Целостность реляционных данных
Во второй части реляционной модели данных определяются два ограничения, которые должны выполняться в любой реляционной базе данных. Это:
· Целостность сущностей.
· Целостность внешних ключей.
Прежде, чем говорить о целостности сущностей, опишем использование null-значений в реляционных базах данных.
Null-значения
Основное назначение баз данных состоит в том, чтобы хранить и предоставлять информацию о реальном мире. Для представления этой информации в базе данных используются привычные для программистов типы данных - строковые, численные, логические и т.п. Однако в реальном мире часто встречается ситуация, когда данные неизвестны или не полны. Например, место жительства или дата рождения человека могут быть неизвестны (база данных разыскиваемых преступников). Если вместо неизвестного адреса уместно было бы вводить пустую строку, то что вводить вместо неизвестной даты? Ответ - пустую дату - не вполне удовлетворителен, т.к. простейший запрос "выдать список людей в порядке возрастания дат рождения" даст заведомо неправильных ответ.
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.
Таким образом, 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. В любом случае на пользователя (или на разработчика) ложится ответственность на правильную трактовку таких данных. В частности, может потребоваться написание специального программного кода, который в нужных случаях "вылавливал" бы такие данные. Проблемы, возникающие при этом очевидны - не все данные становятся равноправны, требуется дополнительный программный код, "отслеживающий" эту неравноправность, в результате чего усложняется разработка и сопровождение приложений.
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. 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.
Подробное обсуждение проблем использования null-значений выходит за пределы данной работы. Можно только сказать о том, что этот вопрос в теории реляционных баз данных окончательно не решен. Основоположник реляционного подхода Кодд считал null-значения неотъемлемой частью реляционной модели. К.Дейт, один из крупнейших теоретиков реляционной модели выступает категорически против null-значений.
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. Почти сразу после создания Кантором теории множеств, в ней были обнаружены внутренние противоречия (антиномии). Были разработаны более строгие теории, позволяющие избежать этих противоречий (конструктивная теория множеств). Однако в реальной работе большинство математиков пользуется классической теорией множеств, т.к. более строгие теории более ограничены и негибки в применении именно в силу своей большей строгости.
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.
При сравнении выражений, содержащих null-значения, результат также может быть неизвестен, например, значение истинности для выражения 
есть null, если один или оба аргумента есть null. 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:
Таблица 1. Таблица истинности AND
| AND | F | T | U |
| F | F | F | F |
| T | F | T | U |
| U | F | U | U |
Таблица 2. Таблица истинности OR
| OR | F | T | U |
| F | F | T | U |
| T | T | T | T |
| U | U | T | U |
Таблица 3. Таблица истинности NOT
| NOT | |
| F | T |
| T | F |
| U | U |
Имеется несколько парадоксальных следствий применения трехзначной логики.
Парадокс 1.
Null-значение не равно самому себе. Действительно, выражение null = null дает значение не ИСТИНА, а НЕИЗВЕСТНО. Значит выражение 
не обязательно ИСТИНА!
Парадокс 2.
Неверно также, что null-значение не равно самому себе! Действительно, выражение null 
null также принимает значение не ИСТИНА, а НЕИЗВЕСТНО! Значит также, что и выражение 
тоже не обязательно ЛОЖЬ!
Парадокс 3.
не обязательно ИСТИНА. Значит, в трехзначной логике не работает принцип исключенного третьего (любое высказывание либо истинно, либо ложно).
Таких парадоксов можно построить сколько угодно. Конечно, это на самом деле не парадоксы, а просто следствия из аксиом трехзначной логики.
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.
Определение. Пусть дано отношение R. Подмножество атрибутов K отношения R будем называть потенциальным ключом, если К обладает следующими свойствами:
· Свойством уникальности - в отношении не может быть двух различных кортежей, с одинаковым значением К.
· Свойством неизбыточности - никакое подмножество в К не обладает свойством уникальности.
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.
Отношение может иметь несколько потенциальных ключей. Традиционно, один из потенциальных ключей объявляется первичным, а остальные - альтернативными. Различия между первичным и альтернативными ключами могут быть важны в конкретной реализации реляционной СУБД, но с точки зрения реляционной модели данных, нет оснований выделять таким образом один из потенциальных ключей.
Замечание. Понятие потенциального ключа является семантическим понятием и отражает некоторый смысл (трактовку) понятий из конкретной предметной области. Для того чтобы проиллюстрировать этот факт рассмотрим следующее отношение "Сотрудники":
Таблица 4. Отношение "Сотрудники"
| Табельный номер | Фамилия | Зарплата |
| Иванов | ||
| Петров | ||
| Сидоров |
При первом взгляде на таблицу, изображающую это отношение, может показаться, что в таблице имеется три потенциальных ключа - в каждой колонке таблицы содержатся уникальные данные. Однако среди сотрудников могут быть однофамильцы и сотрудники с одинаковой зарплатой. Табельный же номер по сути свой уникален для каждого сотрудника. Какие же соображения привели нас к пониманию того, что в данном отношении только один потенциальный ключ - "Табельный номер"? Именно понимание смысла данных, содержащихся в отношении.
Попробуем представить это отношение в другом виде, изменив наименования атрибутов:
Таблица 5.
| A | B | C |
| Иванов | ||
| Петров | ||
| Сидоров |
Предъявим кому-нибудь эту таблицу и не сообщим смысл наименований атрибутов. Очевидно, что невозможно судить, не понимая смысла данных, может или не может в этом отношении появиться, например, кортеж (1, Петров, 3000). Если бы, кстати, такой кортеж появился (что, на первый взгляд, вполне возможно, т.к. не нарушается уникальность кортежей), то мы точно смогли бы сказать, что не является альтернативным ключом - ни один из атрибутов по отдельности. Но мы не сможем сказать, что же является первичным ключом.
Замечание. Потенциальные ключи служат средством идентификации объектов предметной области, данные о которых хранятся в отношении. Объекты предметной области должны быть различимы.
Замечание. Потенциальные ключи служат единственным средством адресации на уровне кортежей в отношении. Точно указать какой-нибудь кортеж можно только зная значение его потенциального ключа.
Целостность сущностей
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.
Внешние ключи
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.
Рассмотрим пример с поставщиками и поставками деталей. Предположим, что нам требуется хранить информацию о наименовании поставщиков, наименовании и количестве поставляемых ими деталей, причем каждый поставщик может поставлять несколько деталей и каждая деталь может поставляться несколькими поставщиками. Можно предложить хранить данные в следующем отношении:
Таблица 6. Отношение "Поставщики и поставляемые детали"
| Номер поставщика | Наименование поставщика | Номер детали | Наименование детали | Поставляемое количество |
| Иванов | Болт | |||
| Иванов | Гайка | |||
| Иванов | Винт | |||
| Петров | Болт | |||
| Петров | Гайка | |||
| Сидоров | Винт |
Потенциальным ключом этого отношения может выступать пара атрибутов {"Номер поставщика", "Номер детали"} - в таблице они выделены курсивом.
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. 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, и не можем хранить информацию о том, что 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).
О том, как правильно нормализовать отношения, будет сказано в следующих главах, сейчас же предложим разнести данные по трем отношениям - "Поставщики", "Детали", "Поставки". 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".
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.
Таким образом, наш пример с поставщиками и поставляемыми деталями должен выглядеть следующим образом:
Таблица 7. Отношение "Поставщики"
| Номер поставщика | Наименование поставщика |
| Иванов | |
| Петров | |
| Сидоров |
Таблица 8. Отношение "Детали"
| Номер детали | Наименование детали |
| Болт | |
| Гайка | |
| Винт |
Таблица 9. Отношение "Поставки"
| Номер поставщика | Номер детали | Поставляемое количество |
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 R . Подмножество атрибутов FK отношения R будем называть внешним ключом, если:
· Существует отношение S ( R и S не обязательно различны) с потенциальным ключом К.
· Каждое значение FK в отношении R всегда совпадает со значением К для некоторого кортежа из S , либо является null-значением.
Отношение называется родительским отношением, отношение называется дочерним отношением.
Замечания:
· Внешний ключ, также как и потенциальный, может быть простым и составным.
· Внешний ключ должен быть определен на тех же доменах, что и соответствующий первичный ключ родительского отношения.
· 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".
· 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.
· 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.
· Для внешнего ключа не требуется, чтобы он был компонентом некоторого потенциального ключа (как получилось в примере с поставщиками и деталями).
· Null-значения для атрибутов внешнего ключа допустимы только в том случае, когда атрибуты внешнего ключа не входят в состав никакого потенциального ключа