Принципы поддержки целостности в реляционной модели данных

Одним из основополагающих понятий в технологии баз данных является понятие целостности. В общем случае это понятие прежде всего связано с тем, что база данных отражает в информационном виде некоторый объект реального мира или совокупность взаимосвязанных объектов реального мира. В реляционной модели объекты реального мира представлены в виде совокупности взаимосвязанных отношений. Под целостностью будем понимать соответствие информационной модели предметной области, хранимой в базе данных, объектам реального мира и их взаимосвязям в каждый момент времени. Любое изменение в предметной области, значимое для построенной модели, должно отражаться в базе данных, и при этом должна сохраняться однозначная интерпретация информационной модели в терминах предметной области.

Мы отметили, что только существенные или значимые изменения предметной области должны отслеживаться в информационной модели. Действительно, модель всегда представляет собой некоторое упрощение реального объекта, в модели мы отражаем только то, что нам важно для решения конкретного набора задач. Именно поэтому в информационной системе "Библиотека" мы, например, не отразили место хранения конкретных экземпляров книг, потому что мы не ставили задачу автоматической адресации библиотечных стеллажей. И в этом случае любое перемещение книг с одного места на другое не будет отражено в модели, это перемещение несущественно для наших задач. С другой стороны, процесс взятия книги читателем или возврат любой книги в библиотеку для нас важен, и мы должны его отслеживать в соответствии с изменениями в реальной предметной области. И с этой точки зрения наличие у экземпляра книги указателя на его отсутствие в библиотеке и одновременное отсутствие записи о конкретном номере читательского билета, за которым числится этот экземпляр книги, является противоречием, такого быть не должно. И в модели данных должны

быть предусмотрены средства и методы, которые позволят нам обеспечивать динамическое отслеживание в базе данных согласованных действий, связанных с согласованным изменением информации. Именно этим вопросам и посвящена данная лекция.

Общие понятия и определения целостности

Поддержка целостности в реляционной модели данных в ее классическом понимании включает в себя 3 аспекта.

Во-первых, это поддержка структурной целостности,которая трактуется как то, что реляционная СУБД должна допускать работу только с однородными структурами данных типа "реляционное отношение". При этом понятие "реляционного отношения" должно удовлетворять всем ограничениям, накладываемым на него в классической теории реляционной БД (отсутствие дубликатов кортежей, соответственно обязательное наличие первичного ключа, отсутствие понятия упорядоченности кортежей).

В дополнение к структурной целостности необходимо рассмотреть проблему неопределенных Null значений. Как уже указывалось раньше, неопределенное значение интерпретируется в реляционной модели как значение, неизвестное на данный момент времени. Это значение при появлении дополнительной информации в любой момент времени может быть заменено на некоторое конкретное значение. При сравнении неопределенных значений не действуют стандартные правила сравнения: одно неопределенное значение никогда не считается равным другому неопределенному значению. Для выявления равенства значения некоторого атрибута неопределенному применяют специальные стандартные предикаты:

<имя атрибута>IS NULL и <имя атрибута> IS NOT NULL.

Если в данном кортеже (в данной строке) указанный атрибут имеет неопределенное значение, то предикат IS NULL принимает значение TRUE (Истина), а предикат IS NOT NULL — FALSE (Ложь), в противном случае предикат IS NULL принимает значение FALSE, а предикат IS NOT NULL принимает значение TRUE.

Ведение Null значений вызвало необходимость модификации классической двузначной логики и превращения ее в трехзначную. Все логические операции, производимые с неопределенными значениями, подчиняются этой логике в соответствии с заданной таблицей истинности.

Таблица 8.1. Таблица истинности для логических операций с неопределенными значениями

А	В	Not A	A & B
TRUE	TRUE	FALSE	TRUE	TRUE
TRUE	FALSE	FALSE	FALSE	TRUE
TRUE	Null	FALSE	Null	TRUE
FALSE	TRUE	TRUE	FALSE	TRUE
FALSE	FALSE	TRUE	FALSE	FALSE
FALSE	Null	TRUE	FALSE	Null
Null	TRUE	Null	Null	TRUE
Null	FALSE	Null	FALSE	Null
Null	Null	Null	Null	Null

В стандарте SQL2 появилась возможность сравнивать не только конкретные значения атрибутов с неопределенным значением, но и результаты логических выражений сравнивать с неопределенным значением, для этого введена специальная логическая константа UNKNOWN. В этом случае операция сравнения выглядит как:

Логическое выражение > IS {TRUE | FALSE | UNKNOWN}

Во-вторых, это поддержка языковой целостности,которая состоит в том, что реляционная СУБД должна обеспечивать языки описания и манипулирования данными не ниже стандарта SQL. Не должны быть доступны иные низкоуровневые средства манипулирования данными, не соответствующие стандарту.

Именно поэтому доступ к информации, хранимой в базе данных, и любые изменения этой информации могут быть выполнены только с использованием операторов языка SQL.

В-третьих, это поддержка ссылочной целостности (Declarative Referential Integrity, DRI), означает обеспечение одного из заданных принципов взаимосвязи между экземплярами кортежей взаимосвязанных отношений:

• кортежи подчиненного отношения уничтожаются при удалении кортежа основного отношения, связанного с ними.
• кортежи основного отношения модифицируются при удалении кортежа основного отношения, связанного с ними, при этом на месте ключа родительского отношения ставится неопределенное Null значение.

Ссылочная целостность обеспечивает поддержку непротиворечивого состояния БД в процессе модификации данных при выполнении операций добавления или удаления.

Кроме указанных ограничений целостности, которые в общем виде не определяют семантику БД, вводится понятие семантической поддержки целостности.

Структурная, языковая и ссылочная целостность определяют правила работы СУБД с реляционными структурами данных. Требования поддержки этих трех видов целостности говорят о том, что каждая СУБД должна уметь это делать, а разработчики должны это учитывать при построении баз данных с использованием реляционной модели. И эти требования поддержки целостности достаточно абстрактны, они определяют допустимую форму представления и обработки информации в реляционных базах данных. Но с другой стороны, эти аспекты никак не касаются содержания базы данных. Для определения некоторых ограничений, которые связаны с содержанием базы данных, требуются другие методы. Именно эти методы и сведены в поддержку семантической целостности.

Давайте рассмотрим конкретный пример. То, что мы можем построить схему базы данных или ее концептуальную модель только из совокупности нормализованных таблиц, определяет структурную целостность. И мы построили нашу схему библиотеки из пяти взаимосвязанных отношений. Но мы не можем с помощью перечисленных трех методов поддержки целостности обеспечить ряд правил, которые определены в нашей предметной области и должны в ней соблюдаться. К таким правилам могут быть отнесены следующие:

1. В библиотеке должны быть записаны читатели не моложе 17 лет.
2. В библиотеке присутствуют книги, изданные начиная с 1960 по текущий год.
3. Каждый читатель может держать на руках не более 5 книг.
4. Каждый читатель при регистрации в библиотеке должен дать телефон для связи: он может быть рабочим или домашним.

Принципы семантической поддержки целостности как раз и позволяют обеспечить автоматическое выполнение тех условий, которые перечислены ранее.

Семантическая поддержка может быть обеспечена двумя путями: декларативным и процедурным путем. Декларативный путь связан с наличием механизмов в рамках СУБД, обеспечивающих проверку и выполнение ряда декларативно заданных правил-ограничений, называемых чаще всего "бизнес-правилами" (Business Rules) или декларативными ограничениями целостности.

Выделяются следующие виды декларативных ограничений целостности:

• Ограничения целостности атрибута: значение по умолчанию, задание обязательности или необязательности значений (Null), задание условий на значения атрибутов.

  Задание значения по умолчанию означает, что каждый раз при вводе новой строки в отношение, при отсутствии данных в указанном столбце этому атрибуту присваивается именно значение по умолчанию. Например, при вводе новых книг разумно в качестве значения по умолчанию для года издания задать значение текущего года. Например, для MS Access 97 это выражение будет иметь вид:

  YEAR(NOW())

  Здесь NOW() — функция, возвращающая значение текущей даты, YEAR(data) — функция, возвращающая значение года указанной в качестве параметра даты.

  В качестве условия на значение для года издания надо задать выражение, которое будет истинным только тогда, когда год издания будет лежать в пределах от 1960 года до текущего года. В конкретных СУБД это значение будет формироваться с использованием специальных встроенных функций СУБД.

  Для MS Access 97 это выражение будет выглядеть следующим образом:

  Between 1960 AND YEAR(NOW())

  В СУБД MS SQL Server7.0 значение по умолчанию записывается в качестве "бизнес-правила". В этом случае будет использоваться выражение, в котором явным образом должно быть указано имя соответствующего столбца, например:

  YEAR_PUBL >= 1960 AND YEAR_PUBL <= YEAR(GETDATE())

  Здесь GETDATE() — функция MS SQL Server7.0, возвращающая значение текущей даты, YEAR_PUBL — имя столбца, соответствующего году издания.
• Ограничения целостности, задаваемые на уровне доменов, при поддержке доменной структуры. Эти ограничения удобны, если в базе данных присутствуют несколько столбцов разных отношений, которые принимают значения из одного и того же множества допустимых значений. Некоторые СУБД поддерживают подобную доменную структуру, то есть разрешают определять отдельно домены, задавать тип данных для каждого домена и задавать соответственно ограничения в виде бизнес-правил для доменов. А для атрибутов задается не примитивный первичный тип данных, а их принадлежность тому или другому домену. Иногда доменная структура выражена неявно и в ряде СУБД применяется специальная терминология для этого. Так, например, в MS SQL Server 7.0 вместо понятия домена вводится понятие типа данных, определенных пользователем,но смысл этого типа данных фактически эквивалентен смыслу домена. В этом случае действительно удобно задать ограничение на значение прямо на уровне домена, тогда оно автоматически будет выполняться для всех атрибутов, которые принимают значения из этого домена. А почему удобно задать это ограничение на уровне домена? А если мы зададим это ограничение для каждого атрибута, входящего в домен, разве наша система будет работать неправильно? Нет, конечно, она будет работать правильно, но представьте себе, что у вас в организации изменились правила работы, которые выражены в виде декларативных ограничений на значения. В нашем случае, например, мы будем комплектовать библиотеку более новыми книгами и теперь будем принимать в библиотеку книги, изданные не позднее 1980 года. А если это ограничение у нас задано не на один столбец, то нам надо просматривать все отношения и во всех отношениях менять старое правило на новое. Не легче ли заменить его один раз в домене, а все атрибуты, которые принимают значения из этого домена, будут автоматически работать по новому правилу.

  Да, это действительно легче, тем более что в процессе работы схема базы данных разрастается и начинает содержать более сотни отношений, и задача нетривиальная — найти все отношения, в которых ранее установлено это ограничение и исправить его.

  Одним из основных правил при разработке проекта базы данных, как мы уже упоминали раньше, является минимизация избыточности, а это означает, что если возможно информацию о чем-то, в том числе и об ограничениях, хранить в одном месте, то это надо делать обязательно.
• Ограничения целостности, задаваемые на уровне отношения. Некоторые семантические правила невозможно преобразовать в выражения, которые будут применимы только к одному столбцу. В нашем примере с библиотекой мы не сможем выразить требование наличия по крайней мере одного телефонного номера для быстрой связи с читателем. У нас под телефоны отведены два столбца, это в некотором роде искусственно, но специально так сделано, чтобы показать вам другой тип ограничений. Каждый из атрибутов является в общем случае необязательным и может принимать неопределенные значения: не обязательно должен быть задан как рабочий, так и домашний телефон. Мы хотим потребовать, чтобы из двух по крайней мере один телефон был бы задан обязательно. Попробуем сформулировать это в терминологии неопределенных значений баз данных. Домашний телефон должен быть задан ( >NOT NULL >) или рабочий телефон должен быть задан ( >NOT NULL >). Для MS Access97 или для MS SQL Server97 соответствующее выражение будет выглядеть следующим образом:

  HOME_PHON IS NOT NULL OR WORK_PHON IS NOT NULL
• Ограничения целостности, задаваемые на уровне связи между отношениями: задание обязательности связи, принципов каскадного удаления и каскадного изменения данных, задание поддержки ограничений по мощности связи. Эти виды ограничений могут быть выражены заданием обязательности или необязательности значений внешних ключей во взаимосвязанных отношениях.

Декларативные ограничения целостности относятся к ограничениям, которые являются немедленно проверяемыми. Есть ограничения целостности, которые являются откладываемыми. Эти ограничения целостности поддерживаются механизмом транзакций и триггеров. Мы их рассмотрим в следующих лекциях.