SHPORA.net :: PDA

[ Back ]

Целостность (от англ. integrity – нетронутость, неприкосновенность, сохранность, целостность) – понимается как правильность данных в любой момент времени. Но эта цель может быть достигнута лишь в определенных пределах: СУБД не может контролировать правильность каждого отдельного значения, вводимого в базу данных (хотя каждое значение можно проверить на правдоподобность). Например, нельзя обнаружить, что вводимое значение 5 (представляющее номер дня недели) в действительности должно быть равно 3. С другой стороны, значение 9 явно будет ошибочным и СУБД должна его отвергнуть. Однако для этого ей следует сообщить, что номера дней недели должны принадлежать набору (1,2,3,4,5,6,7).

Поддержание целостности базы данных может рассматриваться как защита данных от неверных изменений или разрушений (не путать с незаконными изменениями и разрушениями, являющимися проблемой безопасности). Современные СУБД имеют ряд средств для обеспечения поддержания целостности (так же, как и средств обеспечения поддержания безопасности).

Выделяют три группы правил целостности:

Целостность по сущностям.

Целостность по ссылкам.

Целостность, определяемая пользователем.

Це́лостность ба́зы да́нных (database integrity) — соответствие имеющейся в базе данных информации её внутренней логике, структуре и всем явно заданным правилам. Каждое правило, налагающее некоторое ограничение на возможное состояние базы данных, называется ограничением целостности (integrity constraint). Примеры правил: вес детали должен быть положительным; количество знаков в телефонном номере не должно превышать 25; возраст родителей не может быть меньше возраста их ребёнка и т.д.

Задача аналитика и проектировщика базы данных — возможно более полно выявить все имеющиеся ограничения целостности и задать их в базе данных.

Целостность БД не гарантирует достоверности содержащейся в ней информации, но обеспечивает по крайней мере правдоподобность этой информации, отвергая заведомо невероятные, невозможные значения. Таким образом, не следует путать целостность БД с достоверностью БД. Достоверность (или истинность) есть соответствие фактов, хранящихся в базе данных, реальному миру. Очевидно, что для определения достоверности БД требуется обладание полными знаниями как о содержимом БД, так и о реальном мире. Для определения целостности БД требуется лишь обладание знаниями о содержимом БД и о заданных для неё правилах. Поэтому СУБД может (и должна) контролировать целостность БД, но принципиально не в состоянии контролировать достоверность БД. Контроль достоверности БД может быть возложен только на человека, да и то в ограниченных масштабах, поскольку в ряде случаев люди тоже не обладают полнотой знаний о реальном мире.

Итак, БД может быть целостной, но не достоверной. Возможно и обратное: БД может быть достоверной, но не целостной. Последнее имеет место, если правила (ограничения целостности) заданы неверно.

Под целостностью базы данных в общем случае понимается ее готовность к работе. Целостность базы данных — сложное понятие, имеющее много аспектов. Укажем на следующие из них:

1) физическая целостность, т. е. сохранность информации на магнитных носителях и корректность форматов данных;

2) логическая целостность, под которой понимается непротиворечивость данных в базе;

3) актуальность данных, т. е. соответствие данных реальному положению вещей.

Потеря целостности базы данных может произойти от сбоев аппаратуры ЭВМ, ошибок в программном обеспечении, неверной технологии ввода и корректировки данных, низкой достоверности самих данных, и т. д. Поэтому обеспечить целостность базы реального объема весьма сложно. В то же время потеря целостности данных ведет к самым серьезным последствиям вплоть до полной перегрузки данных базы. Если учесть, что обычно базы данных накапливаются годами или даже десятками лет, то потеря целостности БД зачастую влечет очень тяжелые последствия.

Целостность данных обеспечивается набором специальных предложений, называемых ограничениями целостности.

Ограничения целостности представляют собой утверждения о допустимых значениях отдельных информационных единиц и связях между ними.

Ограничения целостности могут относиться к разным информационным объектам: атрибутам, кортежам, отношениям, связям между ними и тому подобное.

Для полей (атрибутов) используются следующие виды ограничений:

• Тип и формат поля.

• Задание диапазона значений.

• Недопустимость пустого поля.

• Задание домена.

• Проверка на уникальность значения какого-либо поля. Ограничение позволяет избежать записей-дубликатов.

Ограничения, используемые только при проверке допустимости корректировки, называют ограничениями перехода.

Ограничения целостности, относящиеся к кортежам: здесь имеется в виду либо ограничение на значение всей строки, рассматриваемой как единое целое (естественным ограничением является требование уникальности каждой строки таблицы), либо ограничения на соотношения значений отдельных полей в пределах одной строки (например, значение поля «стаж» не должно превышать «возраст»).

Ограничения, проверяющие соотношения между записями одной таблицы, например, «год рождения матери» должен быть меньше, чем «год рождения ребенка»; нельзя быть родителем и ребенком одного и того же человека.

В качестве примера ограничений, относящихся ко всей таблице можно привести следующий. Предположим, что фонд заработной платы формируется исходя из величины средней заработной платы одного сотрудника, которая составляет 10 000 р. Тогда в качестве ограничения целостности таблицы может быть задано выражение, указывающее, что среднее значение поля «оклад» должно быть не больше 10 000.

Имеются ограничения, относящиеся к нескольким взаимосвязанным таблицам, например, ограничение целостности связи, которое выражается в том, что значение атрибута, отражающего связь между объектами и являющегося внешним ключом отношения, обязательно должно совпадать с одним из значений атрибута, являющегося ключом отношения, описывающего соответствующий объект. Например, в БД имеются три таблицы: «Преподаватели», «Дисциплины» и таблица, отражающая связь между преподавателями и дисциплинами: код преподавателя в последней из трех таблиц должен соответствовать одному их кодов в таблице «Преподаватели», а код дисциплины – значению соответствующего поля в таблице «Дисциплины».

Своеобразным видом ограничения является запрет на обновление. Он может относиться и к отдельному полю, и ко всей записи, и к целой таблице.

Ограничения целостности разделяют по моменту контроля за соблюдением ограничения – на одномоментные и отложенные. Отложенные ограничения целостности могут не соблюдаться в процессе выполнения какой-либо группы операций, но обязаны быть соблюдены по завершению выполнения этой группы операций.

Если какая-либо из операций транзакции не выполнена, то все выполненные ранее операции отменяются, и данные возвращаются к тому состоянию, которое они имели до начала выполнения транзакции. Примером может служить перевод денег с одного банковского счета на другой, состоящий из двух операций: удаление денег с одного счета и добавление такой же суммы денег на другой счет.

Ограничения целостности разделяют по способу задания – на явные и неявные. Неявные ограничения определяются спецификой модели данных и проверяются СУБД автоматически. Неявные ограничения обычно относятся к классу синтаксических ограничений в отличие от семантических ограничений целостности, обусловленных спецификой предметной области.

Понятие же целостности может относиться и к служебной информации.

Транзакция - это неделимая, с точки зрения воздействия на СУБД, последовательность операций манипулирования данными, выполняющаяся по принципу "все или ничего", и переводящая базу данных из одного целостного состояния в другое целостное состояние.

Транзакция обладает четырьмя важными свойствами, известными как свойства АСИД:

(А) Атомарность.

(С) Согласованность.

(И) Изоляция.

(Д) Долговечность.

База данных находится в согласованном состоянии, если для этого состояния выполнены все ограничения целостности.

Ограничение целостности - это некоторое утверждение, которое может быть истинным или ложным в зависимости от состояния базы данных.

Ограничения целостности классифицируются несколькими способами:

По способам реализации.

По времени проверки.

По области действия.

По способам реализации различают:

Декларативную поддержку ограничений целостности - средствами языка определения данных (DDL).

Процедурную поддержку ограничений целостности - посредством триггеров и хранимых процедур.

По времени проверки ограничения делятся на:

Немедленно проверяемые ограничения.

Ограничения с отложенной проверкой.

По области действия ограничения делятся на:

Ограничения домена.

Ограничения атрибута.

Ограничения кортежа.

Ограничения отношения.

Ограничения базы данных.

Транзакции - важное понятие, связанное с базами данных. Транзакцией называется набор действий по изменению данных, который не может быть произведён частично. Например, если необходимо перенести какую-то сумму со счёта плательщика на счёт получателя, банковская система должна гарантировать, что уменьшение суммы на счету плательщика и увеличение суммы на счету получателя могут произойти только одновременно. То есть, не может возникнуть ситуация, когда деньги со счёта плательщика уже списаны, но, из-за отключения питания они не попали на счёт получателя.

Многие СУБД поддерживают механизм транзакций. Для того, чтобы изменения попали в систему одновременно, программисту достаточно указать, что необходимые действия принадлежат одной транзакции. Конечно, слово одновременно не следует понимать буквально. На самом деле СУБД может скрыть сделанные изменения от других пользователей, пока не завершится транзакция. В случае сбоя СУБД откатывает все изменения, которые успели произойти. Разные СУБД по-разному понимают механизм транзакций.

Информационные системы могут использовать механизм транзакций, предоставляемый СУБД. Кроме того, информационные системы могут иметь свой собственный механизм транзакций. Бывает, что информационные системы не позволяют использовать механизм транзакций СУБД в полной мере.

Следующим этапом развития идеи транзакций являются так называемые распределённые транзакции. Суть распределённой транзакции в том, что гарантируется одновременное изменение данных на разных серверах или базах данных. Существует множество способов организации распределённых транзакций. Одним из самых известных способов является способ двухфазного завершения (two phase commit). Многие СУБД поддерживают распределённые транзакции, многие - не поддерживают. Иногда можно сделать распределённую транзакцию между разными СУБД средствами самих СУБД, иногда - нельзя.

Транзакция - это последовательность операций над БД, рассматриваемых СУБД как единое целое. Либо транзакция успешно выполняется, и СУБД фиксирует (COMMIT) изменения БД, произведенные этой транзакцией, во внешней памяти, либо ни одно из этих изменений никак не отражается на состоянии БД. Понятие транзакции необходимо для поддержания логической целостности БД.

Таким образом, поддержание механизма транзакций является обязательным условием даже однопользовательских СУБД (если, конечно, такая система заслуживает названия СУБД). Но понятие транзакции гораздо более важно в многопользовательских СУБД.

То свойство, что каждая транзакция начинается при целостном состоянии БД и оставляет это состояние целостным после своего завершения, делает очень удобным использование понятия транзакции как единицы активности пользователя по отношению к БД. При соответствующем управлении параллельно выполняющимися транзакциями со стороны СУБД каждый из пользователей может в принципе ощущать себя единственным пользователем СУБД (на самом деле, это несколько идеализированное представление, поскольку в некоторых случаях пользователи многопользовательских СУБД могут ощутить присутствие своих коллег).

С управлением транзакциями в многопользовательской СУБД связаны важные понятия сериализации транзакций и сериального плана выполнения смеси транзакций. Под сериализаций параллельно выполняющихся транзакций понимается такой порядок планирования их работы, при котором суммарный эффект смеси транзакций эквивалентен эффекту их некоторого последовательного выполнения. Сериальный план выполнения смеси транзакций - это такой план, который приводит к сериализации транзакций. Понятно, что если удается добиться действительно сериального выполнения смеси транзакций, то для каждого пользователя, по инициативе которого образована транзакция, присутствие других транзакций будет незаметно (если не считать некоторого замедления работы по сравнению с однопользовательским режимом).

Существует несколько базовых алгоритмов сериализации транзакций. В централизованных СУБД наиболее распространены алгоритмы, основанные на синхронизационных захватах объектов БД. При использовании любого алгоритма сериализации возможны ситуации конфликтов между двумя или более транзакциями по доступу к объектам БД. В этом случае для поддержания сериализации необходимо выполнить откат (ликвидировать все изменения, произведенные в БД) одной или более транзакций. Это один из случаев, когда пользователь многопользовательской СУБД может реально (и достаточно неприятно) ощутить присутствие в системе транзакций других пользователей.

Существуют различные модели транзакций, которые могут быть классифицированы на основании различных свойств, включающих структуру транзакции, параллельность внутри транзакции, продолжительность и т. д.

В настоящий момент выделяют следующие типы транзакций: плоские или классические транзакции, цепочечные транзакции и вложенные транзакции.

Плоские, или традиционные, транзакции, характеризуются четырьмя классическими свойствами: атомарности, согласованности, изолированности, долговечности (прочности) — ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability). Иногда традиционные транзакции называют ACID-транзакциями. Упомянутые выше свойства означают следующее:

Свойство атомарности (Atomicity) выражается в том, что транзакция должна быть выполнена в целом или не выполнена вовсе.

Свойство согласованности (Consistency) гарантирует, что по мере выполнения транзакций данные переходят из одного согласованного состояния в другое — транзакция не разрушает взаимной согласованности данных.

Свойство изолированности (Isolation) означает, что конкурирующие за доступ к базе данных транзакции физически обрабатываются последовательно, изолированно друг от друга, но для пользователей это выглядит так, как будто они выполняются параллельно.

Свойство долговечности (Durability) трактуется следующим образом: если транзакция завершена успешно, то те изменения в данных, которые были ею произведены, не могут быть потеряны ни при каких обстоятельствах (даже в случае последующих ошибок).

Возможны два варианта завершения транзакции. Если все операторы выполнены успешно и в процессе выполнения транзакции не произошло никаких сбоев программного или аппаратного обеспечения, транзакция фиксируется.

Фиксация транзакции — это действие, обеспечивающее запись на диск изменений в базе данных, которые были сделаны в процессе выполнения транзакции.

До тех пор пока транзакция не зафиксирована, допустимо аннулирование этих изменений, восстановление базы данных в то состояние, в котором она была на момент начала транзакции. Фиксация транзакции означает, что все результаты выполнения транзакции становятся постоянными. Они станут видимыми другим транзакциям только после того, как текущая транзакция будет зафиксирована. До этого момента все данные, затрагиваемые транзакцией, будут "видны" пользователю в состоянии на начало текущей транзакции.

Если в процессе выполнения транзакции случилось нечто такое, что делает невозможным ее нормальное завершение, база данных должна быть возвращена в исходное состояние. Откат транзакции — это действие, обеспечивающее аннулирование всех изменений данных, которые были сделаны операторами SQL в теле текущей незавершенной транзакции.

Каждый оператор в транзакции выполняет свою часть работы, но для успешного завершения всей работы в целом требуется безусловное завершение всех их операторов. Группирование операторов в транзакции сообщает СУБД, что вся эта группа должна быть выполнена как единое целое, причем такое выполнение должно поддерживаться автоматически.

В стандарте ANSI/ISO SQL определены модель транзакций и функции операторов COMMIT и ROLLBACK. Стандарт определяет, что транзакция начинается с первого SQL-оператора, инициируемого пользователем или содержащегося в программе, изменяющего текущее состояние базы данных. Все последующие SQL-операторы составляют тело транзакции. Транзакция завершается одним из четырех возможных путей:

оператор COMMIT означает успешное завершение транзакции; его использование делает постоянными изменения, внесенные в базу данных в рамках текущей транзакции;

оператор ROLLBACK прерывает транзакцию, отменяя изменения, сделанные в базе данных в рамках этой транзакции; новая транзакция начинается непосредственно после использования ROLLBACK;

успешное завершение программы, в которой была инициирована текущая транзакция, означает успешное завершение транзакции (как будто был использован оператор COMMIT);

ошибочное завершение программы прерывает транзакцию (как будто был использован оператор ROLLBACK).

В этой модели каждый оператор, который изменяет состояние БД, рассматривается как транзакция, поэтому при успешном завершении этого оператора БД переходит в новое устойчивое состояние.

В первых версиях коммерческих СУБД была реализована модель транзакций ANSI/ISO. В дальнейшем в СУБД SYBASE была реализована расширенная модель транзакций, которая включает еще ряд дополнительных операций. В модели SYBASE используются следующие четыре оператора:

Оператор BEGIN TRANSACTION сообщает о начале транзакции. В отличие от модели в стандарте ANSI/ISO, где начало транзакции неявно задается первым оператором модификации данных, в модели SYBASE начало транзакции задается явно с помощью оператора начала транзакции.

Оператор COMMIT TRANSACTION сообщает об успешном завершении транзакции. Он эквивалентен оператору COMMIT в модели стандарта ANSI/ISO. Этот оператор, как и оператор COMMIT, фиксирует все изменения, которые производились в БД в процессе выполнения транзакции.

Оператор SAVE TRANSACTION создает внутри транзакции точку сохранения, которая соответствует промежуточному состоянию БД, сохраненному на момент выполнения этого оператора. В операторе SAVE TRANSACTION может стоять имя точки сохранения. Поэтому в ходе выполнения транзакции может быть запомнено несколько точек сохранения, соответствующих нескольким промежуточным состояниям.

Оператор ROLLBACK имеет две модификации. Если этот оператор используется без дополнительного параметра, то он интерпретируется как оператор отката всей транзакции, то есть в этом случае он эквивалентен оператору отката ROLLBACK в модели ANSI/ISO. Если же оператор отката имеет параметр и записан в виде ROLLBACK B, то он интерпретируется как оператор частичного отката транзакции в точку сохранения B.

Конечно, расширенная модель транзакции, предложенная фирмой SYBASE, поддерживает гораздо более гибкий механизм выполнения транзакций. Точки сохранения позволяют устанавливать маркеры внутри транзакции таким образом, чтобы имелась возможность отмены только части работы, проделанной в транзакции. Целесообразно использовать точки сохранения в длинных и сложных транзакциях, чтобы обеспечить возможность отмены изменения для определенных операторов. Однако это обусловливает дополнительные затраты ресурсов системы — оператор выполняет работу, а изменения затем отменяются; обычно усовершенствования в логике обработки могут оказаться более оптимальным решением.