4. Ограничения целостности базы данных. Первичный и внешний ключи.

Целостность данных - это механизм поддержания соответствия базы данных предметной области. В реляционной модели данных определены два базовых требования обеспечения целостности:

• целостность ссылок

• целостность отношений.

Целостность отношений.

Объект реального мира представляется в реляционной базе данных как кортеж некоторого отношения. Требование целостности отношений заключается в следующем:

каждый кортеж любого отношения должен отличатся от любого другого кортежа этого отношения (т.е. любое отношение должно обладать первичным ключом).

Вполне очевидно, что если данное требование не соблюдается (т.е. кортежи в рамках одного отношения не уникальны), то в базе данных может храниться противоречивая информация об одном и том же объекте.  Поддержание целостности сущностей обеспечивается средствами системы управления базой данных (СУБД). Это осуществляется с помощью двух ограничений:

• при добавлении записей в таблицу проверяется уникальность их первичных ключей

• не позволяется изменение значений атрибутов, входящих в первичный ключ.

Целостность ссылок

Сложные объекты реального мира представляются в реляционной базе данных в виде кортежей нескольких нормализованных отношений, связанных между собой. При этом:

1. Связи между данными отношениями описываются в терминах функциональных зависимостей.

2. Для отражения функциональных зависимостей между кортежами разных отношений используется дублирование первичного ключа одного отношения (родительского) в другое (дочернее). Атрибуты, представляющие собой копии ключей родительских отношений, называются внешними ключами.

Требование целостности по ссылкам состоит в следующем:

для каждого значения внешнего ключа, появляющегося в дочернем отношении, в родительском отношении должен найтись кортеж с таким же значением первичного ключа.

Пусть, например, даны отношения ОТДЕЛ (N_ОТДЕЛА, ИМЯ_ОТДЕЛА) и СОТРУДНИК (N_СОТРУДНИКА, N_ОТДЕЛА, ИМЯ_СОТРУДНИКА), в которых хранятся сведения о работниках предприятия и подразделениях, где они работают. Отношение ОТДЕЛ в данной паре является родительским, поэтому его первичный ключ "N_отдела" присутствует в дочернем отношении СОТРУДНИК. Требование целостности по ссылкам означает здесь, что в таблице СОТРУДНИК не может присутствовать кортеж со значением атрибута "N_отдела", которое не встречается в таблице ОТДЕЛ. Если такое значение в отношении ОТДЕЛ отсутствует,  значение внешнего ключа  в отношении СОТРУДНИК считается неопределенным.

Как правило, поддержание целостности ссылок также возлагается на систему управления базой данных.

Существуют две основные стратегии поддержания ссылочной целостности:

• RESTRICT (ОГРАНИЧИТЬ)- не разрешать выполнение операции, приводящей к нарушению ссылочной целостности. Это самая простая стратегия, требующая только проверки, имеются ли кортежи в дочернем отношении, связанные с некоторым кортежем в родительском отношении.

• CASCADE (КАСКАДИРОВАТЬ)- разрешить выполнение требуемой операции, но внести при этом необходимые поправки в других отношениях так, чтобы не допустить нарушения ссылочной целостности и сохранить все имеющиеся связи. Изменение начинается в родительском отношении и каскадно выполняется в дочернем отношении. В реализации этой стратегии имеется одна тонкость, заключающаяся в том, что дочернее отношение само может быть родительским для некоторого третьего отношения. При этом может дополнительно потребоваться выполнение какой-либо стратегии и для этой связи и т.д. Если при этом какая-либо из каскадных операций (любого уровня) не может быть выполнена, то необходимо отказаться от первоначальной операции и вернуть базу данных в исходное состояние. Это самая сложная стратегия, но она хороша тем, что при этом не нарушается связь между кортежами родительского и дочернего отношений.

Первичный и внешний ключи

Поскольку отношение – это множество, а множества по определению не содержат совпадающих элементов, то никакие два кортежа отношения не могут быть дубликатами друг друга в любой произвольно-заданный момент времени. Пусть R – отношение с атрибутами A1, A2, ..., An. Говорят, что множество атрибутов K=(Ai, Aj, ..., Ak) отношения R является возможным ключом R тогда и только тогда, когда удовлетворяются два независимых от времени условия:

1. Уникальность: в произвольный заданный момент времени никакие два различных кортежа R не имеют одного и того же значения для Ai, Aj, ..., Ak.

2. Минимальность: ни один из атрибутов Ai, Aj, ..., Ak не может быть исключен из K без нарушения уникальности.

Каждое отношение обладает хотя бы одним возможным ключом, поскольку, по меньшей мере, комбинация всех его атрибутов удовлетворяет условию уникальности. Один из возможных ключей (выбранный произвольным образом) принимается за его первичный ключ. Остальные возможные ключи, если они есть, называются альтернативными ключами.

Отношение может содержать несколько ключей. Всегда один из ключей объявляется первичным, его значения не могут обновляться. Все остальные ключи отношения называются возможными ключами.

Различные объекты предметной области, информация о которых хранится в базе данных, всегда взаимосвязаны друг с другом. Такие взаимосвязи отражаются в реляционных базах данных при помощи внешних ключей, связывающих несколько отношений.

Формальное определение.

Пусть дано отношение . Подмножество атрибутовотношениябудем называтьвнешним ключом, если:

1. Существует отношение (ине обязательно различны) с потенциальным ключом.

2. Каждое значение в отношениивсегда совпадает со значениемдля некоторого кортежа из, либо является null-значением.

Замечание. Внешний ключ, также как и возможный, может быть простым и составным.

Замечание. Внешний ключ должен быть определен на тех же доменах, что и соответствующий первичный ключ родительского отношения.

Замечание. Внешний ключ, как правило, не обладает свойством уникальности. Так и должно быть, т.к. в дочернем отношении может быть несколько кортежей, ссылающихся на один и тот же кортеж родительского отношения. Это, собственно, и дает тип отношения "один-ко-многим".

Замечание. Для внешнего ключа не требуется, чтобы он был компонентом некоторого возможного ключа.

Вышеупомянутые и некоторые другие математические понятия явились теоретической базой для создания реляционных СУБД, разработки соответствующих языковых средств и программных систем, обеспечивающих их высокую производительность, и создания основ теории проектирования баз данных. Однако для массового пользователя реляционных СУБД можно с успехом использовать неформальные эквиваленты этих понятий:

Отношение – Таблица (иногда Файл), Кортеж – Строка (иногда Запись), Атрибут – Столбец, Поле.