The use of object/relational mapping (ORM) frameworks is the stateof-practice in software development, with several ORM frameworks for different object-oriented programming languages. However, to our knowledge, there is no formal definition of the concepts related to these frameworks, which could serve as basis for semantic interoperability tasks (e.g., code migration) or in the definition of architectural smells independently of the chosen framework. In this work, we present ORM-O, a domain reference ontology that aims to identify and represent the semantics of object/relational mapping when such frameworks are used in software development.
respondendo a`s questo˜es de competeˆncia levantadas previamente e instanciando conceitos da ontologia utilizando trechos de co´digo de mapeamento objeto/relacional, usando um framework ORM bastante popular.
ORM-O esta´ sendo constru´ıda no escopo de um projeto que visa criar uma rede de ontologias sobre frameworks de desenvolvimento de software.1 Tais ontologias nos permitira˜o automatizar tarefas de interoperabilidade semaˆntica, como migrac¸a˜o de co´digo entre frameworks, ou ainda especificar smells na arquitetura do software de forma independente de framework ou linguagem, por exemplo. Como prova de conceito, desenvolvemos uma ferramenta de migrac¸a˜o que converte co´digo de um framework ORM para outro (em plataformas diferentes), utilizando a ontologia como interlingua.
As demais sec¸ o˜es deste trabalho esta˜o organizadas da seguinte maneira: a Sec¸ a˜o 2 resume as questo˜es geradas pela impedaˆncia objeto/relacional e sua soluc¸a˜o pelo uso de frameworks; a Sec¸a˜o 3 introduz as ontologias de refereˆncia utilizadas como base na construc¸a˜o da ORM-O; a Sec¸ a˜o 4 apresenta a ORM-O; a Sec¸a˜o 5 descreve a avaliac¸ a˜o da ontologia por meio de verificac¸a˜o e validac¸a˜o; a Sec¸a˜o 6 compara a ORM-O com trabalhos relacionados; e, por fim, a Sec¸a˜o 7 traz as considerac¸o˜es finais.
No contexto do desenvolvimento de software, dentre os paradigmas ja´ propostos, o
Orientado a Objetos (OO) e o Relacional sustentam-se ate´ hoje pela eficieˆncia que cada um
apresenta [
No paradigma Relacional as informac¸o˜es sa˜o armazenadas na forma de tabelas,
constitu´ıdas por linhas (tuplas) e colunas (atributos) [
Comumente, esses paradigmas sa˜o utilizados em conjunto: uma linguagem OO
e´ utilizada na codificac¸a˜o do programa enquanto o armazenamento das informac¸o˜es e´
feito em sistemas de banco de dados relacional. Assim, objetos sa˜o convertidos em tuplas
para serem armazenados em tabelas e consultas sa˜o realizadas no banco de dados para
que os objetos possam ser recuperados. No entanto, o uso combinado e as diferenc¸as
de abstrac¸a˜o, foco e linguagem levam a uma se´rie de problemas [
Para auxiliar o desenvolvimento e minimizar problemas, o mapeamento
objeto/relacional e´ delegado a um framework, i.e., conjunto de co´digos que fornece soluc¸a˜o para
algum problema espec´ıfico. O uso de frameworks se tornou estado-da-pra´tica, pois reduz
consideravelmente o tempo de desenvolvimento de um projeto por reutilizar co´digo ja´
desenvolvido, testado e documentado por terceiros [
O objetivo e´ que, ao inve´s de fazer manualmente o mapeamento objeto/relacional, o desenvolvedor utilize um framework ORM (Object/Relational Mapping) que, a partir 1https://nemo.inf.ufes.br/projects/sfwon/ de determinadas configurac¸ o˜es, se encarrega do mapeamento dos objetos para tabelas e colunas ou a recuperac¸ a˜o dos objetos atrave´s de consultas. Existem diferentes frameworks ORM para diversas linguagens de programac¸a˜o OO como, por exemplo: Hibernate (Java), EclipseLink (Java), Django (Python), SQLAlchemy (Python), ODB (C++), QxOrm (C++), dentre outros.
Para o uso destes frameworks, e´ necessa´ria a inclusa˜o de bibliotecas, pacotes e arquivos de configurac¸a˜o, ale´m de adaptac¸o˜es ao co´digo desenvolvido. Os frameworks de Java obedecem ao padra˜o JPA (Java Persistence API) e utilizam trechos de co´digo precedidos de @ como anotac¸ o˜es para indicac¸a˜o do comportamento de classes e atributos em relac¸ a˜o aos frameworks. Em Python os frameworks possuem classes a serem estendidas ou instanciadas e me´todos a serem utilizados. Em C++ sa˜o utilizados a diretiva pragma e os templates das bibliotecas dos frameworks.
A ORM-O foi constru´ıda com base em duas ontologias preexistentes: a Ontologia de
Sistema de Banco de dados Relacionais (Relational Database System Ontology –
RDBSO) [
A Figura 1 apresenta o fragmento da ontologia OOC-O reutilizado em ORM
vez e´ composto por Classes. Uma Class pode ser uma Extendable Class quando esta´ dispon´ıvel para ser estendida por outras classes, tal como uma classe que assume o papel de subclasse ao definir uma relac¸ a˜o de heranc¸a com uma superclasse. Uma Class pode ser composta de Members, tal como Member Variable, varia´vel que pertence a uma classe. Em particular, quando representa o estado particular de um objeto, trata-se de uma
Figura 1. Fragmento da ontologia OOC-O [
A Figura 2 apresenta o fragmento da ontologia RBDS-O reutilizado em ORM
acordo com o modelo Relacional na forma de Tables e definir restric¸ o˜es sobre o modelo na forma de Constraints. Uma Table e´ definida por um Line Type, cujas linhas possuem um u´nico tipo. Cada Line Type e´ constitu´ıdo de Columns, representando os campos da tabela. Por sua vez, uma Column e´ especificada por uma Column Constraint, seja
para definir uma linha u´nica na tabela, ou Foreign Key Constraint para referenciar uma determinada chave-prima´ria.
Figura 2. Fragmento da ontologia RBDS-O [
A ORM-O (Object/Relational Mapping Ontology) e´ uma ontologia de refereˆncia no dom´ınio de frameworks ORM. A ontologia visa identificar e representar os conceitos do mapeamento objeto/relacional no escopo de co´digo fonte. Sendo assim, considerando o escopo das aplicac¸ o˜es vislumbradas, como a ferramenta de migrac¸a˜o que converte co´digo de um framework ORM para outro, os padro˜es de configurac¸ a˜o dos frameworks com o banco de dados e com o sistema gerenciador de banco de dados na˜o sa˜o cobertos pela ORM-O.
A ontologia foi constru´ıda aplicando as fases iniciais do me´todo SABiO [
Como requisitos funcionais, foram levantadas as seguintes questo˜es de competeˆncia (QCs): CQ01: Que classes sa˜o mapeadas para o banco de dados? CQ02: Como os relacionamentos entre classes sa˜o mapeados para o banco de dados? CQ03: Que atributos de uma dada classe sa˜o mapeados para o banco de dados? CQ04: Que atributos de uma dada classe sa˜o mapeados para chave prima´ria no banco de dados? CQ05: Que atributos de uma dada classe sa˜o mapeados para chave estrangeira no banco de dados? CQ06: Como os relacionamentos de heranc¸a entre classes sa˜o mapeados para o banco de dados?
Durante a captura e formalizac¸a˜o, a ORM-O foi representada em
OntoUML [
A captura da ontologia foi apoiada por um processo de aquisic¸a˜o de conhecimento
que utilizou documentac¸a˜o de frameworks em treˆs diferentes linguagens que utilizam o
paradigma orientado a objeto: Java Persistence API (
Com a finalidade de facilitar o entendimento e a apresentac¸a˜o, a ORM-O foi subdividida em 3 partes: ORM-O Classes and Relationships, que trata do mapeamento individual das classes e suas relac¸ o˜es com outras classes; ORM-O Inheritance, que trata do mapeamento de heranc¸a e ORM-O Variable, que trata do mapeamento de varia´veis (atributos). A Figura 3 apresenta a composic¸a˜o da ORM-O. A seguir, sera˜o apresentadas as treˆs sub-ontologias de ORM-O.
Figura 3. Composi c¸a˜ o da ORM-O e sua associa c¸a˜ o com OOC-O e RBDS-O.
A Figura 4 apresenta os conceitos da ORM-O relativos ao mapeamento objeto/relacional de classes e suas poss´ıveis relac¸o˜es. Dado que classes sa˜o mapeadas para tabelas, os conceitos Class (OOC-O) e Table (RDBS-O) sa˜o aqui reutilizados.
Figura 4. Ontologia de Mapeamento O/R: Classes e Relacionamentos.
O conceito Entity Class, que e´ uma especializac¸ a˜o de Class, adve´m da representac¸a˜o de uma classe que sera´ efetivamente mapeada para o banco de dados. Tal conceito se faz necessa´rio visto que, em um c o´digo-fonte, nem todas as classes tera˜o suas instaˆncias armazenadas no banco de dados.
A formalizac¸a˜o do mapeamento de uma Entity Class para o banco de dados e´ feita pela definic¸a˜o do conceito Class Mapping, que por sua vez esta´ associado a uma Entity Table. Esta u´ ltima e´ uma especializac¸a˜o de Table para representar tabelas que armazenam tuplas que representam instaˆncias de classes. Uma Entity Class pode ainda estar diretamente relacionada com uma Entity Table, indicando assim que determinadas caracter´ısticas suas, como o nome por exemplo, sa˜o determinadas pela instaˆncia de Entity Class ligada nessa relac¸a˜o.
O relacionamento entre as classes e´ mapeado para as tabelas por meio do conceito Relationship Mapping. Esse conceito possui quatro diferentes especializac¸ o˜es: relacionamento de um para um (One To One), um para muitos (One To Many), muitos para um (Many To One) e muitos para muitos (Many to Many). Os conceitos One To Many
uma especializac¸ a˜o de Table: a Relationship Association Table, que e´ responsa´vel pelo armazenamento de chaves que relacionam as tuplas de cada tabela.
Ainda a respeito de Relationship Mapping, e´ poss´ıvel que uma instaˆncia desse conceito seja associada a outra, do mesmo conceito, representando assim um relacionamento bidirecional.
Os conceitos de mapeamento de heranc¸a capturados e formalizados pela ORM-O esta˜o apresentados na Figura 5. Assim como a Entity Class especializa Class, os conceitos Subclass e Superclass foram especializados respectivamente em Entity Subclass e Entity Superclass. Ambos esta˜o associados ao Inheritance Mapping.
Figura 5. Ontologia de Mapeamento O/R: Heran c¸a.
Em mapeamento objeto/relacional, existem treˆs diferentes estrate´gias de
mapeamento de heranc¸a [
Table per Class Inheritance Mapping esta´ associado a` Single Entity Table, que representa uma tabela do banco de dados que possui informac¸ o˜es de uma u´nica classe. Analogamente, ha´ a possibilidade de Table per Concrete Class estar associado a uma Single Entity Table caso a classe ma˜e da hierarquia seja concreta, portando ha´ uma associac¸a˜o entre esses dois conceitos.
O mapeamento de varia´veis por meio de frameworks ORM tem seus conceitos representados na Figura 6. No diagrama e´ poss´ıvel observar o conceito de Variable Mapping, que associa um Mapped Variable, que e´ uma especializac¸a˜o de Instance Variable que representa uma varia´vel que deve ser mapeada, a uma Column. Por sua vez, a possibilidade ou na˜o de mapeamento de valores nulos a colunas do banco de dados e´ representada pelo conceito Nullability que caracteriza uma Mapped Variable.
Figura 6. Ontologia de Mapeamento O/R: Varia´ vel.
Ja´ uma chave prima´ria e´ formalizada com a especializac¸a˜o de Mapped Variable em Mapped Primary Key e seu mapeamento e´ feito por Primary Key Mapping, uma especializac¸a˜o de Variable Mapping, que associa ao conceito Primary Key Column, especializac¸a˜o de Column. Analogamente, Mapped Foreign Key, que e´ uma especializac¸a˜o de Mapped Variable para representar o conceito de chave estrangeira, tem seu mapeamento representado por uma especializac¸a˜o de Variable Mapping formalizada por Foreign Key Mapping.
A avaliac¸a˜o da ORM-O foi realizada por meio de atividades de verificac¸a˜o e validac¸ a˜o,
seguindo o me´todo SABiO [
Tabela 1. Respostas a` s Questo˜ es de Competeˆ ncia.
ID
to One Relationship Mapping e Many to Many Relationship Mapping subtype
ble per Concrete Class Inheritance Mapping subtype of Inheritance Mapping
Table per Concrete Class Inheritance Mapping mediation Single Entity Table Table per Concrete Class Inheritance Mapping mediation Multiple Entities Table
Table per Class Inheritance Mapping mediation Single Entity Table
Para a validac¸a˜o da ORM-O, os conceitos da ontologia foram instanciados com o framework Hibernate, um dos frameworks analisados na atividade de aquisic¸a˜o do conhecimento. A Tabela 2 apresenta alguns desses conceitos com o intuito de validar se a ontologia pode representar situac¸ o˜es reais de mapeamento objeto/relacional. A tabela de validac¸a˜o completa pode ser consultada no documento de especificac¸a˜o da ontologia, dispon´ıvel online em: https://nemo.inf.ufes.br/projects/sfwon/.
Tabela 2. Instaˆ ncias dos conceitos de ORMF-O.
Entity Class &
Class Mapping Entity Subclass & Entity Superclass A existeˆncia de uma Entity Class (Person) faz com que exista implicitamente um Class Mapping. @Entity public class Student extends Person {...}; A existeˆncia de uma Entity Subclass (Student) faz com que a classe que ela estende seja uma Entity Superclass (Person). @Entity @Inheritance(strategy = InheritanceType.JOINED) public class Person {...} @Entity @Table(name="Person") public class Person {...} Caso a anotac¸a˜o @Table seja omitida, a Entity Table sera´ a tabela do banco de dados cujo o nome e´ ideˆntico ao nome da Entity Class. @Entity public class Class { ... @OneToMany(mappedBy="studentClass") private List<Student> students; ... } @Column(name="enrollment_number") private Long enrollmentNumber; Qualquer atributo de uma Entity Class que na˜o seja precedido da anotac¸ a˜o @Transient e´ uma Mapped Variable. A existeˆncia de uma
Caso a anotac¸a˜o @Column seja omitida, a Variable Mapping sera´ associada a` Column com nome ideˆntico ao nome da Mapped Variable.
Por fim, a ontologia foi utilizada na pra´tica como interlingua em uma ferramenta de migrac¸ a˜o de c o´digo desenvolvida a partir da ORM-O. A partir de c o´digo Java com mapeamentos objeto/relacional feitos com uso do framework ORM Hibernate, a ferramenta gera instaˆncias dos conceitos da ORM-O (em OWL) e, em seguida, e´ capaz de gerar o c o´digo fonte em Python com uso do framework ORM Django. O leitor interessado pode experimentar a ferramenta a partir de seu c o´digo-fonte, dispon´ıvel em https://github.com/nemo-ufes/ORMFConverter.
Ontologias que envolvem os conceitos pertinentes ao dom´ınio de objeto ou dados
relacionais sa˜o fundamentadas a partir de diferentes contextos. Observamos ontologias
elaboradas para publicac¸a˜o automa´tica de dados semaˆnticos a partir de banco de dados [
[
[
No contexto de migrac¸a˜o de co´digo-fonte [
Neste artigo, apresentamos uma ontologia de frameworks de mapeamento
objeto/relacional. A ORM-O foi constru´ıda de acordo com um me´todo de engenharia de ontologias e
baseada em fontes de amplo conhecimento da comunidade de desenvolvimento de
software. Para conceituar o mapeamento objeto/relacional, a ontologia introduz
relacionamentos entre as ontologias de bancos de dados relacionais RBDS-O [
As atividades de verificac¸a˜o e validac¸a˜o tiveram resultado positivo alcanc¸ado atrave´s de respostas que atendiam a`s questo˜es de competeˆncia e apresentando a cobertura dos conceitos fundamentais em um co´digo de linguagem de programac¸a˜o OO utilizando um framework ORM bastante popular em Java. Ale´m disso, com o desenvolvimento da ferramenta de migrac¸ a˜o, foi poss´ıvel utilizar a ontologia na pra´tica, migrando co´digo de um framework ORM (Hibernate em Java) para outro (Django em Python).
Por fim, como trabalhos futuros, ha´ a intenc¸a˜o de inclusa˜o de mais frameworks e linguagens de programac¸a˜o na ferramenta de conversa˜o, bem como o uso da ORM-O em outras aplicac¸o˜es pra´ticas na Engenharia de Software como, por exemplo, definic¸a˜o de smells arquiteturais em modelos de projeto de sistemas que utilizam frameworks ORM. Pretende-se ainda desenvolver ontologias sobre outros tipos de frameworks, como controladores frontais (Model-View-Controller — MVC), decoradores, de autenticac¸ a˜o e autorizac¸a˜o, etc., de modo que tambe´m possam ser beneficiados pelas ferramentas desenvolvidas neste contexto.
O NEMO (http://nemo.inf.ufes.br) recebe atualmente apoio das ageˆncias de fomento CNPq (processos 407235/2017-5 e 433844/2018-3), CAPES (processo 23038.028816/2016-41), e FAPES (processo 69382549/2015).