Серия статей о Java, которую необходимо знать: платформа ORM и Hibernate

Автор: Дзен и искусство компьютерного программирования

1. Общие сведения

Hibernate — это мощная среда сохранения Java. Он предоставляет разработчикам инструмент объектно-реляционного сопоставления, позволяющий сопоставлять объектно-ориентированные модели с реляционными базами данных посредством простой настройки. Hibernate позволяет легко получать доступ к реляционным базам данных, управлять ими, оптимизировать и синхронизировать их. Благодаря простоте использования, высокой производительности и гибкости Hibernate стал самой популярной платформой ORM в области программирования на Java. В этой серии статей будут обсуждаться основные концепции и технические принципы Hibernate, а также способы применения Hibernate для решения практических задач в реальных проектах.

2. Основные понятия и связи

2.1 Обзор режима гибернации

Hibernate — это платформа J2EE с открытым исходным кодом для платформы ORM (объектно-реляционное сопоставление, объектно-реляционное сопоставление). В Hibernate мы можем использовать технологию объектно-реляционного сопоставления для хранения объектов приложения в реляционной базе данных. Через Hibernate мы можем изменять данные в базе данных во время работы программы без перекомпиляции или перезапуска сервера. Таким образом, Hibernate предоставляет метод программирования, аналогичный объектно-ориентированному, что позволяет нам упростить доступ к базе данных.

Hibernate имеет следующие основные функции:

Объектное/реляционное сопоставление: Hibernate позволяет таблицам базы данных соответствовать объектам в программе, и каждый объект можно легко получить, обновить, удалить или добавить в базу данных.
Генерация SQL: Hibernate может автоматически генерировать соответствующие операторы SQL на основе изменений, внесенных в объекты приложения, тем самым упрощая операции чтения и записи данных.
Встроенное управление транзакциями в рамках: Hibernate предоставляет механизм управления транзакциями, который может упростить процесс обработки данных на уровне бизнес-логики и уровне персистентности.
Кэширование: Hibernate поддерживает кэширование на уровне приложения, что может повысить эффективность запросов и сократить количество обращений к базе данных.
Query DSL: Hibernate поддерживает язык запросов HQL (Hibernate Query Language), который может писать сложные запросы в стиле SQL.

2.2 Спящая архитектура

Архитектура Hibernate разделена на три уровня:

Базовый уровень: Базовый уровень включает в себя уровень объекта домена и уровень службы сохраняемости. Уровень объектов домена определяет классы сущностей, и объекты на этом уровне имеют однозначное соответствие с полями таблицы в реляционной базе данных; уровень службы персистентности инкапсулирует базовый API JDBC. Когда операции CRUD выполняются над объектами домена, сначала они преобразуются в инструкции SQL, затем выполняются инструкции SQL и возвращаются результаты выполнения.
Уровень сопоставления: Уровень сопоставления отвечает за определение файлов сопоставления. Файл сопоставления определяет отношения, ограничения и другую информацию между объектами домена и таблицами базы данных, помогая Hibernate реализовать функции ORM.
Уровень интеграции платформы: Уровень интеграции платформы реализует интерфейс интеграции между платформой Hibernate и другими платформами. Например, Spring и Struts2 можно интегрировать с Hibernate через интерфейс, предоставляемый Hibernate.

2.3 Конфигурация спящего режима

Файл конфигурации Hibernate hibernate.cfg.xml разделен на четыре части:

Настройки SessionFactory: SessionFactory представляет основной класс Hibernate, включая пулы соединений, стратегии безопасности потоков и некоторые настройки Hibernate. SessionFactory состоит из файлов конфигурации и сопоставления Hibernate.
Настройки JDBC ConnectionProvider: ConnectionProvider реализует стратегию получения и выпуска соединений JDBC.
Настройки TransactionManager: TransactionManager реализует стратегии управления транзакциями.
Настройки пути к классам. Настройки пути к классам содержат путь к пакету jar, необходимый для Hibernate.

2.4 Классы сущностей и ассоциации

Класс сущности: класс сущности Hibernate — это класс типа JavaBean, который содержит некоторые атрибуты (поля).Доступ к этим значениям атрибутов можно получить через геттеры и сеттеры, и их можно использовать напрямую или сериализовать в формат JSON или XML. Примеры классов сущностей:

public class Customer {
    private int id;
    private String name;

    // getters and setters omitted for brevity

    public void addOrder(Order order){
        orders.add(order);
    }

    public Collection<Order> getOrders(){
        return orders;
    }
}

@Entity
public class Order {
    @Id
    private int orderId;
    private Date date;

    // many-to-one relationship with customer 
    @OneToOne
    @JoinColumn(name="customer_id")
    private Customer customer;

    // getters and setters omitted for brevity

}

Аннотации для классов сущностей:

@Entity: эта аннотация отмечается на классе, указывая, что класс является классом сущности.
@Id: эта аннотация отмечается на атрибуте первичного ключа, указывая, что значение этого атрибута однозначно идентифицирует объект сущности.
@Column: эта аннотация используется для определения имен столбцов и других связанных свойств.
@OneToMany: эта аннотация определяет связь «один-ко-многим».
@ManyToOne: эта аннотация определяет отношение «многие к одному».
@ManyToMany: эта аннотация определяет связь «многие ко многим».
@JoinTable: эта аннотация определяет промежуточную таблицу.
@JoinColumn: эта аннотация определяет внешний ключ основной таблицы.

2.5 Язык запросов HQL

HQL (Hibernate Query Language) — это объектно-ориентированный язык запросов, предоставляемый Hibernate. HQL позволяет легко выполнять сложные запросы и избегать объединения операторов SQL.

Пример синтаксиса HQL:

from Employee as e where e.salary > :minSalary 
and e.department = 'IT' 
group by e.department 
order by e.salary desc

Процесс запроса HQL:

Используйте ключевое слово «from», чтобы указать имя запрашиваемого класса сущности.
Ключевое слово «as» создает псевдоним класса.
Используйте предложение «где», чтобы указать критерии поиска.
Имя параметра после символа «:» используется для привязки значения параметра.
Для группировки используется предложение «group by».
Предложение «order by» используется для сортировки.

3. Подробное объяснение основных принципов алгоритма, конкретных этапов работы и формул математической модели.

3.1 Основные принципы ORM

ORM (объектно-реляционное сопоставление) — это технология программирования, используемая для преобразования таблиц реляционной базы данных в объектно-ориентированные модели, чтобы данными базы данных можно было манипулировать объектно-ориентированным способом.

Существует две основные формы объектно-реляционного отображения:

Сопоставление «один к одному». Это сопоставление означает, что между двумя объектами сущностей существует связь «один к одному». Например, один объект сущности соответствует записи в базе данных, а другой объект сущности также соответствует записи в базе данных.
Сопоставление «один ко многим». Это сопоставление означает, что один объект сущности соответствует записям в нескольких таблицах реляционной базы данных. Например, объект сущности соответствует записи в таблице заказов, а таблица заказов может содержать записи из нескольких таблиц информации о продукте.

3.2 Процесс сохранения данных в спящем режиме

Рабочий процесс Hibernate показан на рисунке ниже:

Создание объекта Session: Hibernate использует объект SessionFactory для создания объекта Session, который является точкой входа в Hibernate.
Выполнение операций добавления, удаления, изменения и запроса. Пользователь выполняет операции добавления, удаления, изменения и запроса, вызывая метод Session, а Hibernate выполняет соответствующие операции с базой данных через базовый драйвер JDBC.
Операционный контекст персистентности: Hibernate отслеживает состояние текущего объекта через контекст персистентности.
Запись данных в базу данных: Hibernate записывает данные в базу данных на основе содержимого контекста персистентности.
Отправьте транзакцию: если транзакция успешно отправлена, Hibernate фактически запишет данные в базу данных.

3.3 Механизм кэширования Hibernate

Механизм кэширования Hibernate может повысить производительность доступа к базе данных. Кэш Hibernate разделен на два уровня: кеш первого уровня и кеш второго уровня.

Кэш первого уровня: Hibernate создает область кэша для каждого запроса пользователя, и все те же объекты кэшируются в этой памяти, чтобы их можно было получить непосредственно из кэша при следующем обращении к ним, вместо повторной загрузки из базы данных.

Кэш второго уровня: Hibernate также поддерживает кеш второго уровня для каждого объектного компонента. Когда объект в кеше изменяется, объект не будет повторно запрашиваться из базы данных при втором обращении к нему, а будет получен непосредственно из кеша, что повышает скорость запроса.

3.4 Декларативное управление транзакциями

Hibernate упрощает процесс обработки данных на уровне бизнес-логики и уровне персистентности посредством механизма декларативного управления транзакциями. Декларативное управление транзакциями реализовано на основе АОП (аспектно-ориентированного программирования).

Декларативное управление транзакциями означает, что нет необходимости явно вызывать функции API транзакций, такие как BeginTransaction() и commit(). Вместо этого аннотации используются непосредственно внутри блока кода транзакции для объявления границ транзакции. Платформа Hibernate автоматически идентифицирует границы транзакций и автоматически полное управление транзакциями.

4. Конкретные примеры кода и подробные пояснения.

4.1 Настройка среды гибернации

4.1.1 Добавление зависимостей Maven

Добавьте следующие зависимости в файл pom.xml проекта:

<dependency>
   <groupId>org.hibernate</groupId>
   <artifactId>hibernate-core</artifactId>
   <version>${hibernate.version}</version>
</dependency>
<dependency>
   <groupId>mysql</groupId>
   <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
   <scope>runtime</scope>
</dependency>
<!-- Optional -->
<dependency>
   <groupId>com.h2database</groupId>
   <artifactId>h2</artifactId>
   <version>${h2.version}</version>
   <scope>test</scope>
</dependency>

4.1.2 Создание файла конфигурации Hibernate

Файл конфигурации Hibernate hibernate.cfg.xml выглядит следующим образом:

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<!DOCTYPE hibernate-configuration PUBLIC 
        "-//Hibernate/Hibernate Configuration DTD 3.0//EN"
        "http://www.hibernate.org/dtd/hibernate-configuration-3.0.dtd">
<hibernate-configuration>

   <!-- SessionFactory settings -->
   <session-factory>
      <!-- Database connection settings -->
      <property name="connection.driver_class">com.mysql.jdbc.Driver</property>
      <property name="connection.url">jdbc:mysql://localhost:3306/mydatabase?useSSL=false&amp;useUnicode=true&amp;characterEncoding=UTF-8</property>
      <property name="connection.username">root</property>
      <property name="connection.password"></property>

      <!-- JDBC connection pool (optional) -->
      <!--<property name="pool.size">1</property>-->
      <!--<property name="pool.max_wait">30000</property>-->
      <!--<property name="pool.preferredTestQuery">SELECT 1</property>-->

      <!-- SQL dialect -->
      <property name="dialect">org.hibernate.dialect.MySQLDialect</property>

      <!-- Logging -->
      <property name="show_sql">true</property>
      <property name="format_sql">true</property>

      <!-- Mapping information -->
      <mapping resource="com/example/domain/Customer.hbm.xml"/>
      <mapping resource="com/example/domain/Order.hbm.xml"/>

   </session-factory>

</hibernate-configuration>

connection.*: Настройте параметры подключения к базе данных.
dialect: Установить диалект базы данных.
show_sql: установите, отображать ли операторы SQL.
format_sql: укажите, форматировать ли выходной оператор SQL.
<mapping>: Настройте файл сопоставления классов сущностей.

4.1.3 Настройка файла сопоставления классов объектов

Пример файла сопоставления классов сущностей:

com/example/domain/Customer.hbm.xml:

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<!DOCTYPE hibernate-mapping PUBLIC 
        "-//Hibernate/Hibernate Mapping DTD 3.0//EN"
        "http://www.hibernate.org/dtd/hibernate-mapping-3.0.dtd">
<hibernate-mapping package="com.example.domain">
   <class name="com.example.domain.Customer" table="customers">
      <id name="id" type="int">
         <generator class="native"/>
      </id>
      <property name="name" type="string"/>
   </class>
</hibernate-mapping>

com/example/domain/Order.hbm.xml:

<?xml version='1.0' encoding='utf-8'?>
<!DOCTYPE hibernate-mapping PUBLIC 
        "-//Hibernate/Hibernate Mapping DTD 3.0//EN"
        "http://www.hibernate.org/dtd/hibernate-mapping-3.0.dtd">
<hibernate-mapping package="com.example.domain">
   <class name="com.example.domain.Order" table="orders">
      <id name="orderId" type="int">
         <generator class="native"/>
      </id>
      <property name="date" type="timestamp"/>
      <many-to-one name="customer" column="customer_id" class="com.example.domain.Customer"/>
   </class>
</hibernate-mapping>

<class>: Определить класс сущности.
<id>: Определите первичный ключ.
<property>: определение общих атрибутов.
<many-to-one>: Определить ассоциацию «один ко многим».

4.2 Добавление, удаление, изменение и проверка

4.2.1 Вставка данных

import org.hibernate.*;
import com.example.domain.Customer;
...
try{
   Session session = factory.openSession();
   Transaction tx = session.beginTransaction();
   try{
      // create a new customer object
      Customer customer = new Customer();
      customer.setName("John Smith");
      // persist the customer object
      session.save(customer);
      tx.commit();
   }catch (HibernateException e){
      if (tx!= null){
         tx.rollback();
      }
      throw e;
   }finally{
      session.close();
   }
}catch (HibernateException e){
   e.printStackTrace();
}

Получить сеанс через SessionFactory.
Выполните операцию вставки в транзакцию и зафиксируйте транзакцию.
Если возникает исключение, транзакция откатывается.

4.2.2 Удаление данных

import org.hibernate.*;
import com.example.domain.Customer;
...
try{
   Session session = factory.openSession();
   Transaction tx = session.beginTransaction();
   try{
      // delete an existing customer object
      Integer custId =...;
      Customer customer = (Customer) session.load(Customer.class, custId);
      session.delete(customer);
      tx.commit();
   }catch (HibernateException e){
      if (tx!= null){
         tx.rollback();
      }
      throw e;
   }finally{
      session.close();
   }
}catch (HibernateException e){
   e.printStackTrace();
}

Получить сеанс через SessionFactory.
Выполните операцию удаления в транзакции и зафиксируйте транзакцию.
Если возникает исключение, транзакция откатывается.

4.2.3 Обновление данных

import org.hibernate.*;
import com.example.domain.Customer;
...
try{
   Session session = factory.openSession();
   Transaction tx = session.beginTransaction();
   try{
      // update an existing customer object
      Integer custId =...;
      Customer customer = (Customer) session.load(Customer.class, custId);
      customer.setName("Mary Johnson");
      session.update(customer);
      tx.commit();
   }catch (HibernateException e){
      if (tx!= null){
         tx.rollback();
      }
      throw e;
   }finally{
      session.close();
   }
}catch (HibernateException e){
   e.printStackTrace();
}

Получить сеанс через SessionFactory.
Выполните операции обновления в транзакции и зафиксируйте транзакцию.
Если возникает исключение, транзакция откатывается.

4.2.4 Запрос данных

import org.hibernate.*;
import com.example.domain.Customer;
import java.util.List;
...
try{
   Session session = factory.openSession();
   Transaction tx = session.beginTransaction();
   try{
      // retrieve all customers
      List results = session.createQuery("from Customer").list();
      for (Object result : results){
         System.out.println(((Customer)result).getName());
      }
      tx.commit();
   }catch (HibernateException e){
      if (tx!= null){
         tx.rollback();
      }
      throw e;
   }finally{
      session.close();
   }
}catch (HibernateException e){
   e.printStackTrace();
}

Получить сеанс через SessionFactory.
Выполните операции запроса в транзакции и зафиксируйте транзакцию.
Получите список результатов запроса.
Если возникает исключение, транзакция откатывается.

4.3 Пейджинговый запрос

Синтаксис SQL-запроса подкачки следующий:

SELECT * FROM Customers LIMIT?,?;

?Заполнители используются для представления параметров и для передачи параметров подкачки.

В Hibernate вы можете использовать методы firstResult()и maxResults()для установки параметров подкачки, как показано ниже:

List results = session.createQuery("from Customer")
                    .setFirstResult((page - 1) * pageSize)
                    .setMaxResults(pageSize)
                    .list();

Здесь (page - 1) * pageSizeпредставлено количество пропущенных записей, pageSizeуказывающее количество записей на странице.

5. Будущие тенденции и проблемы развития

Платформа ORM постоянно обновляется и совершенствуется. С ростом популярности веб-приложений требования становятся все более и более сложными.Традиционная модель разработки, основанная на операторах SQL, постепенно упраздняется, и постепенно появляются новые модели распределенной, высокой доступности и эластично масштабируемой архитектуры. В то же время люди уделяют все больше внимания управлению жизненным циклом программного обеспечения, а микросервисная архитектура становится основной тенденцией, что также стимулирует обновление и модернизацию различных инфраструктур ORM.

Каковы основные направления будущего фреймворка ORM?

Spring Data: это платформа ORM, продвигаемая командой платформы Spring IO. Spring Data — это уровень абстракции, основанный на Spring FrameWork, обеспечивающий унифицированный интерфейс доступа к данным поверх платформы ORM. Его преимущество состоит в том, что он обеспечивает более объектно-ориентированный способ доступа к данным и снижает затраты на обучение программистов. Кроме того, Spring Data также предоставляет различные репозитории, позволяющие пользователям настраивать операции доступа к данным.
Mybatis: MyBatis — это проект с открытым исходным кодом, созданный Apache Foundation и обеспечивающий реализацию платформы ORM. MyBatis хорошо работает с другими платформами ORM на Java, такими как Hibernate.
EclipseLink: EclipseLink — это реализация JPA с открытым исходным кодом, управляемая Eclipse Foundation. EclipseLink добавляет множество функций в дополнение к спецификации JPA, включая встроенное кэширование, асинхронные запросы, изоляцию арендаторов и т. д. Более того, EclipseLink также имеет относительно большие преимущества в производительности.
TopLink: TopLink — очень старая платформа ORM, которая когда-то была приобретена Sun. Среди них OpenJPA — версия TopLink с открытым исходным кодом. Однако в последние годы OpenJPA был приобретен Oracle, поэтому теперь все больше используют Hibernate.