ГОСЫ Ответы Антипов фулл / 8. Антипов / Антипов 11

11. Целостность реляционных данных. Специфические и общие правила целостности. Потенциальные ключи. Определение и свойства. Синтаксис операторов определения потенциальных ключей для базового отношения. Первичные и альтернативные ключи

Целостность реляционных данных

Логические ограничения, накладываемые на данные, называются ограничениями целостности. СУБД должна контролировать соответствие данных заданным ограничениям при переводе БД из одного состояния в другое. Использование ограничений связано также с адекватностью отражения предметной области.

Явные ограничения задаются семантикой предметной области. Они описывают области допустимых значений атрибутов, соотношение между атрибутами, динамику их изменения и т. д. Внутренние ограничения свойственны собственно модели данных. Они накладываются на структуру отношений, на связи, на допустимые значения наборов данных, заложенные в выбранной модели данных. Способы реализации внутренних ограничений целостности зависят от СУБД.

В РМД существует два вида внутренних ограничений целостности.

1. Целостность по существованию – потенциальный ключ отношения не может иметь пустого значения (NULL).

2. Целостность по связи – определяется понятием внешнего ключа отношения и означает систему правил, используемых для поддержания связей между записями в связанных таблицах. Обеспечивает защиту от случайного удаления или изменения связанных данных, от некорректного изменения ключевых полей.

Термин целостность данных относится к правильности и полноте информации содержащейся в базе данных. При изменении содержимого базы данных с помощью инструкций insert, delete или update может произойти нарушение целостности содержащихся в ней данных. Например:  в базу могут быть внесены неправильные данные, скажем, заказ, в котором указан несуществующий товар;  в результате изменения имеющихся данных им могут быть присвоены некоррект­ные значения, пример — назначение служащего в несуществующий офис;  при внесении изменений в базу данных они могут быть утеряны из-за системной ошибки или сбоя в электропитании;  при внесении изменений в базу данных они могут быть внесены лишь частично, например заказ на товар может быть добавлен без учета изменения количества товара, имеющегося на складе.  Одной из важнейших задач реляционной СУБД является поддерживание цело­стности данных на максимально возможном уровне. В настоящей главе рассматри­ваются особенности языка SQL, помогающие СУБД выполнять эту задачу.

Условия целостности данных

Для сохранения непротиворечивости и правильности хранимой информации в реляционных СУБД устанавливается одно или несколько условий целостности данных. Эти условия определяют, какие значения могут быть записаны в базу данных в результате добавления или обновления данных. Как правило, в реляционной базе данных можно использовать следующие условия целостности данных:  Обязательное наличие данных. Некоторые столбцы в базе данных должны содержать значения в каждой строке; строки в таких столбцах не могут содержать значения null или не содержать никакого значения. Например, в учебной базе данных для каждого заказа должен существовать соответствующий клиент, сделавший этот заказ. Поэтому столбец cust в таблице orders является обязательным. Можно указать СУБД, что запись значения null в такие столбцы недопустима.

общие правила целостности

Главная особенность SQL-технологий наличие у сервера СУБД специальных средств контроля целостности данных, не зависящих от клиентских программ и привязанных непосредственно к таблицам. Т.е. принципиально не важно, каким образом осуществляется доступ к базе данных: через SQL-консоль, через ODBC-драйвера из приложения Windows, через WWW-connector из Internet-браузера или через DBI-интерфейс Perl. В любом из этих случаев, за контролем целостности данных следит сервер, и при нарушении правил целостности данных сервер известит клиента об ошибке.

К структурам контроля целостности данных относятся ограничители (constraint), которые привязаны к столбцам и триггеры (trigger), которые могут быть привязаны как к столбцам, так и к строкам в таблице.

Ограничители это элементарные проверки или условия, которые выполняются для операций вставки и модификации значения столбца. Если данная проверка не проходит или условие не выполняется, то вставка или модификация отменяется, а в программу клиента передается ошибка.

SQL-серверы, как правило, поддерживают следующие ограничители.

NOT NULL - проверка на непустое значение. NULL - специальное понятие в СУБД, которое означает "пусто". "Пусто" и "0(ноль)" не равны друг другу!

UNIQUE - проверка на уникальность. Вставляемое значение должно быть уникально для данного столбца по всей таблице. Может содержать пустые значения.

PRIMARY KEY - первичный ключ. Значение в столбце считается первичным ключом, если оно непустое и уникально в пределах столбца данной таблицы. Первичный ключ может быть составным и представлять собой комбинацию столбцов. Тогда чтобы считаться первичным ключом, каждое из группы значений не должно быть пустыми и формируемые строки значений первичного ключа должны быть уникальны в пределах таблицы. Первичный ключ - основа для построения индексов по таблице.

SQL-технология позволяет на уровне столбца задавать домены значений, т.е. строго определенные наборы или диапазоны значений, для помещаемых в столбец данных. В частности можно реализовывать ограничения ссылочной целостности (referential integrity constraint) и проверки фиксированного условия. Ограничение ссылочной целостности не позволяет значениям из столбца одной таблицы принимать значения кроме как из присутствующих в столбце другой таблицы. Это делается при помощи ограничителей FOREIGN KEY (внешний ключ) и REFERENCES (указатель ссылки). Таблица, содержащая FOREIGN KEY, считается родительской таблицей. Таблица, содержащая REFERENCES, считается дочерней таблицей. Внешний ключ и указатель ссылки могут находиться в одной таблице, т.е. родительская таблица одновременно является дочерней.

FOREIGN KEY - внешний ключ. Назначает столбец или комбинацию столбцов в текущей (родительской) таблице в качестве внешнего ключа для ссылки из других таблиц.

REFERENCES - указатель ссылки (или родительский ключ). Указывает на столбец (комбинацию столбцов) в родительской таблице, ограничивающую значения в текущей (дочерней) таблице.

Для использования ограничений ссылочной целостности должны выполняться некоторые условия. В частности, родительская и дочерняя таблицы должны находиться в пределах одного аппаратного сервера базы данных, они не могут находиться на различных узлах распределенной базы данных. Столбцы, участвующие в отношении ограничения ссылочной целостности обязаны иметь один и тот же тип данных.

Ограничения ссылочной целостности используются при каскадном удалении, т.е. при удалении записи в родительской таблице удаляются все записи с указанным ключом из дочерних таблиц, и наоборот при запрете удаления/модификации, т.е. при наличии зависимых записей в дочерних таблицах, значение ключа записи в родительской таблице нельзя удалить или модифицировать.

CHECK - проверка фиксированного условия. В данном ограничителе явно указывается условие, которое должно выполняться для вставляемого или модифицируемого значения в столбце. Например: check (user in 'ALEX','JUSTAS') - в столбце user могут содержаться только значения 'ALEX' и 'JUSTAS', попытка вставки значения 'SHTIRLITZ' будет интерпретирована как ошибочная , check (user_salary between 1000 and 5000) - столбец user_salary может принимать целочисленные значения в диапазоне от 1000 до 5000 и т.д. При формировании условий с некоторыми ограничениями могут использоваться функции, например check (user = upper(user)), в данном случае имя пользователя должно вводиться только в верхнем регистре. Есть и ограничения, например, CHECK не может содержать подзапросы (SELECT).

Обычно ограничители задаются при создании таблиц. Но в дальнейшем их можно изменять, удалять или временно запрещать при помощи соответствующих команд СУБД.

Триггеры - это сохраненная откомпилированная процедура, которая связана с определенной таблицей. Триггеры, в отличие от ограничителей, могут выполнять сколь угодно сложные манипуляции над данными. Помимо операций модификации и вставки, триггеры могут срабатывать и при удалении данных из таблицы. Можно также задавать порядок срабатывания триггера относительно операции, т.е. выполниться ли триггер перед операцией вставки/модификации/удаления значения из столбца (или всей строки) или непосредственно после такой операции.

Некоторые типовые применения триггеров:

-Прозрачный аудит (не зависящий от клиентских программ и невидимый для них) и регистрация событий, связанных с доступом к определенным таблицам или столбцам в таблицах.

-Генерация значений в столбцах на основе значений в других столбцах при вставке/модификации строки данных.

-Манипуляции над зависимыми таблицами в особенности, если они находятся на других узлах распределенной базы данных, чего нельзя сделать при помощи ограничителей.

В случае необходимости триггеры можно запрещать, а затем разрешать. Запрещение триггеров применяется обычно при массовых загрузках данных в таблицы извне, с целью уменьшения времени загрузки. Понятие триггера как выполнение кода по событию в том же Oracle используется весьма широко. В частности, оно является основным при разработке клиентских программ при помощи SQL*Forms. Триггеры пишутся на процедурных расширениях SQL.

Для любой конкретной базы данных существует ряд дополнительных специфических правил, которые относятся к ней одной и определяются разработчиком. Чаще всего контролируется:

уникальность тех или иных атрибутов, диапазон значений (экзаменационная оценка от 2 до 5), принадлежность набору значений (пол "М" или "Ж").

Потенциальный ключ — в реляционной модели данных — подмножество атрибутов отношения, удовлетворяющее требованиям уникальности и минимальности (несократимости).

Уникальность означает, что не существует двух кортежей данного отношения, в которых значения этого подмножества атрибутов совпадают (равны).

Минимальность (несократимость) означает, что в составе потенциального ключа отсутствует меньшее подмножество атрибутов, удовлетворяющее условию уникальности. Иными словами, если из потенциального ключа убрать любой атрибут, он утратит свойство уникальности.

Поскольку все кортежи в отношении по определению уникальны, в нём всегда существует хотя бы один потенциальный ключ (например, включающий все атрибуты отношения).

В отношении может быть одновременно несколько потенциальных ключей. Один из них может быть выбран в качестве первичного ключа отношения, тогда другие потенциальные ключи называют альтернативными ключами.

Теоретически, все потенциальные ключи равно пригодны в качестве первичного ключа, на практике в качестве первичного обычно выбирается тот из потенциальных ключей, который имеет меньший размер (физического хранения) и/или включает меньшее количество атрибутов.

Тело отношения есть множество кортежей, поэтому отношение не могут содержать одинаковые кортежи. Это значит, что каждый кортеж должен обладать свойством уникальности. На самом деле, свойством уникальности в пределах отношения могут обладать отдельные атрибуты кортежей или группы кортежей.

Определение: Пусть R — некоторое отношение. Тогда потенциальный ключ К для R — это подмножество множества атрибутов R, обладающее свойствами: (1) Свойством уникальности — нет двух различных кортежей в R с одинаковым значением K. (2) Свойством неизбыточности — никакое из подмножеств К не обладает свойством уникальности (т.е. настоящий потенциальный ключ не должен включать лишних атрибутов для идентификации уникальности.).

Любое отношение имеет по крайней мере один потенциальный ключ.

Потенциальный ключ, состоящий из одного атрибута называется простым. Например, в отношении S потенциальный ключ — это уникальный номер поставщика {S#}.

Потенциальный ключ состоящий из более чем одного атрибута называется составным. Например, в SPJ первичный ключ — комбинация атрибутов {S#, P#,J#}.Это значит не только, что в данный момент в SPJ нет двух кортежей с одинаковым значением этой комбинации, но и то, что для всех возможный значений SPJ нет двух различных кортежей с одинаковым значением этой комбинации.

Отношение может иметь несколько первичных ключей. Традиционно, один из первичных ключей объявляется первичным, а остальные — альтернативными.

PS:

Понятие потенциального ключа является семантическим понятием и отражает некоторый смысл понятий из конкретной предметной области.

Для чего нужны потенциальные ключи? Потенциальные ключи обеспечивают основной механизм адресации на уровне кортежей в реляционной системе. Следовательно единственный гарантируемый системой способ точно указать на какой-нибудь кортеж — это указать значение некоторого первичного ключа. Например, S# — первичный ключ, тогда с помощью выражения S WHERE S# = ‘S3’ мы получим не больше одного кортежа. CITY — не первичный ключ и с помощью выражения S WHERE CITY = ‘КАНСК’ мы получим в общем случае количество кортежей, которое нельзя предсказать. Таким образом, первичные ключи имеют такое же фундаментальное значение для успешной работы реляционной системы, как адресация основной памяти для успешной работы компьютера.