Во реляционной модели данных определяются два ограничения, которые должны выполняться в любом отношении реляционной базы данных. Это: Целостность сущностей. - презентация

1 Во реляционной модели данных определяются два ограничения, которые должны выполняться в любом отношении реляционной базы данных. Это: Целостность сущностей. Целостность внешних ключей. Целостность реляционных данных 1

2 Для того чтобы обойти проблему неполных или неизвестных данных, в базах данных могут использоваться типы данных, пополненные так называемым null-значением. Null-значение - это, собственно, не значение, а некий маркер, показывающий, что значение неизвестно. 2

3 в ситуации, когда возможно появление неизвестных или неполных данных, разработчик имеет на выбор два варианта. Первый вариант состоит в том, чтобы ограничиться использованием обычных типов данных и не использовать null-значения, а вместо неизвестных данных вводить либо нулевые значения, либо значения специального вида - например, договориться, что строка "АДРЕС НЕИЗВЕСТЕН" и есть те данные, которые нужно вводить вместо неизвестного адреса. 3

4 Второй вариант состоит в использовании null-значений вместо неизвестных данных. За кажущейся естественностью такого подхода скрываются менее очевидные и более глубокие проблемы. Наиболее бросающейся в глаза проблемой является необходимость использования трехзначной логики при оперировании с данными, которые могут содержать null-значения. 4

5 В этом случае при неаккуратном формулировании запросов, даже самые естественные запросы могут давать неправильные ответы. Есть более фундаментальные проблемы, связанные с теоретическим обоснованием корректности введения null-значений, например, непонятно вообще, входят ли null-значения в домены или нет. 5

6 Практически все реализации современных реляционных СУБД позволяют использовать null- значения, несмотря на их недостаточную теоретическую обоснованность. Такую ситуацию можно сравнить с ситуацией, сложившейся в начале века с теорией множеств. 6

7 Трехзначная логика (3VL) Т.к. null-значение обозначает на самом деле тот факт, что значение неизвестно, то любые алгебраические операции(сложение, умножение, конкатенация строк и т.д.) должны давать также неизвестное значение, т.е. Null. Действительно, если, например, вес детали неизвестен,то неизвестно также, сколько весят 10 таких деталей. 7

8 При сравнении выражений, содержащих null- значения, результат также может быть неизвестен, Таким образом, определение истинности логических выражений базируется на трехзначной логике (three-valued logic, 3VL), в которой кроме значений T - ИСТИНА и F - ЛОЖЬ, введено значение U - НЕИЗВЕСТНО. Логическое значение U - это то же самое, что и null- значение. Трехзначная логика базируется на следующих таблицах истинности. 8

9 ANDFTU FFFF TFTU UFUU 9

10 ORFTU FFTU TTTT UUTU 10

11 NOT FT TF UU 11

12 Парадокс 1. Null-значение не равно самому себе. Действительно, выражение null = null дает значение не ИСТИНА, а НЕИЗВЕСТНО. Парадокс 2. Неверно также, что null-значение не равно самому себе! Парадокс 3. 12

13 Потенциальные ключи По определению, тело отношения есть множество кортежей, поэтому отношения 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 атрибутов. Такие уникальные атрибуты удобно использовать для идентификации кортежей. 13

14 . Пусть дано отношение Подмножество атрибутов будем называть потенциальным ключом, если обладает следующими свойствами: Свойством уникальности - в отношении не может быть двух различных кортежей, с одинаковым значением Свойством неизбыточности - никакое подмножество не обладает свойством уникальности. 14

15 Любое отношение имеет по крайней мере один потенциальный ключ. Действительно, если никакой атрибут или группа атрибутов не являются потенциальным ключом, то, в силу уникальности кортежей, все атрибуты вместе образуют потенциальный ключ. Потенциальный ключ, состоящий из одного атрибута, называется простым. Потенциальный ключ, состоящий из нескольких атрибутов, называется составным. Традиционно, один из потенциальных ключей объявляется первичным, а остальные - альтернативными. 15

16 Табельный номер ФамилияЗарплата 1Иванов1000 2Петров2000 3Сидоров3000 При первом взгляде на таблицу, изображающую это отношение, может показаться, что в таблице имеется три потенциальных ключа - в каждой колонке таблицы содержатся уникальные данные. ABC 1Иванов1000 2Петров2000 3Сидоров

17 Т.к. потенциальные ключи фактически служат Идентификаторами объектов предметной области (т.е. предназначены для различения объектов), то значения этих идентификаторов не могут содержать неизвестные значения. Действительно, если бы идентификаторы могли содержать null-значения, то мы не могли бы дать ответ "да" или "нет" на вопрос, совпадают или нет два идентификатора. Это определяет следующее правило целостности сущностей: Правило целостности сущностей. Атрибуты, входящие в состав некоторого потенциального ключа не могут принимать null-значений. 17

18 Различные объекты предметной области, информация о которых хранится в базе данных, всегда взаимосвязаны друг с другом. Например, накладная на поставку товара содержит список товаров с количествами и ценами, сотрудник предприятия имеет детей, числится в подразделении и т.д. Термины "содержит", "имеет", "числится« отражают взаимосвязи между понятиями "накладная" и "список товаров«, "сотрудник" и "дети", "сотрудник" и "подразделение". Такие взаимосвязи отражаются в реляционных базах данных при помощи внешних ключей, связывающих несколько отношений. Внешние ключи 18

19 Номер поставщ ика Наимено вание поставщ ика Номер детали Наимено вание детали Поставл яемое количест во 1Иванов1Болт100 1Иванов2Гайка200 1Иванов3Винт300 2Петров1Болт150 2Петров2Гайка250 3Сидоров3Винт1000 Потенциальным ключом этого отношения может выступать пара атрибутов {"Номер поставщика", "Номер детали"} 19

20 Приведенный способ хранения данных обладает рядом недостатков. Что произойдет, если изменилось наименование поставщика? Т.к. наименование поставщика повторяется во многих кортежах отношения, то это наименование нужно одновременно изменить во всех кортежах, где оно встречается, иначе данные станут противоречивыми. То же самое с наименованиями деталей. Значит, данные хранятся в нашем отношении с большой избыточностью Далее, как отразить факт, что некоторый поставщик, например Петров, временно прекратил поставки деталей? Если мы удалим все кортежи, в которых хранится информация о поставках этого поставщика, то мы потеряем данные о самом Петрове как потенциальном поставщике. Выйти из этого положения, оставив в отношении кортеж типа (2, Петров, NULL, NULL, NULL) мы не можем, т.к. атрибут "Номер детали" входит в состав потенциального ключа и не может содержать null- значений. 20

21 То же самое произойдет, если некоторая деталь временно не поставляется никаким поставщиком. Получается, что мы не можем хранить информацию о том, что есть некий поставщик, если он не поставляет хотя бы одну деталь, не можем хранить информацию о том, то есть некоторая деталь, если она никем не поставляется. Подобные проблемы возникают потому, что мы смешали в одном отношении различные объекты предметной области - и данные о поставщиках, и данные о деталях, и данные о поставках деталей. Говорят, что это отношение плохо нормализовано (просто нормализованным оно является хотя бы потому, что оно есть отношение и, следовательно, автоматически находится в 1НФ). 21

22 Для нас важно выяснить, каким образом данные, хранящиеся в этих отношениях взаимосвязаны друг с другом. Эта связь определяется семантикой предметной области и описывается фразами: "Поставщики выполняют Поставки", "Детали поставляются через Поставки". Эти две взаимосвязи косвенно определяют новую взаимосвязь между Поставщиками" и "Деталями": "Детали поставляются Поставщиками". Эти фразы отражают различные типы взаимосвязей. Чтобы более точно отразить предметную область, можно иначе переформулировать фразы: "Один Поставщик может выполнять несколько Поставок", "Одна Деталь может поставляться несколькими Поставками". Это пример взаимосвязи типа "один-ко-многим". Взаимосвязь между "Поставщиками" и "Деталями" можно переформулировать так: "Несколько Деталей может поставляться несколькими Поставщиками". Это пример взаимосвязи типа "много-ко-многим". 22

23 В реляционных базах данных основными являются взаимосвязи типа "один-ко-многим«. Взаимосвязи типа "много-ко-многим" реализуются использованием нескольких взаимосвязей типа "один-ко-многим". Отношение, входящее в связь со стороны "один" (например, "Поставщики"), называют родительским отношением. Отношение, входящее в связь со стороны "много" (например, "Поставки"), называется дочернем отношением. Механизм реализации взаимосвязи "один-ко-многим" состоит в том, что в дочернее отношение добавляются атрибуты, являющиеся ссылками на ключевые атрибуты родительского отношения. Эти атрибуты и являются внешними ключами, определяющими, с какими кортежами родительского отношения связаны кортежи дочернего отношения. Такие атрибуты еще называют мигрирующими из родительского отношения. 23

24 Номер поставщика Наименовани е поставщика 1Иванов 2Петров 3Сидоров Таким образом, наш пример с поставщиками и поставляемыми деталями должен выглядеть следующим образом: Таблица 6 Отношение "Поставщики" Таблица 7 Отношение "Детали" Номер детали Наименовани е детали 1Болт 2Гайка 3Винт 24

25 Номер постав щика Номер детали Поставляемое количество Таблица 8 Отношение "Поставки" 25

26 В отношении "Поставки" атрибуты "Номер поставщика" и "Номер детали являются ссылками на ключевые атрибуты отношений "Поставщики" и Детали", и, следовательно, являются внешними ключами. Заметим, что данные отношения свободны от недостатков, описанных выше, когда все данные предлагалось хранить в одном отношении. Действительно, при изменении наименования поставщика или детали, это изменение происходит только в одном месте. Если поставщик прекратил поставки всех деталей, то удаляются соответствующие кортежи в отношении "Поставки", данные же о самом поставщике остаются без изменений. Дадим точное определение. Определение. Пусть дано отношение Подмножество атрибутов отношениябудем называть внешним ключом, если: 1.Существует отношениеи(не обязательно различны) с потенциальным ключом 2.Каждое значение в отношениивсегда совпадает со значением для некоторого кортежа из,либо является null-значением. 26

27 Замечание. Внешний ключ, также как и потенциальный, 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". Отношение называется родительским отношением, отношение называется дочерним отношением. 27

28 Замечание. Если внешний ключ все-таки обладает свойством уникальности, то связь между отношениями имеет тип "один-к-одному". Чаще всего такие отношения объединяются в одно отношение, хотя это и не обязательно. Замечание. Хотя каждое значение внешнего ключа обязано совпадать со значениями потенциального ключа в некотором кортеже родительского отношения, то обратное, вообще говоря, неверно. Например, могут существовать поставщики, не поставляющие никаких деталей. Замечание. Для внешнего ключа не требуется, чтобы он был компонентом некоторого потенциального ключа (как получилось в примере с поставщиками и деталями). Замечание. Null-значения для атрибутов внешнего ключа допустимы только в том случае, когда атрибуты внешнего ключа не входят в состав никакого потенциального ключа 28

29 Целостность внешних ключей Т.к. внешние ключи фактически служат ссылками на кортежи в другом (или в том же самом) отношении, то эти ссылки не должны указывать на несуществующие объекты. Это определяет следующее правило целостности внешних ключей: Правило целостности внешних ключей. Внешние ключи не должны быть несогласованными, т.е. для каждого значения внешнего ключа должно существовать соответствующее значение первичного ключа в родительском отношении. 29

30 Замечания к правилам целостности сущностей и внешних ключей На самом деле приведенные правила целостности сущностей и внешних ключей прямо следуют из определений понятий потенциальный ключ" и "внешний ключ". Действительно, определении потенциального ключа требуется, чтобы Потенциальный ключ обладал свойством уникальности. Это фактически означает, что мы должны уметь различать значения потенциальных ключей, т.е. при сравнении двух Значений потенциального ключа мы всегда должны получать значения либо ИСТИНА, либо ЛОЖЬ. Но любое сравнение, в которое входит null-значение, принимает значение U - НЕИЗВЕСТНО, откуда следует, что атрибуты потенциального ключа не могут содержать null-значений. 30

31 Для внешних ключей правило целостности фактически входит в определение Таким образом, с точки зрения реляционной теории, явная формулировка правил целостности является излишней - они автоматически вытекают из определений понятий ключа и внешнего ключа. Тем не менее, явная формулировка правил целостности имеет определенный практический смысл. В большинстве серьезных СУБД за выполнением этих ограничений следит сама СУБД, если, конечно, пользователь явно объявил потенциальные и внешние ключи. Но, во-первых, для некоторых систем можно допустить, чтобы эти ограничения не выполнялись, а во-вторых, некоторые системы просто не поддерживают понятия целостности, например, некоторые "настольные СУБД типа FoxPro 2.5. В этих случаях за целостностью данных должен следить сам пользователь, или программист, разрабатывающий приложение для пользователя. Явная формулировка правил целостности помогает четко понять, какие опасности несет в себе пренебрежение этими правилами. 31

32 Операции, могущие нарушить ссылочную целостность Ссылочная целостность может нарушиться в результате операций, изменяющих состояние базы данных. Таких операций три - вставка, обновление и удаление кортежей в отношениях. Т.к. в определении ссылочной целостности участвуют два отношения - родительское и дочернее, а в каждом из них возможны три операции - вставка, обновление, удаление, то нужно рассмотреть шесть различных вариантов. Вставка кортежа в родительском отношении. При вставке кортежа в родительское отношение возникает новое значение потенциального ключа. Т.к. допустимо существование кортежей в родительском отношении, на которые нет ссылок из дочернего отношения, то вставка кортежей в родительское отношение не нарушает ссылочной целостности 32

33 Обновление кортежа в родительском отношении. При обновлении кортежа в родительском отношении может измениться значение потенциального ключа. Если есть кортежи в дочернем отношении, ссылающиеся на обновляемый кортеж, то значения их внешних ключей станут некорректными. Обновление кортежа в родительском отношении может привести к нарушению ссылочной целостности, если это обновление затрагивает значение потенциального ключа. Удаление кортежа в родительском отношении. При удалении кортежа в родительском отношении удаляется значение потенциального ключа. Если есть кортежи в дочернем отношении, ссылающиеся на удаляемый кортеж, то значения их внешних ключей станут некорректными. Удаление кортежей в родительском отношении может привести к нарушению ссылочной целостности. 33

34 Вставка кортежа в дочернее отношение. Нельзя вставить кортеж в дочернее отношение, если вставляемое значение внешнего ключа некорректно. Вставка кортежа в дочернее отношение привести к нарушению ссылочной целостности. Обновление кортежа в дочернем отношении. При обновлении кортежа в дочернем отношении можно попытаться некорректно изменить значение внешнего ключа. Обновление кортежа в дочернем отношении может привести к нарушению ссылочной целостности. Удаление кортежа в дочернем отношении. При удалении кортежа в дочернем отношении ссылочная целостность не нарушается. 34

35 Стратегии поддержания ссылочной целостности 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 35

36 Эти стратегии являются стандартными и присутствуют во всех СУБД, в которых имеется поддержка ссылочной целостности. Можно рассмотреть дополнительные стратегии поддержания ссылочной целостности: SET NULL (УСТАНОВИТЬ В NULL) - разрешить выполнение требуемой операции, но все возникающие некорректные значения внешних ключей изменять на null-значения. Эта стратегия имеет два недостатка. Во-первых, для нее требуется допустить использование null-значений. Во-вторых, кортежи дочернего отношения теряют всякую связь с кортежами родительского отношения. Установить, с каким кортежем родительского отношения были связаны измененные кортежи дочернего отношения, после выполнения операции уже нельзя. 36

37 SET DEFAULT (УСТАНОВИТЬ ПО УМОЛЧАНИЮ) - разрешить выполнение требуемой операции, но все возникающие некорректные значения внешних ключей изменять на некоторое значение, принятое по умолчанию. Достоинство этой стратегии по сравнению с предыдущей в том, что она позволяет не пользоваться null-значеними. Недостатки заключаются в следующем. Во-первых, в родительском отношении должен быть некий кортеж, потенциальный ключ которого принят как значение по умолчанию для внешних ключей. В качестве такого "кортежа по умолчанию" обычно принимают специальный кортеж, заполненный нулевыми значениями (не null-значениями!). Этот кортеж нельзя удалять из родительского отношения, и в этом кортеже нельзя изменять значение потенциального ключа. Таким образом, не все кортежи родительского отношения становятся равнозначными, поэтому приходится прилагать дополнительные усилия для отслеживания этой неравнозначности. 37

38 В некоторых реализация СУБД рассматривается еще одна стратегия поддержания ссылочной целостности: IGNORE (ИГНОРИРОВАТЬ) - выполнять операции, не обращая внимания на нарушения ссылочной целостности. Конечно, это не стратегия, а отказ от поддержки ссылочной целостности. В этом случае в дочернем отношении могут появляться некорректные значения внешних ключей, и вся ответственность за целостность базы данных ложится на пользователя. В дополнение к приведенным стратегиям пользователь может придумать свою уникальную стратегию поддержания ссылочной целостности. 38

39 39