Любицкий Ю.В. Базы данных
Подождите немного. Документ загружается.
2. Целостность баз данных
Одной из важнейших задач, решаемой СУБД, является поддержание в любой
момент времени взаимной непротиворечивости, правильности и точности
данных, хранящихся в БД. Этот процесс называется обеспечением
целостности базы данных.
Следует различать проблемы обеспечения целостности базы данных и
защиты базы данных от несанкционированного доступа (см. п. 6). Поддержание
целостности базы данных может интерпретироваться как защита данных от
неправильных действий пользователей или некоторых случайных внешних
воздействий. В обеих ситуациях нарушения целостности базы данных имеют
непреднамеренный характер.
Целостность базы данных может быть нарушена в результате сбоя
оборудования; программной ошибки в СУБД, операционной системе или
прикладной программе; неправильных действий пользователей. Эти ситуации
могут возникать даже в хорошо проверенных и отлаженных системах, несмотря
на применяемые системы контроля. Поэтому СУБД должна иметь средства
обнаружения таких ситуаций и восстановления правильного состояния базы
данных.
Целостность базы данных поддерживается с помощью набора
специальных логических правил, накладываемых на данные, называемых
ограничениями целостности. Ограничения целостности представляют
собой утверждения о допустимых значениях отдельных информационных
единиц и связях между ними [ 3 ]. Ограничения целостности хранятся в словаре
БД.
Ограничения целостности могут определяться:
спецификой предметной области (возраст сотрудников организации может
находиться в диапазоне от 16 до 80 лет);
непосредственно информационными характеристиками (артикул товара
должен быть целым числом).
В процессе работы пользователя с базой данных СУБД проверяет,
соответствуют ли выполняемые действия установленным ограничениям
целостности. Действия, нарушающие целостность базы данных, отменяются, при
этом обычно выводится соответствующее информационное сообщение.
21
Рассмотрим проблемы поддержания целостности баз данных на примере
реляционной СУБД. Следует отметить, что приводимые далее рассуждения в
общем виде справедливы и для других моделей данных [ 3 ].
Ограничения целостности в реляционной модели данных могут относиться к
полям, записям, таблицам, связям между таблицами.
Ограничения целостности для полей
Большая часть ограничений целостности для полей обеспечивает
выполнение требования, приведенного в п. 1.2 – данные в одном поле могут
иметь значения только из некоторой совокупности допустимых значений,
называемой домéном. Практическая реализация этого требования может
осуществляться разными способами:
1. Для поля устанавливается конкретный тип данных: текстовый, числовой,
дата/время, логический и т. д. Это не позволяет вводить, например, в числовое
поле текст или даты, в поле с типом данных дата/время – числа.
2. Домен указывается непосредственно – перечислением входящих в него
значений или с помощью указания диапазона допустимых значений.
Проиллюстрируем процесс создания рассмотренных ограничений
целостности для полей на примере СУБД MS Access. Все они легко задаются
при формировании структуры таблицы в режиме Конструктора.
Тип данных создаваемого поля выбирается из предложенного списка
доступных типов. При необходимости с помощью свойства поля Размер поля
можно уточнить область определения размещаемых в нем данных. Указывается
максимальный размер данных, сохраняемых в поле: количество символов для
тестовых полей; размеры поля для числовых полей: байт (целое число от 0 до
255), целое (число в диапазоне от минус 32768 до 32768), одинарное с
плавающей точкой и т. д.
При непосредственном задании домена необходимые параметры можно
указать в свойстве поля Условие на значение. Например, если в структуру
торгового предприятия входят три магазина: «Парус», «Волна» и «Лотос», для
поля Название магазина некоторой таблицы, в которое вводятся
соответствующие значения, целесообразно предусмотреть следующее
ограничение целостности:
Условие на значение “Парус” OR “Волна” OR “Лотос”
22
В результате попытка ввести в поле Название магазина другие значения
будет восприниматься как ошибка.
Если известно, что цены товаров должны находиться в диапазоне от 100 до
100 000 рублей, ограничение целостности для поля Цена должно иметь вид:
Условие на значение >= 100 AND <=100000
Частным случаем определения домена можно считать автоматическое (по
умолчанию) задание конкретного значения данных в некотором поле (в MS
Access свойство поля Значение по умолчанию).
Некоторые нарушения целостности полей таблиц базы данных СУБД
контролирует автоматически. Например, в поле, для которого определен тип
данных дата/время, невозможно ввести значения 10.15.05 или 35.01.05.
В ситуациях, когда вводимое в некоторое поле значение данных не
соответствует установленным для этого поля ограничениям целостности, СУБД
Access выводит на экран сообщение «Введенное значение не подходит для
данного поля». Пользователь может самостоятельно создать нестандартный
текст этого сообщения с помощью свойства поля Сообщение об ошибке.
Для полей таблиц могут поддерживаться и другие ограничения целостности.
1. Контролируется, введены ли данные в поле. Например, в таблице со
сведениями о сотрудниках предприятия для каждого сотрудника обязательно
должны быть данные о его фамилии и инициалах. В MS Access это ограничение
целостности создается для конкретного поля с помощью выбора значения Да
свойства Обязательное поле.
2. Контролируется уникальность значений данных в поле. Если поле
является простым первичным ключом таблицы, проверка уникальности
значений данных в этом поле выполняется СУБД автоматически. При наличии в
таблице вероятных простых ключей, можно исключить ввод в соответствующие
поля повторяющихся значений данных. Для этого в MS Access для этих полей в
свойстве Индексированное поле устанавливается значение Да (Совпадения не
допускаются).
Все рассмотренные ограничения целостности проверяют не только
правильность ввода новых данных в поля таблиц, но и контролируют процесс
редактирования уже имеющихся в таблицах значений.
Перечисленные ограничения целостности называют статическими, так как
они определяют условия, которые должны выполняться для каждого состояния
23
базы данных. СУБД может поддерживать и динамические ограничения
целостности, контролирующие возможность перехода от одних значений
данных, хранящихся в поле, к другим. Например, если в таблице базы данных
хранятся сведения о возрасте и стаже работы сотрудников предприятия,
значения данных в этих полях должны только увеличиваться [ 3 ]. При попытках
внести в базу данных некорректные изменения, СУБД должна выводить
сообщение о допущенной ошибке.
Ограничения целостности для записей
В рамках данного вида ограничений может контролироваться
согласованность значений данных в разных полях записей. Например, в каждой
записи таблицы базы данных магазина хранится информация о конкретном
товаре. Количество товаров, проданных магазином за отчетный период (поле
Продано), не может превышать количества товаров, имеющихся в магазине на
начало периода (поле Наличие товара).
Для задания этого ограничения целостности в MS Access необходимо
вызвать диалоговое окно свойств таблицы и в свойстве Условие на значение
ввести необходимые условия:
[Наличие товара] >= [Продано]
Ограничения целостности для таблиц
Эти ограничения целостности проверяют согласованность данных в
различных записях одной таблицы.
Например, если в таблице приводятся сведения о товарах и их
комплектующих, СУБД должна контролировать, чтобы некоторое изделие не
входило в состав самого себя. При учете продаж товара несколькими магазинами
торгового предприятия следует проверять, чтобы суммарное количество продаж
не превышало общего количества товара, полученного предприятием от
поставщиков.
В рамках ограничений целостности данного вида может контролироваться
также отсутствие одинаковых записей в таблице (на практике это реализуется с
помощью создания простых или составных ключей таблицы).
Ограничения целостности для таблиц в основном реализуются специально
созданными для этого программами (процедурами) [ 3 ].
Ограничения целостности для связей между таблицами
24
Ограничения целостности этого типа позволяют обеспечить согласованность
данных в связующих полях (первичном и внешнем ключах) нескольких таблиц.
Рассмотрим таблицы Поставщики (табл. 1.1) и Поставки товаров (табл.
1.2). Эти таблицы связаны между собой с помощью ключевых полей Код и
Шифр поставщика. Таблица Поставщики является главной таблицей, таблица
Поставки товаров – подчиненной. Значения данных в связующих полях
получены из одного домена, представляющего в рассматриваемом примере
множество положительных целых трехзначных чисел.
Нарушение целостности связи между таблицами возможно при
возникновении следующих ситуаций:
1. В главной таблице удаляется запись, для которой существуют связанные
записи в подчиненной таблице. Действительно, если в таблице Поставщики
удалить первую запись (код поставщика равен 345), база данных будет
находиться в несогласованном состоянии – неизвестно, какая фирма
осуществила поставки, представленные первой, четвертой и пятой записями
таблицы Поставки товаров (см. табл. 1.2).
Ввод в таблицу Поставщики дополнительной записи не приводит к
нарушению целостности базы данных, так как в таблице появятся сведения еще
об одном поставщике, информация о поставках товаров которым может быть
добавлена в таблицу Поставки товаров после начала этих действий.
2. В главной таблице изменяются значения данных в поле (полях) первичного
ключа, если существуют связанные с ними значения в поле (полях) внешнего
ключа подчиненной таблицы (например, в таблице Поставщики код
поставщика, равный 345, изменяется на значение 725, а такого значения в поле
Шифр поставщика таблицы Поставки товаров нет).
3. В поле (полях) внешнего ключа подчиненной таблицы вводятся значения
данных, отсутствующие в поле (полях) первичного ключа главной таблицы
(например, в таблицу Поставки товаров нельзя ввести шифр поставщика 750,
которого нет в поле Код таблицы Поставщики).
В СУБД MS Access для исключения возможности возникновения
перечисленных ситуаций, нарушающих согласованность базы данных, при
создании каждой конкретной связи между таблицами в диалоговом окне Связи
устанавливается флажок Обеспечение целостности данных. После этого любая
попытка выполнить действия, нарушающие целостность связей между
таблицами, будет игнорироваться (при этом выводится сообщение об ошибке).
25
Если возникает необходимость удаления или обновления связанных записей
в таблицах БД при сохранении целостности данных, в диалоговом окне Связи
требуется установить флажки Каскадное обновление связанных полей и
Каскадное удаление связанных полей. При установке первого из этих флажков
изменения данных в поле (полях) первичного ключа главной таблицы приводят
к автоматическому изменению соответствующих значений в связанных полях
подчиненных таблиц. Установка второго флажка позволяет автоматически
удалить все записи в подчиненных таблицах, связанные с удаляемой записью в
главной таблице.
Для многотабличной БД могут быть созданы также ограничения
целостности, проверяющие отсутствие логических противоречий между
данными связанных таблиц. Например, для каждой товарной группы в одной из
таблиц базы данных хранятся диапазоны значений артикулов товаров. При
размещении в другой таблице сведений о текущих поставках товаров эти данные
используются для контроля правильности вводимой информации.
В качестве ограничения целостности может быть использован запрет на
обновление данных в отдельных полях, записях или таблицах БД [ 3 ]. Очевидно,
что должны быть защищены от случайных изменений, например, данные о
реализованных поставках товаров, справочники о номенклатуре и
характеристиках выпускаемых изделий и т.д.
Ограничения целостности могут создаваться при описании баз данных
(декларативный способ) или в программах обработки данных (процедурный
способ). Рекомендуется применять декларативный способ, так как создаваемые с
его помощью только один раз ограничения целостности будут использоваться
многократно при выполнении различных действий с данными. Кроме того, в
декларативном способе используется более высокий уровень языковых средств [
3 ].
3. Внутренняя организация СУБД
3.1. Общие положения
Данные на внешних носителях информации (например, магнитных или
оптических дисках) хранятся в виде файлов. Запись данных во внешнюю память
и чтение их из нее реализуются операционной системой компьютера,
предоставляющей прикладным программам (в том числе и СУБД) услуги по
26
вводу-выводу информации и управлению памятью. Обработка файлов
операционной системой на логическом уровне выполняется с помощью
файловой системы, на физическом уровне – системы управления файлами.
Наибольшую производительность работы СУБД обеспечивают физические
устройства хранения данных прямого доступа (магнитные и оптические диски и
т. д.), обеспечивающие непосредственное считывание необходимой
информации, если известно ее местоположение. Оптимальным является
размещение данных в файлах прямого доступа, позволяющих выбирать нужные
записи базы данных без просмотра всего содержимого файла. Для ускорения
поиска информации применяются различные структуры хранения данных
(способы их упорядочивания). Существенное внимание специалистов к
разработке структур хранения и технологий методов доступа к данным
определяется необходимостью сокращения числа дисковых операций ввода-
вывода данных из-за относительно большого времени доступа к внешним
устройствам [ 2 ].
Данные в процессе работы считываются и записываются страницами –
блоками фиксированных размеров (в зависимости от используемой системы
обычно 2, 4 или 8 килобайт) [ 12 ]. Каждая страница, хранящаяся на диске, имеет
свой уникальный идентификатор, указывающий на физическое место ее
хранения. Этот идентификатор используется системой управления файлами для
чтения страницы и ее записи после изменения размещенных на ней данных в то
же место на диске, откуда страница была считана.
Файл базы данных представляет собой набор страниц. При создании файла
по запросу файловой системы система управления файлами выделяет ему
требуемое количество страниц. Каждой странице в полученном наборе страниц
присваивается некоторый «логический» (например, порядковый) номер. Обычно
система управления файлами ведет каталог, в котором содержатся сведения о
наборах страниц и указателях к каждой странице в их пределах. Когда СУБД в
рамках решения прикладной задачи взаимодействует с конкретным файлом,
логические номера страниц используются файловой системой, не знающей, где
физически на диске хранится нужная страница, для обращения к системе
управления файлами, осуществляющей чтение и запись данных (рис. 4).
На одной странице могут храниться одна или несколько записей с данными.
После считывания из внешней памяти в оперативную память необходимой
страницы выполняется выборка и обработка нужной записи. Для этого
используется идентификационный номер записи, состоящий из двух частей:
27
номера страницы и параметра, определяющего место расположения записи на
странице [ 2 ].
В очень редких случаях запись, размеры которой превышают размеры
страницы, может размещаться на двух (но не более) страницах. В таких
ситуациях используются страницы переполнения [ 2 ].
В различных СУБД рассмотренная общая схема может быть реализована по
разным принципам. Например, в СУБД Paradox каждая таблица или другой
объект базы данных представляют собой отдельный файл, в СУБД MS Access
все таблицы, запросы, отчеты, схема базы данных и т.д. хранятся в одном файле
с расширением .mdb.
СУБД
Обращения к файлам
Файловая система
Обращения к логическим страницам
Система управления файлами
Доступ к физическим страницам
Рис. 4. Обращение СУБД к данным на диске
28
3.2. Линейный список
Линейный (последовательный) список – последовательность записей базы
данных, сформированная по некоторым логическим принципам. Например, в
таблице, содержащей информацию о поступлении товаров в магазин, сведения о
каждой поставке представляют собой записи, вводимые в базу данных в
хронологическом порядке и размещаемые в физической памяти последовательно
друг за другом (табл. 3.1):
Таблица 3.1
Сведения о поставках товаров в магазин
Номер
накладной
Название
товара
Артикул Количество Дата
поставки
37 Костюм 500 50 10.12.05
54 Сапоги 200 75 10.12.05
18 Туфли 100 120 11.12.05
60 Костюм 500 35 11.12.05
28 Костюм 300 20 12.12.05
74 Костюм 400 50 12.12.05
80 Туфли 100 100 12.12.05
При поиске информации, соответствующей некоторым критериям
(например, товаров с определенным названием или артикулом), линейный
список необходимо просмотреть полностью от первой до последней записи. Это
приводит к тому, что рассматриваемая структура хранения, обеспечивая
оптимальные требования к минимальному объему выделяемой памяти на
внешних устройствах, является неэффективной по быстродействию.
3.3. Инвертированный список
Инвертированные списки позволяют существенно ускорить процесс поиска
необходимой информации по сравнению с линейными списками. Это
достигается с помощью упорядочивания (сортировки) записей исходного списка
по значениям данных в одном из неключевых полей. Инвертирование исходного
29
списка можно выполнить для отдельных (частичное инвертирование) или всех
(полное инвертирование) неключевых полей исходного списка.
Предположим, что значения номеров накладных в поле Номер накладной
таблицы Сведения о поставках товаров в магазин (см. табл. 3.1) являются
уникальными, т.е. данное поле является первичным ключом таблицы.
Инвертированный список по полю Артикул будет выглядеть следующим
образом (табл. 3.2):
30