4.3.4. Независимость данных

Свойство логической независимости данных позволяет сконструировать несколько различных логических взглядов (представлений) на одни и те же данные для разных групп пользователей, не изменяя их физического представления. При этом логическое представление данных может сильно отличаться от физической структуры их хранения и может синтезироваться динамически на основе хранимых объектов БД в процессе обработки запросов.

Под физической независимостью данных подразумевается способность СУБД предоставлять некоторую свободу модификации способов организации базы данных в среде хранения, не вызывая необходимости внесения изменений в логическое представление данных. Это позволяет оптимизировать среду хранения данных с целью повышения эффективности системы, не затрагивая созданных прикладных программ, работающих с БД.

4.3.5. Понятие логической и физической целостности данных

Целостность (от англ. integrity – нетронутость, неприкосновенность, сохранность, целостность) – понимается как правильность данных в любой момент времени.

Целостность базы данных (database integrity) – соответствие имеющейся в базе данных информации её внутренней логике, структуре и всем явно заданным правилам. Каждое правило, налагающее некоторое ограничение на возможное состояние базы данных, называется ограничением целостности (integrity constraint). Выделяют три группы правил целостности: целостность по сущностям; целостность по ссылкам; целостность, определяемая пользователем.

Целостность БД не гарантирует достоверности содержащейся в ней информации, но обеспечивает, по крайней мере, правдоподобность этой информации, отвергая заведомо невероятные, невозможные значения. Таким образом, не следует путать целостность БД с достоверностью БД. Достоверность (или истинность) есть соответствие фактов, хранящихся в базе данных, реальному миру. Очевидно, что для определения достоверности БД требуется обладание полными знаниями как о содержимом БД, так и о реальном мире. Для определения целостности БД требуется лишь обладание знаниями о содержимом БД и о заданных для неё правилах. Поэтому СУБД может (и должна) контролировать целостность БД, но принципиально не в состоянии контролировать достоверность БД. Контроль достоверности БД может быть возложен только на человека, да и то в ограниченных масштабах, поскольку в ряде случаев люди тоже не обладают полнотой знаний о реальном мире.

Итак, БД может быть целостной, но не достоверной. Возможно и обратное: БД может быть достоверной, но не целостной. Последнее имеет место, если правила (ограничения целостности) заданы неверно. Под целостностью базы данных в общем случае понимается ее готовность к работе.

Целостность базы данных имеет много аспектов:

• физическая целостность, т.е. сохранность информации на магнитных носителях и корректность форматов данных;

• логическая целостность, под которой понимается непротиворечивость данных в базе;

• актуальность данных, т.е. соответствие данных реальному положению вещей.

Потеря целостности базы данных может произойти от сбоев аппаратуры ЭВМ, ошибок в программном обеспечении, неверной технологии ввода и корректировки данных, низкой достоверности самих данных, и т.д. Поэтому обеспечить целостность базы реального объема весьма сложно. В то же время потеря целостности данных ведет к самым серьезным последствиям вплоть до полной перегрузки данных базы.

Целостность данных обеспечивается набором специальных предложений, называемых ограничениями целостности. Ограничения целостности представляют собой утверждения о допустимых значениях отдельных информационных единиц и связях между ними. Ограничения целостности могут относиться к разным информационным объектам: атрибутам, кортежам, отношениям, связям между ними и т.п.

Для полей (атрибутов) используются следующие виды ограничений: тип и формат поля; задание диапазона значений; недопустимость пустого поля; задание домена; проверка на уникальность значения какого-либо поля (позволяет избежать записей-дубликатов). Ограничения, используемые только при проверке допустимости корректировки, называют ограничениями перехода.

Ограничения целостности, относящиеся к кортежам: либо ограничение на значение всей строки, рассматриваемой как единое целое (естественным ограничением является требование уникальности каждой строки таблицы), либо ограничения на соотношения значений отдельных полей в пределах одной строки.

Существуют ограничения, проверяющие соотношения между записями одной таблицы. Имеются ограничения, относящиеся к нескольким взаимосвязанным таблицам, например, ограничение целостности связи, которое выражается в том, что значение атрибута, отражающего связь между объектами и являющегося внешним ключом отношения, обязательно должно совпадать с одним из значений атрибута, являющегося ключом отношения, описывающего соответствующий объект. Своеобразным видом ограничения является запрет на обновление. Он может относиться и к отдельному полю, и ко всей записи, и к целой таблице.

Ограничения целостности разделяют по моменту контроля за соблюдением ограничения – на одномоментные и отложенные. Отложенные ограничения целостности могут не соблюдаться в процессе выполнения какой-либо группы операций, но обязаны быть соблюдены по завершению выполнения этой группы операций. Если какая-либо из операций транзакции не выполнена, то все выполненные ранее операции отменяются, и данные возвращаются к тому состоянию, которое они имели до начала выполнения транзакции.

Ограничения целостности разделяют по способу задания – на явные и неявные. Неявные ограничения определяются спецификой модели данных и проверяются СУБД автоматически. Неявные ограничения обычно относятся к классу синтаксических ограничений в отличие от семантических ограничений целостности, обусловленных спецификой предметной области. Понятие же целостности может относиться и к служебной информации.

Ограничения целостности классифицируются несколькими способами: по способам реализации; по времени проверки; по области действия.

По способам реализации различают: декларативную поддержку ограничений целостности – средствами языка определения данных (DDL); процедурную поддержку ограничений целостности – посредством триггеров и хранимых процедур.

По времени проверки ограничения делятся на: немедленно проверяемые ограничения; ограничения с отложенной проверкой.

По области действия ограничения делятся на: ограничения домена; ограничения атрибута; ограничения кортежа; ограничения отношения; ограничения базы данных.

База данных находится в согласованном состоянии, если для этого состояния выполнены все ограничения целостности.

Транзакция – это неделимая, с точки зрения воздействия на СУБД, последовательность операций манипулирования данными, выполняющаяся по принципу «все или ничего», и переводящая базу данных из одного целостного состояния в другое целостное состояние. Транзакция обладает четырьмя важными свойствами, известными как свойства АСИД: (А) атомарность; (С) согласованность; (И) изоляция; (Д) долговечность.

Свойство атомарности (Atomicity) выражается в том, что транзакция должна быть выполнена в целом или не выполнена вовсе. Свойство согласованности (Consistency) гарантирует, что по мере выполнения транзакций данные переходят из одного согласованного состояния в другое – транзакция не разрушает взаимной согласованности данных. Свойство изолированности (Isolation) означает, что конкурирующие за доступ к базе данных транзакции физически обрабатываются последовательно, изолированно друг от друга, но для пользователей это выглядит так, как будто они выполняются параллельно. Свойство долговечности (Durability) трактуется следующим образом: если транзакция завершена успешно, то те изменения в данных, которые были ею произведены, не могут быть потеряны ни при каких обстоятельствах (даже в случае последующих ошибок).

Возможны два варианта завершения транзакции. Если все операторы выполнены успешно и в процессе выполнения транзакции не произошло никаких сбоев программного или аппаратного обеспечения, транзакция фиксируется. Фиксация транзакции – это действие, обеспечивающее запись на диск изменений в базе данных, которые были сделаны в процессе выполнения транзакции. До тех пор пока транзакция не зафиксирована, допустимо аннулирование этих изменений, восстановление базы данных в то состояние, в котором она была на момент начала транзакции. Фиксация транзакции означает, что все результаты выполнения транзакции становятся постоянными. Они станут видимыми другим транзакциям только после того, как текущая транзакция будет зафиксирована. До этого момента все данные, затрагиваемые транзакцией, будут «видны» пользователю в состоянии на начало текущей транзакции. Если в процессе выполнения транзакции случилось нечто такое, что делает невозможным ее нормальное завершение, база данных должна быть возвращена в исходное состояние. Откат транзакции – это действие, обеспечивающее аннулирование всех изменений данных, которые были сделаны операторами SQL в теле текущей незавершенной транзакции. Каждый оператор в транзакции выполняет свою часть работы, но для успешного завершения всей работы в целом требуется безусловное завершение всех их операторов. Группирование операторов в транзакции сообщает СУБД, что вся эта группа должна быть выполнена как единое целое, причем такое выполнение должно поддерживаться автоматически.

Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД. Каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения.