укорачиваем при необходимости предыдущую

запись

83/ 111


Изменения затрагивают бизнес-ось?

Здесь можно произвольно задавать период

Поэтому изменения могут вноситься

в несколько периодов

84/ 111






85/ 111






Иногда они могут даже поглощаться

86/ 111






Иногда они могут даже поглощаться

87/ 111



Причинно-следственные связи

Изменение причины часто приводит

к изменению следствия

Меняет фамилию

на Петров

88/ 111







на Петров

89/ 111







на Петров

90/ 111

Агрегаты

Храним общую сумму платежей по годам:

pay_year actual_from actual_to value

2013 -∞ +∞ 10000

2014 -∞ 01.04.2014 20100

2014 01.04.2014 +∞ 20200

Изменение суммы

платежа

Измерение: год

(бизнес-ось)Период действия

(системный)

91/ 111

Агрегаты

Агрегат часто неявно связан с многими

фактами и сущностями

Это затрудняет реализацию эффекта

бабочки

92/ 111

Попытки сделать стандарт

93/ 111

SQL-2011

Родился в декабре 2011

Седьмая версия SQL

Платный сыр

94/ 111

SQL-2011. Бизнес-ось

Создаем табличку

Поля периода

создаем вручную

Говорим, что эти поля

для нашей осиНазвание оси

95/ 111

SQL-2011. Системная ось

Добавляем системное время:

Эти поля – это начало

и конец действия

96/ 111



Поля принадлежат системной оси

97/ 111



Название

фиксировано

98/ 111



Можно сделать PK или UNIQUE

99/ 111



Нужна такая специальная фраза

100/ 111

SQL-2011. Факты

Как же сделать факт?

Одинаковые даты

Темпоральная ссылка

К сожалению, скорее

всего, так работать

не будет!

101/ 111

SQL-2011. Запросы

На заданные бизнес и системную дату: Условие пишем

отдельно для каждой

таблички

Предусмотрена фильтрация только одной

оси, вторую приходится самим

102/ 111

SQL-2011. Изменения

По бизнес-оси нужно задавать время

Системное время ставится автоматом

103/ 111

SQL-2011. Проблемы

Многословно

Включительные границы

Нет группировки по периоду

Трудно работать с 2+ количеством осей

Нет поддержки нестандартных типов

периодов

Нет поддержки хранимых агрегатов

104/ 111

Попытки реализовать стандарт

105/ 111

IBM DB2 10+

Создание таблиц, в целом, такое же

Для SYSTEM_TIME нужно вручную

создавать табличку истории и привязывать

Добавили конструкцию

106/ 111

Oracle DBMS 12+

Много мелких отличий от стандарта

Задание даты для системной оси:

Для системной оси ведутся специальные

системные поля с данными об scn

и операции

Требование date_to>date_from

107/ 111

Что еще?

Получение среза связанных данных

на конкретный момент

Агрегаты

Альтернативы анкетам

Транзакционное/модельное время

Ограничения уникальности

Логическое удаление

108/ 111

Спасибо!

Вопросы?

109/111

Спасибо!

Вопросы?

Максим Зинченко

[email protected]

110/111

mailto:[email protected]

Software

Темпоральные базы данных: как построить машину времени