Целостность баз данных

Целостность информации (также целостность данных) — в информатике и теории телекоммуникаций, означает, что данные полны, условие того, что данные не были изменены при выполнении любой операции над ними, будь то передача, хранение или представление.

В теории баз данных целостность данных означает корректность данных и их непротиворечивость. Обычно она также включает целостность связей, которая исключает ошибки связей между первичным и вторичным ключом.

Целостность данных — свойство, при выполнении которого данные сохраняют заранее определённый вид и качество.

Целостность данных

Обеспечение целостности данных гарантирует качество данных в таблице. Например, если служащему присвоен идентификатор 123, база данных не должна позволять другим служащим иметь такое же значение идентификатора. Если существует столбец employee_rating, в котором значения должны находиться в диапазоне от 1 до 5, база данных не должна сохранять в нем значения, лежащие вне этого диапазона. Если в таблице есть столбец dept_id, в котором хранятся номера отделов для служащих, то база данных должна воспринимать только те значения, которые допустимы в качестве номеров отделов компании.

При планировании таблиц имеются два важных шага: определить допустимые значения для столбца и решить, каким образом обеспечить целостность данных в этом столбце. Целостность данных подразделяется на следующие категории.

Сущностная целостность

Доменная целостность

Ссылочная целостность

Пользовательская целостность

Сущностная целостность

Сущностная целостность определяет строку как уникальную сущность в конкретной таблице. Она обеспечивает целостность столбцов идентификаторов или первичного ключа таблицы с помощью индексов и ограничений UNIQUE или PRIMARY KEY.

Доменная целостность

Доменная целостность — это достоверность записей в конкретном столбце. Она включает ограничения типа данных, ограничения формата при помощи ограничений CHECK и правил, а также ограничения диапазона возможных значений при помощи ограничений FOREIGN KEY, CHECK, DEFAULT, определений NOT NULL и правил.

Ссылочная целостность

Ссылочная целостность сохраняет определенные связи между таблицами при добавлении или удалении строк. В SQL Server ссылочная целостность основана на связи первичных и внешних ключей (либо внешних и уникальных ключей) и обеспечивается с помощью ограничений FOREIGN KEY и CHECK. Ссылочная целостность гарантирует согласованность значений ключей во всех таблицах. Этот вид целостности требует отсутствия ссылок на несуществующие значения, а также обеспечивает согласованное изменение ссылок во всей базе данных при изменении значения ключа.

При обеспечении ссылочной целостности SQL Server не допускает следующих действий пользователей.

Добавления или изменения строк в связанной таблице, если в первичной таблице нет соответствующей строки.

Изменения значений в первичной таблице, которое приводит к появлению потерянных строк в связанной таблице.

Удаления строк из первичной таблицы, если имеются соответствующие ей строки в связанных таблицах. Пользовательская целостность

Пользовательская целостность позволяет определять бизнес-правила, не входящие ни в одну из категорий целостности.

Правила целостности данных

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 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.

Транзакции

Рис 10 Новая транзакция начинается с начала каждого сеанса работы с базой данных

Многопользовательские системы широко используют понятие транзакций. Транзакция - это логическая единица работы, которая состоит из одного или нескольких SQL-выражений. Группа выражений отмеченных как транзакция рассматривается как единое и неделимое целое. В случае если в одном из выражений обработки данных происходит ошибка, то транзакция отменяется целиком. Таким образом, система возвращается в состояние предшествующее началу транзакции, обеспечивая при этом физическую и логическую непротиворечивость данных.

Например, мы пытаемся модифицировать таблицу при помощи оператора UPDATE. В одном из столбцов этим оператором устанавливается недопустимое значение с точки зрения правил целостности для этой таблицы. Срабатывание ограничителя приведет к тому, что сервер СУБД не позволит выполнить такую модификацию и известит нас ошибкой, а механизм контроля транзакций вызывает отмену всего выполняемого выражения и производит откат к предыдущему состоянию таблицы, сохраняя, таким образом, целостность и непротиворечивость данных. В данном примере транзакция работает с одним SQL-выражением. В случае если выражений несколько, то откатывается результат работы всех выражений составляющих единую транзакцию.

Чтобы транзакциями можно было пользоваться, в системе должен быть включен режим регистрации транзакций. После этого система сохраняет информацию о предыдущих состояниях объектов в системе в так называемых журналах транзакций. Журналы транзакций - это специальные файлы, управляемые сервером СУБД, в которых записываются все изменения произошедшие с момента начала транзакций для всех транзакций в системе.

Если происходит явное сохранение изменений в системе (по команде COMMIT) или неявное сохранение изменений (по завершению группы SQL-выражений, формирующих транзакцию или по завершению сеанса пользователя), то все изменения произошедшие с момента начала транзакции вносятся в систему, и информация о данной транзакции удаляется из журнала.

Для облегчения управления системой в режиме регистрации транзакций существует возможность задания так называемых промежуточных точек сохранения. Промежуточная точка сохранения по команде SAVEPOINT <имя_точки_останова> явно помечает состояние системы и предоставляет возможность восстановления состояния БД на момент ее сохранения по команде ROLLBACK. В данном случае ROLLBACK <имя_точки_останова> откатывает систему к указанной точке. Обычно промежуточных точек сохранения для одного пользователя может быть несколько.

В случае если транзакция по каким-то причинам не может быть завершена, то происходит неявный откат. Его причиной, могут быть, например, ошибка при выполнении одного из SQL-выражений, составляющих транзакцию, или обрыв связи с инициатором транзакции. При этом по информации из журнала восстанавливается предыдущее состояние объектов, которые пыталась модифицировать текущая транзакция, после чего информация о транзакции удаляется из журнала. Откат может быть и явным - по команде ROLLBACK.

Данная схема справедлива для Oracle, где транзакция начинается с выполнением первого оператора, прочие сервера могут работать по-другому. Например в Informix DS, транзакция начинается явно, при помощи команды BEGIN WORK.

В SQL-бочке меда есть своя ложка дегтя. Для всех SQL-серверов использующих журнальный режим регистрации транзакций существует проблема, так называемых "длинных" транзакций. Это транзакции, которые затрагивают очень большой объем данных (сопоставимый с количеством свободного места на дисках) и в этом случае журналы регистрации транзакций могут переполниться. Если их рост ничем неограничен, то они могут израсходовать у ОС всю доступную дисковую память, что не есть хорошо, т.к. операционная система и сервер СУБД в этом случае остаются в непредсказуемом состоянии. Если их рост ограничен, то при переполнении журналов СУБД выдает соответствующую ошибку и операция откатывается. Чтобы избежать таких ситуаций программист должен разделить длинную транзакцию на короткие транзакции.

Заключение

В моей курсовой было проанализировано создания и администрирование баз данных.

Создание базы данных стала неотъемлемой частью любой программы на нашем персональном компьютере. Базы данных имеют сравнительно низкие вычислительные мощности, это такая информационная система, создающая в памяти ЭВМ динамически обновляемую модель внешнего мира с использованием единого хранилища данных.

Базы данных решают многие проблемы:

сокращение избыточности хранимых данных;

а следовательно, экономия объема используемой памяти;

уменьшение затрат на многократные операции обновления избыточных копий;

устранение возможности возникновения противоречий из-за хранения в разных местах сведений об одном и том же объекте.

Создание столь мощного средства – не простая задача. Необходимо иметь знания в области анализирования, конструирования и администрирования БД.

Поэтому СУБД занимаются опытные профессионалы этой области, каким может стать любой терпеливый человек.

Словарь

Произвольный доступ

Способ обращения к файлу, обеспечивающий прямой доступ к конкретной записи.

Ключ

Поля данных, однозначно определяющие запись в файле.