Ограничения целостности БДОбеспечение целостности БД составляет необходимое условие успешного функционирования БД, особенно при ее сетевом использовании. Целостность БД — это свойство базы данных, означающее, что в ней содержится полная, непротиворечивая и адекватно отражающая предметную область информация. Целостное состояние БД описывается с помощью ограничений целостности в виде условий, которым должны удовлетворять хранимые в базе данные [17]. Целостность сущностей описывается совокупностью ограничений которые должны выполняться для любых отношений в любых реляционных базах данных. Теоретики баз данных формулируют эти ограничения по-разному. Например, в [3] называют «Условиями целостности … будем называть особые, отдельно хранящиеся данные, которыми на концептуальном уровне … представлено … правило (закон, критерий) принадлежности кортежей отношению, представленному этими данными (записями) в базе данных. К уровням целостности базы данных, как правило, присоединяются также спецификации условий принадлежности значений каждого из атрибутов реляционной таблицы к соответствующему ему домену в базе данных». Из данного определения можем извлечь следующие простые формулировки ограничений: 1. Все строки таблицы должны иметь одинаковую структуру, одно и то же количество атрибутов. 2. Никакие две записи не могут совпадать. Если определен первичный ключ отношения, то каждая строка таблицы должна иметь свое значение первичного ключа. 3. Значения атрибутов должны быть атомарными. 4. Значения каждого атрибута должны быть взяты из некоторого фиксированного множества значений (домена). Первое ограничение фиксирующее, что единственной структурой данных, используемых в реляционных БД, является отношение, по сути определяет само понятие отношения (таблица). Следствием второго ограничения является обязательное наличие атрибута, объявленного первичным ключом, обеспечивающим уникальность записей. Третье – не является строгим, т.е. результат невыполнения этого ограничения не обязательно скажется на целостности, но вероятность ошибок велика. В [8] ограничения целостности сущностей заключаются в требовании уникальности кортежей отношения (записей таблицы), из которого вытекают следующие ограничения: 1. отсутствие кортежей-дубликатов (данное требование предъявляется лишь к атрибутам первичных ключей); 2. отсутствие атрибутов с множественным характером значений. Задания для самостоятельной работы 1. Найти соответствие условий целостности из [8] условиям, названным выше, (1 – 4). 2. Составить перечень атрибутов для сведений об адресе отношения СОТРУДНИК, обеспечивающих атомарность. Ограничения целостности ссылок заключаются в том, что для любой записи с конкретным значением внешнего ключа должна обязательно существовать запись связанной таблицы-отношения с соответствующим значением первичного ключа. Пример 1. Рассмотрим отношение СОТРУДНИКИ с внешним ключом «Код отдела» и связано с отношением ОТДЕЛЫ с первичным ключом «Код отдела» (см. рис. 8). Если существует сотрудник Волков И. И., работающий в отделе О1, то соответствующий отдел должен существовать и данные о нем должны храниться в таблице ОТДЕЛЫ [17]. Отношение Сотрудники
Отношение Отделы
Пример 2. Связь между таблицами Студент и Сдал осуществляется по полю НОМЕР_Зачетки, это связь типа один-ко-многим (1: М). Причем главной является таблица Студент, а подчиненной — таблица Сдал, т.к. в ней возможно любое количество записей со значением в поле НОМЕР_Зачетки, которое в таблице Студент может быть только один раз. Поле связи должно быть обязательно первичным ключом главной таблицы. Главную таблицу иногда называют родительской, а подчиненную — дочерней. Поля связи в связываемых таблицах не обязательно должны иметь одинаковые имена, но значения полей должны быть взяты из одного и того же множества. Возможно использование для связи не только одного поля, но и совокупности полей. Большинство СУБД реляционного типа, но не все, осуществляют контроль ссылочной целостности данных. Контроль данных на непротиворечивость осуществляется СУБД автоматически в следующих случаях: 1)При добавлении данных в подчиненную таблицу. Нельзя добавить строку, в которой поле связи содержит значение, отсутствующее в главной таблице. При добавлении данных в главную таблицу контроль ссылочной целостности не требуется. 2)При удалении данных из главной таблицы. Из главной таблицы запрещается удалять строку, если в подчиненной таблице есть строки, связанные с ней. Альтернативным способом решения проблемы сохранения ссылочной целостности данных при удалении является каскадное удаление, то есть удаление строки из главной таблицы с одновременным удалением соответствующих ей строк из подчиненной. 3)При модификации значения поля связи, как в главной, так и в подчиненной таблице. В подчиненной таблице значение поля связи можно изменить на другое значение, но только в случае, если новое значение есть в главной таблице. Изменить значение поля связи главной таблицы нельзя или следует произвести соответствующую замену и во всех строках подчиненной таблице, то есть выполнить каскадное изменение данных. Изменение в таблицах значений полей, не участвующих в связи контроля ссылочной целостности не требует. Задания для самостоятельной работы 1. Добавить в таблицу СОТРУДНИКИ запись о Фроловой О.А., работающей в отделе кадров. Изобразить отношения СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ. 2. Удалить из таблицы ОТДЕЛЫ запись со значением атрибута Краткое_наим_отдела «ЛИД». Изобразить отношения СОТРУДНИКИ и ОТДЕЛЫ. Замечания 1 Основное внимание в ограничениях целостности в иерархической модели уделяется целостности ссылок между предками и потомками с учетом основного правила: никакой потомок не может существовать без родителя. 2 В сетевой модели данных ослаблен контроль целостности связей из-за допустимости установления произвольных связей между записями. Все операции над базой данных сводятся к манипуляциям с записями и полями таблиц. Обращаясь к нашему студенческому архиву (см. Таб.1), возможно, захочется узнать, кто из студентов учится в группе 407 – ответ: Сидоров (запись 3) и Соловьев (запись 4). Другой пример: кто среди студентов самый старший – ответ: Петров (запись 2). Это примеры простейших операций выборки. Манипуляционная часть описывает два эквивалентных способа манипулирования реляционными данными - реляционную алгебру и реляционное счисление. Обеспечение манипуляционной целостности характеризует свойство БД сохранять достоверность в результате выполняемых операций: выборка, объединение, пересечение, разность, соединение, проекция, деление и т.д., входящие в набор базовых теоретико-множественных операций и специальных реляционных. Неустойчивость БД, другими словами, потеря целостности, приводит к ошибкам и даже разрушению данных. Обеспечение манипуляционной целостности находится в прямой зависимости от нормализации БД. В основу манипуляционной части модели положена теория множеств с некоторыми уточнениями. Основная идея состоит в том, что, поскольку отношение — это множество, то средства манипулирования отношениями могут базироваться на традиционных теоретико-множественных операциях, дополненных некоторыми операциями, специфичными для БД. Набор операций, предложенный Коддом, содержит восемь операций: 1)теоретико-множественные операции, такие как объединение, пересечение, разность и декартово произведение, а ко второму — селекция, проекция, соединение и деление 2)специальные реляционные операции, к которым относятся операция присваивания, позволяющая сохранить в БД результат вычисления алгебраических выражений, и операция переименования атрибутов, которая дает возможность корректно сформировать заголовок результирующего отношения — его схему. Пример 1. Объединение. R3 = R1 È R2 Пусть отношение R1 — это таблица «Абитуриенты — победители олимпиады», а R2 — таблица «Абитуриенты, прошедшие по конкурсу на основании экзаменов». Таблица Абитуриенты — победители олимпиады.
Таблица Абитуриенты, прошедшие по конкурсу на основании экзаменов.
Пусть основанием для зачисления в университет является победа в олимпиаде, либо успешная сдача вступительных экзаменов. Результат объединения (R3), который мы назовем «Абитуриенты, зачисленные в университет», включает все строки первой таблицы и недостающие строки из второй. Таблица Абитуриенты, зачисленные в университет.
Пример 2. Пересечение. R3 = R1 Ç R2 Исходные данные те же, что и в случае объединения. Результат пересечения включает только те строки первой таблицы, которые есть во второй. В нашем случае результатом будет таблица, которую можно назвать «Абитуриенты, зачисленные в университет по двум показателям». Таблица Абитуриенты, зачисленные в университет по двум показателям.
В теории множеств операции объединения, пересечения и разности имеют смысл для любых двух множеств. В случае реляционной алгебры это не так. Результатом любой из этих операций должно стать отношение, то есть множество однотипных строк, следовательно, операндами должны быть отношения с одинаковыми, а точнее совместимыми, схемами. Это означает, что отношения должны иметь одинаковую степень и одинаковые типы соответствующих атрибутов. Имена атрибутов могут отличаться, тогда после переименования можно выполнить основную операцию, то есть объединение, пересечение или разность. Для операции декартово произведение, применяемой к паре отношений, важно, чтобы схемы, т.е. имена атрибутов были разными. При нарушениях условий целостности возможно возникновение аномалий. Существует несколько видов аномалий: избыточности, обновления, включения, удаления. Основная задача при проектировании реляционных БД -формирование оптимальных отношений. Пример 1. Рассмотрим БД «Объединение кооперативов». В отношении ПОСТАВЩИКИ (НАЗВАНИЕ ПОСТАВЩИКА, АДРЕС ПОСТАВЩИКА, ТОВАР, ЦЕНА), в связи с такой его схемой, могут возникают следующие проблемы: 1. Аномалия избыточность: адрес поставщика повторяется для каждого повторяемого товара. 2. Аномалия обновления (потенциальная противоречивость, может и не возникнуть): вследствие избыточности можно обновить адрес поставщика в одном кортеже, оставив его неизменным в другом. При этом может оказаться, что для некоторых поставщиков нет единого адреса. 3. Аномалия удаления: при необходимости удаления всех товаров, поставляемых данным поставщиком, непреднамеренно можно утратить его адрес. 4. Аномалия включения: в БД может быть записан адрес поставщика, который в настоящее время не поставляет товар, можно поместить неопределенные значения атрибутов ТОВАР и ЦЕНА. Но если он начнет поставлять некоторый товар, можно забыть удалить кортеж с неопределенными значениями. ТОВАР и НАЗВАНИЕ ТОВАРА образуют ключ данного отношения, а поиск кортежей с неопределенными значениями может быть затруднен или невозможен. Избыточность в данных потенциально приводит к различным аномалиям и нарушениям целостности данных. Аномалия это то, что не является нормой и в связи с этим считается странностью и исключением. Логически таблица БД построена, вроде бы, правильно, но возникает ошибка, которая может повлечь нарушение всей структуры БД. Т.к. аномалии проявляют себя при выполнении операций, изменяющих состояние базы данных, то различают следующие виды аномалий: · Аномалии вставки (INSERT) · Аномалии обновления (UPDATE) · Аномалии удаления (DELETE) Пример 2: Рассмотрим в качестве предметной области некоторую организацию, выполняющую некоторые проекты. В текущий момент состояние предметной области отражается следующими фактами: · Сотрудник Иванов, работающий в 1 отделе, выполняет в первом проекте " Космос" задание 1 и во втором проекте " Климат" задание 1. · Сотрудник Петров, работающий в 1 отделе, выполняет в первом проекте " Космос" задание 2. · Сотрудник Сидоров, работающий во 2 отделе, выполняет в первом проекте " Космос" задание 3 и во втором проекте " Климат" задание 2. Это состояние отражается в таблице СОТРУДНИКИ_ОТДЕЛЫ_ПРОЕКТЫ (курсивом выделены ключевые поля):
Аномалии вставки (INSERT) В таблицу СОТРУДНИКИ_ОТДЕЛЫ_ПРОЕКТЫ нельзя вставить данные о сотруднике, который пока не участвует ни в одном проекте. Действительно, если, например, во втором отделе появляется новый сотрудник, скажем, Королев, и он пока не участвует ни в одном проекте, то мы должны вставить запись (4, Королев, 2, 33-22-11, null, null, null). Это сделать невозможно, т.к. поле №Проекта входит в состав потенциального ключа, и, следовательно, не может содержать null-значений. Точно также нельзя вставить данные о проекте, над которым пока не работает ни один сотрудник. Причина аномалии - хранение в одном отношении разнородной информации (и о сотрудниках, и о проектах, и о работах по проекту). Вывод - логическая модель данных неадекватна модели предметной области. База данных, основанная на такой модели, будет работать неправильно. Аномалии обновления (UPDATE) Фамилии сотрудников, наименования проектов, номера телефонов повторяются во многих записях таблицы. Поэтому если сотрудник меняет фамилию, или проект меняет наименование, или меняется номер телефона, то такие изменения необходимо одновременно выполнить во всех местах, где эта фамилия, наименование или номер телефона встречаются, иначе отношение станет некорректным (например, один и тот же проект в разных записях будет называться по-разному). Таким образом, обновление базы данных одним действием реализовать невозможно. Для поддержания данных в целостном состоянии необходимо написать специальный программный запрос, который при обновлении одной записи корректно исправлял бы данные и в других местах. Причина аномалии - избыточность данных, также порожденная тем, что в одном отношении хранится разнородная информация. Вывод - увеличивается сложность разработки базы данных. База данных, основанная на такой модели, будет работать правильно только при наличии специальных программных запросов. Аномалии удаления (DELETE) При удалении некоторых данных может произойти потеря другой информации. Например, если закрыть проект " Космос" и удалить все строки, в которых он встречается, то будут потеряны все данные о сотруднике Петрове. Если удалить сотрудника Сидорова, то будет потеряна информация о том, что в отделе номер 2 находится телефон 33-22-11. Если по проекту временно прекращены работы, то при удалении данных о работах по этому проекту будут удалены и данные о самом проекте (наименование проекта). При этом если был сотрудник, который работал только над этим проектом, то будут потеряны и данные об этом сотруднике. Причина аномалии - хранение в одном отношении разнородной информации (и о сотрудниках, и о проектах, и о работах по проекту). Вывод - логическая модель данных неадекватна модели предметной области. База данных, основанная на такой модели, будет работать неправильно. Задание для самостоятельной работы 1. На примере из базы данных Магазин, в которой хранится информация о продуктах, продавцах и поставщиках
рассмотреть аномалии БД. 2. Предложить изменения в БД «Объединение кооперативов» для исключения аномалий, рассмотренных в примере. Контрольные вопросы
|
