Inheritance#

Java 大量使用繼承與多型，允許定義提供共同介面的不同實作類別階層。然而，關聯式資料庫並未原生支援繼承，因此將物件導向的繼承對應到資料庫表是最明顯的 object-relational impedance mismatch 之一。

Martin Fowler 在 Patterns of Enterprise Application Architecture 中定義了三種將繼承對應到關聯式資料庫的方式，JPA 規範也對應提供了三種策略：

  • InheritanceType.SINGLE_TABLE — Single Table Inheritance
  • InheritanceType.JOINED — Class Table Inheritance (Join Table)
  • InheritanceType.TABLE_PER_CLASS — Concrete Table Inheritance (Table-per-class)

此外，JPA 也支援 @MappedSuperclass，讓繼承只存在於 Domain Model 而不對應到資料庫。

本章以一個論壇系統為範例：Board 為根 entity，Topic 為基礎類別，Post 和 Announcement 繼承自 Topic，TopicStatistics 則透過 @OneToOne 關聯到 Topic。

Figure 11.1: Domain Model Inheritance

Single Table#

Single table inheritance 是 JPA 的預設策略，將整個繼承階層放入單一資料庫表。

  • 在 Topic entity 上標註 @Inheritance 或 @Inheritance(strategy = InheritanceType.SINGLE_TABLE)
  • 子類別 Post 和 Announcement 不需要額外的 mapping annotation，只需 Java 繼承語法
  • 資料庫表包含所有子類別的欄位，並透過 DTYPE discriminator column 區分實體類型

Figure 11.2: Single table

多型查詢#

  • 對 Topic entity 執行查詢時，Hibernate 會掃描單一表格，並根據 DTYPE 欄位將每一列對應到正確的子類別（Post 或 Announcement）
  • @OneToMany 基礎類別的關聯也能自動解析子類別型別
  • 載入 TopicStatistics 並 join fetch Topic 時，Hibernate 透過 INNER JOIN 即可建構正確的子類別物件參考

效能與資料完整性#

  • 讀寫效能佳：只使用單一表格，即使搭配 @ManyToOne、@OneToOne 等關聯也只需一次 join
  • 缺點：子類別專屬欄位無法設定 NOT NULL constraint，因為所有子類別共用同一張表，其他子類別的欄位必然為 null，這違反了 Consistency 原則

Data Integrity Constraints#

由於 single table 策略無法直接使用 NOT NULL，可透過以下方式補強資料完整性：

  • CHECK constraint（支援 Oracle、SQL Server、PostgreSQL、MySQL 8.0.16+）：根據 DTYPE 值判斷特定欄位是否不為 null
  • Database trigger（適用於較舊版本的 MySQL）：在 BEFORE INSERT 和 BEFORE UPDATE trigger 中驗證子類別專屬欄位
  • 應用層驗證：使用 Bean Validation（@NotNull）或 JPA callback methods（@PrePersist、@PreUpdate）及 @EntityListeners

CHECK constraint 和 trigger 雖然較為冗長，但能在資料庫層面確保 single table inheritance 的資料完整性，是非常有用的防護機制。

Join Table#

Join table inheritance（InheritanceType.JOINED）將每個類別對應到獨立的表格，子類別表透過 foreign key 參照基礎類別表的 primary key。

  • 在 Topic entity 上標註 @Inheritance(strategy = InheritanceType.JOINED)
  • 子類別可使用 @PrimaryKeyJoinColumn 定義 foreign key 欄位，預設使用子類別表的 primary key 同時作為 foreign key
  • 基礎類別資訊存於 topic 表，子類別專屬內容分別存於 post 和 announcement 表

Figure 11.3: Join table

多型查詢#

  • 查詢 Topic 時，Hibernate 必須 LEFT OUTER JOIN 所有子類別表，並使用 CASE WHEN 判斷實際類型
  • 載入 TopicStatistics 及其 Topic 關聯時，需要 join 四張表（topic_statistics、topic、post、announcement）
  • Eager fetch Board 的 topics 集合時，也需要三個 join

效能考量#

  • 優點：子類別欄位可設定 NOT NULL constraint，資料完整性較佳
  • 寫入較慢：每個子類別 entity 需要兩條 INSERT 語句（基礎表 + 子類別表），index 記憶體佔用也較高
  • 讀取較慢：多型查詢需要 N+1 個 join（N 為子類別數量），子類別越多，查詢效能越差

Table-per-class#

Table-per-class（InheritanceType.TABLE_PER_CLASS）讓每個子類別表都包含基礎類別的所有欄位，各表之間沒有 foreign key 關聯。

  • 在 Topic entity 上標註 @Inheritance(strategy = InheritanceType.TABLE_PER_CLASS)
  • post 和 announcement 表各自儲存完整的 Topic 屬性加上自身的專屬欄位
  • topic 表僅存放不屬於任何子類別的純 Topic 記錄

Figure 11.4: Table-per-class

多型查詢#

  • 查詢 Topic 時，Hibernate 使用 UNION ALL 合併基礎表和所有子類別表的結果
  • 載入 TopicStatistics 的 Topic 關聯同樣需要 UNION ALL
  • Eager fetch Board 的 topics 集合時，需要 join UNION ALL 子查詢的結果

效能考量#

  • 寫入較快：每個子類別只需一條 INSERT 語句
  • 讀取受限：多型查詢需要 UNION ALL，子類別越多效能越差
  • Identity generator 不可用：不同子類別表的列可能共享相同 identifier，在多型 @ManyToOne 或 @OneToOne 關聯中會產生衝突

Table-per-class 在處理多型查詢和關聯時效能最差。若每個子類別都儲存在獨立表格中，@MappedSuperclass 通常是更好的替代方案。

Mapped Superclass#

若基礎類別不需要作為獨立的 entity（例如不需要多型查詢），可使用 @MappedSuperclass 將 Topic 設為 abstract 類別，讓繼承只存在於 Java 層而不反映到資料庫。

Figure 11.5: Mapped superclass class diagram

  • Topic 標註 @MappedSuperclass 而非 @Entity
  • 基礎類別屬性會被合併到子類別表中（類似 table-per-class，但基礎類別不對應任何表）
  • 因為 Topic 不是 entity，無法使用多型查詢，Board 也無法定義 @OneToMany Topic 集合
  • 原本的 TopicStatistics 必須拆分為 PostStatistics 和 AnnouncementStatistics，各自關聯到對應的子類別

Figure 11.6: Mapped superclass

效能考量#

  • 讀寫效能最佳：寫入只需一條 INSERT，讀取只需查詢單一表格
  • 代價：放棄多型查詢與基礎類別的 entity 關聯能力

繼承策略最佳實踐#

Domain Model inheritance 是強大的概念，但應謹慎使用，僅在效益大於取捨時才採用。

策略寫入效能讀取效能資料完整性多型查詢
Single Table最佳最佳需額外 CHECK/Trigger支援
Join Table較慢（多條 INSERT）較慢（多 JOIN）佳（可用 NOT NULL）支援
Table-per-class佳（單條 INSERT）差（UNION ALL）佳支援但效能差
Mapped Superclass最佳最佳佳不支援
  • Single table：讀寫效能最佳，適合子類別數量少且資料庫支援 trigger/CHECK constraint 的場景
  • Join table：適合子類別數量少但各自有大量專屬欄位的場景；子類別數量增多時多型查詢效能顯著下降
  • Table-per-class：多型查詢效能最差，若不需多型查詢建議改用 @MappedSuperclass
  • Mapped superclass：讀寫最高效但犧牲多型能力，適合子類別完全獨立運作的場景
Backward Relationships Flushing Forward