Ограничения ссылочной целостности

 

Итак, ограничение уровня баз данных включает ограничение ссылочной целостности внешних ключей (foreign key). Коротко мы уже упоминали об этом, когда говорили об ограничениях ссылочной целостности при создании базового отношения и внешних ключах. Теперь настало время поговорить об этом понятии более подробно.

Как мы уже говорили раньше, внешний ключ объявляемого базового отношения ссылается на первичный или кандидатный ключ какого‑то другого (чаще всего) базового отношения. Напомним, что при этом отношение, на которое ссылается внешний ключ, называется ссылочным или родительским, потому что оно как бы «порождает» один атрибут или несколько атрибутов в ссылающемся базовом отношении. А, в свою очередь, отношение, содержащее внешний ключ, называется дочерним, тоже по вполне понятным причинам.

В чем же заключается ограничение ссылочной целостности? А заключается оно в том, что каждому значению внешнего ключа дочернего отношения обязательно должно соответствовать значение какого‑либо ключа отношения родительского, если только значение внешнего ключа не содержит Null‑значений в каких‑либо атрибутах.

Кортежи дочернего отношения, нарушающие это условие, называются висящими.

Действительно, если внешний ключ дочернего отношения ссылается на атрибут, которого на самом деле в родительском отношении нет, то он не ссылается ни на что. Именно таких ситуаций и требуется всячески избегать, это и означает поддерживать ссылочную целостность.

Но, зная, что ни одна база данных никогда не допустит создания висящего кортежа, разработчики следят за тем, чтобы изначально висящих кортежей в базе данных не было и все имеющиеся ключи ссылались на вполне реальный атрибут отношения родительского. Но тем не менее бывают ситуации, когда висящие кортежи образуются уже в процессе функционирования базы данных. Что это за ситуации? Известно, что при удалении кортежей из родительского отношения или при обновлении значения ключа кортежа родительского отношения ссылочная целостность может нарушиться, т. е. могут возникнуть висящие кортежи.

Для исключения возможности их появления при объявлении значения внешнего ключа задается одно из трех имеющихся правил поддержания ссылочной целостности, применяемых соответственно при обновлении значения ключа в родительском отношении (т. е., как мы уже упоминали раньше, on update) или при удалении кортежа из родительского отношения (on delete). Необходимо отметить, что добавление нового кортежа в родительское отношение не может нарушить ссылочную целостность по вполне понятным причинам. Ведь, если этот кортеж только что добавили в базовое отношение, раньше на него не мог ссылаться ни один атрибут по причине его отсутствия!

Итак, что же это за три правила, применяющиеся для поддержания в базах данных ссылочной целостности? Перечислим их.

1. Restrict, или правило ограничения. Если мы при задании нашего базового отношения, при объявлении внешних ключей в ограничении ссылочной целостности применили это правило ее поддержания, то обновление ключа в родительском отношении или удаление кортежа из родительского отношения просто не может быть выполнено в том случае, если на этот кортеж ссылается хотя бы один кортеж дочернего отношения, т. е. операция Restrict банально запрещает производить какие‑либо действия, могущие привести к появлению висящих кортежей.

Проиллюстрируем применение этого правила следующим примером.

Пусть даны два отношения:

Родительское отношение

 

Дочернее отношение

 

Мы видим, что кортежи дочернего отношения (2, …) и (2, …) ссылаются на кортеж (…, 2) родительского отношения, а кортеж (3, …) дочернего отношения ссылается на кортеж (…, 3) родительского отношения. Кортеж (100, …) дочернего отношения является висящим, он недопустим.

Здесь только кортежи родительского отношения (…, 1) и (…, 4) допускают обновление значений ключа и удаление кортежей, потому что на них не ссылается ни один из внешних ключей дочернего отношения.

Составим оператор создания базового отношения, включающего в себя объявление всех вышеназванных ключей:

 

Create table Родительское отношение

Primary_key

Integer

not Null

primary key (Primary_key)

 

Create table Дочернее отношение

Foreign_key

Integer

Null

foreign key (Foreign_key) references Родительское отношение (Primary_key)

On update Restrict

On delete Restrict

 

2. Cascade, или правило каскадной модификации. Если при объявлении внешних ключей в нашем базовом отношении мы использовали правило поддержания ссылочной целостности Cascade, то обновление ключа в родительском отношении или удаление кортежа из родительского отношения вызывает автоматическое обновление или удаление соответствующих ключей и кортежей дочернего отношения.

Рассмотрим пример, чтобы лучше понять механизм работы правила каскадной модификации. Пусть даны уже знакомые нам базовые отношения из предыдущего примера:

Родительское отношение

 

и

Дочернее отношение

 

Допустим, мы в таблице, задающей отношение «Родительское отношение» обновим некоторые кортежи, а именно заменим кортеж (…, 2) на кортеж (…, 20), т. е. получим новое отношение:

Родительское отношение

 

И пусть при этом в операторе создания нашего базового отношения «Дочернее отношение» при объявлении внешних ключей мы использовали правило поддержания ссылочной целостности Cascade, т. е. оператор создания наших базовых отношений выглядит следующим образом:

 

Create table Родительское отношение

Primary_key

Integer

not Null

primary key (Primary_key)

 

Create table Дочернее отношение

Foreign_key

Integer

Null

foreign key (Foreign_key) references Родительское отношение (Primary_key)

On update Cascade

On delete Cascade

 

Тогда что же произойдет с отношением дочерним при обновлении родительского отношения указанным выше образом? Оно примет следующий вид:

Дочернее отношение

 

Таким образом, действительно, правило Cascade обеспечивает каскадное обновление всех кортежей дочернего отношения в ответ на обновления отношения родительского.

3. Set Null, или правило присвоения Null‑значений. Если же мы в операторе создания нашего базового отношения при объявлении внешних ключей применяем правило поддержания ссылочной целостности Set Null, то обновление ключа родительского отношения или удаление кортежа из родительского отношения влечет за собой автоматическое присвоение Null‑значений тем атрибутам внешнего ключа дочернего отношения, который Null‑значения допускают. Следовательно, правило применимо, если такие атрибуты имеются.

Рассмотрим пример, который мы уже использовали ранее. Пусть нам даны два базовых отношения:

«Родительское отношение»

 

Дочернее отношение

 

Как можно заметить, атрибуты дочернего отношения допускают Null‑значения, следовательно, правило Set Null в данном конкретном случае применимо.

Допустим теперь, что из родительского отношения был удален кортеж (…, 1), а кортеж (…, 2) обновлен, как и в предыдущем примере. Таким образом, родительское отношение принимает следующий вид:

Родительское отношение

 

Тогда с учетом того, что при объявлении внешних ключей дочернего отношения нами применялось правило поддержания ссылочной целостности Set Null, дочернее отношение примет следующий вид:

Дочернее отношение

 

На кортеж (…, 1) не ссылался ни один ключ дочернего отношения, поэтому его удаление не влечет за собой никаких последствий.

Сам оператор создания базового отношения с использованием правила Set Null при объявлении внешних ключей отношения выглядит следующим образом:

 

Create table Родительское отношение

Primary_key

Integer

not Null

primary key (Primary_key)

 

Create table Дочернее отношение

Foreign_key

Integer

Null

foreign key (Foreign_key) references Родительское отношение (Primary_key)

On update Set Null

On delete Set Null

 

Итак, мы видим, что наличие трех различных правил поддержания ссылочной целостности обеспечивают то, что во фразах on update и on delete функции могут быть разными.

Необходимо помнить и понимать, что вставка кортежей в дочернее отношение или обновление значений ключа дочерних отношений не будут выполнены, если это будет приводить к нарушению ссылочной целостности, т. е. к появлению так называемых висящих кортежей. Удаление же кортежей из дочернего отношения ни при каких условиях не может привести к нарушению ссылочной целостности.

Интересно, что дочернее отношение одновременно может выступать и родительским со своими правилами поддержания ссылочной целостности, если внешние ключи других базовых отношений ссылаются на какие‑то его атрибуты, как на первичные ключи.

Если у программистов возникает желание обеспечить выполнение ссылочной целостности какими‑то отличными от приведенных стандартных правил, то процедурная поддержка таких нестандартных правил поддержания ссылочной целостности обеспечивается с помощью так называемых триггеров. К сожалению, подробное рассмотрение этого понятия не сходит в наш курс лекций.

 

Понятие индексов

 

Создание ключей в базовых отношениях автоматически связано с созданием индексов.

Дадим определение понятия индекса.

Индекс – это системная структура данных, в которой размещается обязательно упорядоченный перечень значений какого‑либо ключа со ссылками на те кортежи отношения, в которых эти значения встречаются.

Индексы в системах управления базами данных бывают двух видов:

1) простые.

Простой индекс берется для подсхемы схемы базового отношения из одного атрибута;

2) составные.

Соответственно составной индекс – это индекс для подсхемы, состоящей из нескольких атрибутов.

Но, кроме деления на простые и составные индексы, в системах управления базами данных существует деление индексов на уникальные и неуникальные. Итак:

1) уникальные индексы – это индексы, ссылающиеся не более чем на один атрибут.

Уникальные индексы, как правило, соответствуют первичному ключу отношения;

2) неуникальные индексы – это индексы, могущие соответствовать нескольким атрибутам одновременно.

Неуникальные ключи, в свою очередь, чаще всего соответствуют внешним ключам отношения.

Рассмотрим пример, иллюстрирующий деление индексов на уникальные и неуникальные, т. е. рассмотрим следующие отношения, заданные таблицами:

 

 

 

Здесь соответственно Primary key – первичный ключ отношения, Foreign key – внешний ключ. Понятно, что в этих отношениях, индекс атрибута Primary key – уникальный, так как он соответствует первичному ключу, т. е. одному атрибуту, а индекс атрибута Foreign key – неуникальный, ведь он соответствует ключам внешним. И его значение «20» соответствует одновременно первой и третьей строкам таблицы‑отношения.

Но иногда индексы могут создаваться без отношения к ключам. Это делается в системах управления базами данных для поддержки производительности операций сортировки и поиска.

Например, дихотомический поиск значения индекса в кортежах будет реализован в системах управления базами данных за двадцать итераций. Откуда получены эти сведения? Они были получены путем несложных вычислений, т. е. следующим образом:

 

10⁶ = (10³)² = 2²⁰;

 

Создаются индексы в системах управления базами данных при помощи уже известного нам оператора Create, но только с добавлением ключевого слова index. Выглядит такой оператор следующим образом:

 

Create index имя индекса

On имя базового отношения (имя атрибута,..);

 

Здесь мы видим знакомый нам металингвистический символ «,..», обозначающий возможность повтора аргумента через запятую, т. е. в этом операторе может быть создан индекс, соответствующий нескольким атрибутам.

Если требуется объявить уникальный индекс, перед словом index добавляют ключевое слово unique, и тогда весь оператор создания в базовом отношении индекса принимает следующий вид:

 

Create unique index имя индекса

On имя базового отношения (имя атрибута);

 

Тогда в самом общем виде, если вспомнить правило обозначения необязательных элементов (металингвистический символ []), оператор создания индекса в базовом отношении будет выглядеть следующим образом:

 

Create [unique] index имя индекса

On имя базового отношения (имя атрибута,..);

 

Если требуется удалить из базового отношения уже имеющийся индекс, используют оператор Drop, также уже известный нам:

 

Drop index { имя базового отношения. Имя индекса },..;

 

Почему здесь используется уточненное имя индекса «имя базового отношения. Имя индекса»? В операторе удаления индекса всегда используется его уточненное имя, потому что имя индекса должно быть уникальным в пределах одного отношения, но не больше.