数据库系统第五章数据库完整性

第五章数据库完整性

概述

1. 数据库完整性介绍

数据库的完整性是指数据的正确性和相容性。
数据的正确性是指数据是符合现实世界语义，反映了当前实际状况的。

例如，学生的学号必须唯一，性别只能是男或女，本科学生年龄的取值范围为14～50的整数，。
数据的相容性是指数据库同一对象在不同关系表中的数据是否符合逻辑的。

例如学生所选的课程必须是学校开设的课程，学生所在的院系必须是学校已成立的院系等

2. 完整性和安全性的区别

数据的完整性

防止数据库中存在不符合语义的数据，也就是防止数据库中存在不正确的数据。

防范对象：不合语义的、不正确的数据
数据的安全性

保护数据库防止恶意的破坏和非法的存取。

防范对象：非法用户和非法操作。

完整性强调用户输的内容不符合语义；安全性强调非法操作

3. 数据库在完整性方面应具备的功能

(1) 提供`定义完整性约束条件`的机制

完整性约束条件也称为完整性规则，是数据库中的数据必须满足的语义约束条件。

SQL标准通过数据定义语言来描述完整性，包括关系模型的实体完整性、参照完整性和用户定义完整性。

(2) 提供`完整性检查`的方法

数据库管理系统中检查数据是否满足完整性约束条件的机制称为完整性检查。

一般在INSERT、UPDATE、DELETE语句执行后开始检查，也可以在事务提交时检查。

(3) 违约处理

数据库管理系统若发现用户的操作违背了完整性约束条件，就采取拒绝（NO ACTION）执行该操作或级联（CASCADE）执行其他操作等方式保证完整性。

(一) 实体完整性

实体完整性是指数据库的每一行要能区别开来

1. 实体完整性定义 PRIMARY KEY

关系模型的实体完整性
设置主码，让每条记录是相互可区分的，SQL中在CREATE TABLE中用PRIMARY KEY定义。
主码是单属性构成的有两种说明方法
定义为列级约束条件
定义为表级约束条件
主码是多属性的只能有一种说明方法
定义为表级约束条件

多属性主码是指，不同元组之间，主码中的多个属性不能完全相同，但允许间接相同，比如学生选课表中的主码为(Sno, Cno)，允许有(001, 02), (001, 03)元组存在，表示001学生选了02和03课程

【例】将Student表中的Sno属性定义为码

在列级定义主码

CREATE TABLE Student(
    Sno  CHAR(9)  PRIMARY KEY，
    Sname  CHAR(20) NOT NULL，     
    Ssex  CHAR(2) ，
    Sage  SMALLINT，
    Sdept  CHAR(20)
);

在表级定义主码

CREATE TABLE Student(
    Sno  CHAR(9)，  
    Sname  CHAR(20) NOT NULL，
    Ssex  CHAR(2) ，
    Sage  SMALLINT，
    Sdept  CHAR(20)，
    PRIMARY KEY (Sno)
);

【例】将SC表中的Sno，Cno属性组定义为码

CREATE TABLE SC(
    Sno   CHAR(9)  NOT NULL， 
    Cno  CHAR(4)  NOT NULL，  
    Grade    SMALLINT，
    PRIMARY KEY (Sno，Cno)     /*只能在表级定义主码*/
);

2. 实体完整性检查和违约处理

(1) 完整性检查的内容

关系数据库管理系统按照实体完整性规则自动进行检查。检查内容主要包括：

检查主码值是否唯一，如果不唯一则拒绝插入或修改。
检查主码的各个属性是否为空，只要有一个为空就拒绝插入或修改。

(2) 检查主码值方法

检查记录中主码值是否唯一的一种方法是进行全表扫描。即依次判断表中每一条记录的主码值与将插入记录上的主码值（或者修改的新主码值）是否相同。

说明：

全表扫描的缺点是十分耗时。
为避免对基本表进行全表扫描，RDBMS核心一般都在主码上自动建立一个索引。例如B+树索引。

因为主码要一致查询的，在进行完整性检查的过程也是在查询新纪录的主码值的过程，当然其他情况下也大都查询主码

因此默认给主码添加索引

(二) 参照完整性

1. 参照完整性定义

参照完整性定义：
在CREATE TABLE中用FOREIGN KEY定义哪些列为外码，用REFERENCES短语指明这些外码参照哪些表的主码。

外码通常参照另外一个表的主码或者主属性，但也可以不是

例如，关系SC中一个元组表示一个学生选修的某门课程的成绩，（Sno，Cno）是主码。 Sno，Cno分别参照引用Student表的主码和Course表的主码

【例】定义SC中的参照完整性

CREATE TABLE SC(
    Sno CHAR(9)  NOT NULL， 
    Cno CHAR(4)  NOT NULL，  
    Grade SMALLINT，
    PRIMARY KEY (Sno， Cno)，   /*在表级定义实体完整性*/
    FOREIGN KEY (Sno) REFERENCES Student(Sno)，  
    /*在表级定义参照完整性*/
    FOREIGN KEY (Cno) REFERENCES Course(Cno)    
    /*在表级定义参照完整性*/
);

2. 参照完整性检查和违约处理

一个参照完整性将两个表中的相应元组联系起来，对被参照表和参照表进行增删改操作时都有可能破坏参照完整性，必须进行完整性检查。

被参照表插入元素 和 参照表删除元素 都不会破坏参照完整性

参照完整性违约处理规则

拒绝（NO ACTION）执行。不允许该操作执行。该策略一般设置为默认策略。
级联（CASCADE）操作。当删除或修改被参照表的一个元组造成了与参照表的不一致，则删除或修改参照表中的所有造成不一致的元组。

不仅仅是删除，修改也可以级联
设置为空值（SET-NULL）。当删除或修改被参照表的一个元组时造成了不一致，则将参照表中的所有造成不一致的元组的对应属性设置为空值。

但是不建议设置为空值，加入参照的属性为主键，设置为空值就会出现错误

【例】有下面两个关系

学生（学号，姓名，性别，专业号，年龄)
专业(专业号，专业名)

假设专业表中专业号为12的元组被删除。按照设置为空值的策略，就要把学生表中专业号为12的所有元组的专业号设置为空值。
对应语义:某个专业删除了，该专业的所有学生(专业未定，等待重新分配专业。

【例】显式说明参照完整性的违约处理示例

CREATE TABLE SC(
    Sno   CHAR(9)  NOT NULL，
    Cno   CHAR(4)  NOT NULL，
    Grade  SMALLINT，
    PRIMARY KEY（Sno，Cno）， 				
    FOREIGN KEY (Sno) REFERENCES Student(Sno) 
    ON DELETE CASCADE     /*级联删除SC表中相应的元组*/
    ON UPDATE CASCADE， /*级联更新SC表中相应的元组*/
    FOREIGN KEY (Cno) REFERENCES Course(Cno)         
    ON DELETE NO ACTION 	
    /*当删除course 表中的元组造成了与SC表不一致时拒绝删除*/
    ON UPDATE CASCADE   
    /*当更新course表中的cno时，级联更新SC表中相应的元组*/
)；

(三) 用户定义的完整性

用户定义的完整性：针对某一具体应用的数据必须满足的语义要求。用户定义的完整性由关系数据库管理系统提供了定义和检验用户定义完整性的机制，不必由应用程序承担。

1. 属性上的约束条件

(1) 属性上约束条件的定义

CREATE TABLE时定义属性上的约束条件包括：列值非空（NOT NULL）、列值唯一（UNIQUE）、检查列值是否满足一个条件表达式（CHECK）。

不允许取空值
列值唯一
用CHECK短语指定列值应该满足的条件

【例】在定义SC表时，说明Sno、Cno、Grade属性不允许取空值

CREATE TABLE SC(
    Sno CHAR(9)  NOT NULL，	
    Cno CHAR(4)  NOT NULL，	
    Grade SMALLINT NOT NULL，	
    PRIMARY KEY (Sno， Cno)
    /* 如果在表级定义实体完整性，隐含了Sno，Cno不允许取空值，
    则在列级不允许取空值的定义就不必写了 */
    ）;

【例】建立部门表DEPT，要求部门名称Dname列取值唯一，部门编号Deptno列为主码

CREATE TABLE DEPT(
    Deptno  NUMERIC(2)，
    Dname CHAR(9)  UNIQUE，/*要求Dname列值唯一*/
    Location CHAR(10)，
    PRIMARY KEY (Deptno)
)；

【例】Student表的Ssex只允许取“男”或“女”

CREATE TABLE Student(
    Sno  CHAR(9) PRIMARY KEY，
    Sname CHAR(8) NOT NULL，                     
    Ssex  CHAR(2)  CHECK (Ssex IN (‘男’，‘女’) ) ，                
    /*性别属性Ssex只允许取'男'或'女' */
    Sage  SMALLINT，
    Sdept  CHAR(20)
);

【例】SC表的Grade的值应该在0和100之间

CREATE TABLE SC(
    Sno   CHAR(9)  NOT NULL，
    Cno   CHAR(4)  NOT NULL，
    Grade  SMALLINT CHECK(Grade >= 0 AND Grade <= 100)，
    PRIMARY KEY（Sno，Cno）， 				
    FOREIGN KEY (Sno) REFERENCES Student(Sno)，
    FOREIGN KEY (Cno) REFERENCES Course(Cno)     
)；

(2) 属性上的约束条件检查和违约处理

插入元组或修改属性的值时，关系数据库管理系统检查属性上的约束条件是否被满足，如果不满足则操作被拒绝执行。

2. 元组上的约束条件

(1) 元组上约束条件的定义

在CREATE TABLE时可以用CHECK短语定义元组上的约束条件，即元组级的限制。

元组上的约束条件就只有CHECK了，没有UNIQUE和NOT NULL了
元组级的限制可以设置不同属性之间的取值的相互约束条件。

【例】当学生的性别是男时，其名字不能以Ms.打头(但是性别是女就无所谓了)

CREATE TABLE Student(
    Sno    CHAR(9)， 
    Sname  CHAR(8) NOT NULL，
    Ssex    CHAR(2)，
    Sage   SMALLINT，
    Sdept  CHAR(20)，
    PRIMARY KEY (Sno)，
    CHECK (Ssex='女' OR Sname NOT LIKE 'Ms.%')
    /*定义了元组中Sname和 Ssex两个属性值之间的约束条件*/
)；

性别是女性的元组都能通过该项检查，因为Ssex=‘女’成立；
当性别是男性时，要通过检查则名字一定不能以Ms.打头

(2) 元组上约束条件检查和违约处理

插入元组或修改属性的值时，关系数据库管理系统检查元组上的约束条件是否被满足，如果不满足则操作被拒绝执行。

(四) 完整性约束命名子句

1. 定义完整性约束

CONSTRAINT语句格式：

CONSTRAINT <完整性约束条件名> <完整性条件约束>

<完整性约束条件> 包括NOT NULL、UNIQUE、PRIMARY KEY短语、FOREIGN KEY短语、CHECK短语等。

【例】建立学生登记表Student，要求：

学号在90000~99999之间
姓名不能取空值
年龄小于30
性别只能是“男”或“女”。

CREATE TABLE Student(
    Sno  NUMERIC(6)
    CONSTRAINT C1 CHECK (Sno BETWEEN 90000 AND 99999)，
    Sname  CHAR(20)  
    CONSTRAINT C2 NOT NULL，
    Sage  NUMERIC(3)
    CONSTRAINT C3 CHECK (Sage < 30)，
    Ssex  CHAR(2)
    CONSTRAINT C4 CHECK (Ssex IN ( '男'，'女'))，
    # 最终设置了表的主码并且赋予名字
    CONSTRAINT StudentKey PRIMARY KEY(Sno)
)；

在Student表上建立了5个约束条件，包括主码约束（命名为StudentKey）
以及C1、C2、C3、C4四个列级约束。

通过CONSTRAINT也可以给完整性约束命名了

2. 修改完整性限制

使用ALTER TABLE语句修改表中的完整性限制

【例】修改表Student中的约束条件，要求：

学号改为在900000~999999之间
年龄由小于30改为小于40

一般更改约束条件的时候，先删除原来的约束条件，再添加新的约束条件

ALTER TABLE Student
DROP CONSTRAINT C1;
ALTER TABLE Student
ADD CONSTRAINT C1 CHECK (Sno BETWEEN 900000 AND 999999);
        
ALTER TABLE Student
DROP CONSTRAINT C3;
ALTER TABLE Student
ADD CONSTRAINT C3 CHECK (Sage < 40);

(五) 域中的完整性限制

域是一组具有相同数据类型的值的集合，即属性的取值范围。
SQL可以用CREATE DOMAIN语句建立一个域以及域应该满足的完整性约束条件，然后用域定义属性。

上面修改学号的取值范围，如果有多个表的多个属性都是这个范围，逐一修改就很麻烦了

可以为这些属性都赋予一个域，只需要修改域即可更改所有属性的约束

1. 创建域

【例】建立一个性别域，并声明性别域的取值范围

CREATE DOMAIN GenderDomain CHAR(2)
CHECK (VALUE IN ('男'，'女') );

声明域要同时声明类型和约束条件

这样对Ssex的说明可以改写为Ssex GenderDomain

Ssex  CHAR(2)
CONSTRAINT C4 CHECK (Ssex IN ( '男'，'女'))，
# 改为
Ssex GenderDomain

【例】建立一个性别域GenderDomain，并对其中的限制命名

CREATE DOMAIN GenderDomain CHAR(2)
CONSTRAINT GD CHECK ( VALUE IN ('男'，'女') );
#添加了CONSTRAINT可以对限制命名了

2. 更改域

(1) 删除域的约束

【例】删除域GenderDomain的限制条件GD

ALTER  DOMAIN  GenderDomain  
DROP CONSTRAINT GD;

(2) 添加域的约束

【例】在域GenderDomain上增加限制条件GDD

ALTER  DOMAIN  GenderDomain  
ADD CONSTRAINT GDD CHECK (VALUE IN ( '1'，'0') );

通过最后两【例】，就把性别的取值范围由('男'，'女')改为 ( '1'，'0')

(六) 断言

在SQL中可以使用数据定义语言中的CREATE ASSERTION语句，通过声明性断言(declarative assertions)来指定更具一般性的约束。
可以定义涉及多个表或聚集操作的比较复杂的完整性约束。
断言创建以后，任何对断言中所涉及关系的操作都会触发关系数据库管理系统对断言的检查，任何使断言不为真值的操作都会被拒绝执行。

1. 定义断言

标准语句格式：

CREATE ASSERTION <断言名> <CHECK子句>

每个断言都被赋予一个名字，<CHECK子句>中的约束条件与WHERE子句的条件表达式类似。

【例】限制数据库课程最多 60名学生选修

CREATE ASSERTION ASSE_SC_DB_ NUM
CHECK(60>=(SELECT count(*)/*此断言的谓词涉及聚集操作count的SQL语句*/
           FROM Course,SC
           WHERE SC.Cno=Course.Cno AND Course.Cname=数据库)
     );

每当学生选修课程时，将在SC表中插入一条元组(Sno, Cno, NULL)

ASSE_SC_DB_NUM断言被触发检查。

如果选修数据库课程的人数已经超过60人， CHECK子句返回值为“假”，对SC表的插入操作被拒绝。

【例】限制每一门课程最多60名学生选修。

CREATE ASSERTION ASSE_SC_CNUMI
CHECK( 60 >= ALL( SELECT count (*)/*此断言的谓词，涉及聚集操作count */
               FROM SC							/*和分组函数group by的SQL语句*/
               GROUP by cno );

这里用GROUP BY 分组

【例】限制每个学期每一门课程最多60名学生选修。

ALTER TABLE SC ADD TERM DATE;
/*先修改SC表，增加TERM属性，它的类型是DATE*/

# 然后定义断言:
CREATE ASSERTION ASSE_SC_CNUM2
CHECK (60 >= ALL ( select count (*) 
                  from SC 
                  group by Cno,TERM )
      );

2. 删除断言

DROP ASSERTION <断言名>;

如果断言很复杂，则系统在检测和维护断言上的开销较高，这是在使用断言时应该注意的。

有的时候可以在应用程序中进行判断

(七) 触发器

触发器就类似于Java 的 Swing的监听事件的触发器，或者SpringBoot的触发器，当有一个事件发生的时候，触发器就会起作用

触发器（Trigger）定义：触发器是用户定义在关系表上的一类由事件驱动的特殊过程。
说明：

触发器保存在数据库服务器中。
任何用户对表的增、删、改操作均由服务器自动激活相应的触发器。
触发器可以实施更为复杂的检查和操作，具有更精细和更强大的数据控制能力。

1. 定义触发器

触发器又叫做”事件-条件-动作“规则。（意思是当事件发生后进行条件判断，当满足条件后执行动作）

(1) 语句格式

CREATE TRIGGER <触发器名>
{BEFORE | AFTER} <触发事件> ON <表名>
REFERENCING NEW | OLD ROW AS <变量>
FOR EACH {ROW | STATEMENT}
[WHEN <触发条件>] <触发动作体>

说明：当特定的系统事件发生时，对规则的条件进行检查，如果条件成立则执行规则中动作，否则不执行该动作。规则中的动作体可以很复杂，通常是一段SQL存储过程。

(2) 语法说明

表的拥有者才可以在表上创建触发器。
触发器名

触发器名可以包含模式名，也可以不包含模式名(模式就是数据库)。

同一模式下，触发器名必须是唯一的。

触发器名和表名必须在同一模式下。
表名

触发器只能定义在基本表上，不能定义在视图上。

当基本表的数据发生变化时，将激活定义在该表上相应触发事件的触发器。
触发事件
1. INSERT、DELETE或UPDATE也可以是这几个事件的组合。
2. UPDATE OF<触发列，…>，即进一步指明了修改哪些列时激活触发器。
3. AFTER/BEFORE是触发的时机。
  AFTER表示在触发事件的操作执行之后激活触发器。
  BEFORE表示在触发事件的操作执行之前激活触发器。
触发器类型
- 行级触发器（FOR EACH ROW）
- 语句级触发器（FOR EACH STATEMENT）。
假设在TEACHER表上创建了一个AFTER UPDATE触发器。如果表TEACHER有1000行，执行如下语句：
```
UPDATE TEACHER SET Deptno=5;
```
- 如果该触发器为语句级触发器，那么执行完该语句后，触发动作只发生一次
- 如果是行级触发器，触发动作将执行1000次(因为有1000行数据都会发生变化)
触发条件

触发器被激活时，只有当触发条件为真时触发动作体才执行；否则触发动作体不执行。

如果省略WHEN触发条件，则触发动作体在触发器激活后立即执行。
触发动作体
- 触发动作体可以是一个匿名PL/SQL过程块，也可以是对已创建存储过程的调用。
- 如果是行级触发器，用户都可以在过程体中使用NEW和OLD引用事件之后的新值和事件之间的旧值。
- 如果是语句级触发器，则不能在触发动作体中使用NEW或OLD进行引用。
- 如果触发动作体执行失败，激活触发器的事件就会终止执行，触发器的目标表或触发器可能影响的其他对象不发生任何变化。

注意：不同的RDBMS产品触发器语法各不相同。

【例】当对表SC的Grade属性进行修改时，若分数增加了10%则将此次操作记录到下面表中: SC_U(Sno, Cno, Oldgrade, Newgrade) 其中Oldgrade是修改前的分数，Newgrade是修改后的分数

设计触发器

CREATE TRIGGER SC_T  #创建触发器，命名为SC_T
AFTER UPDATE OF Grade ON sc  
# AFTER:语句执行之后, UPDATE OF Grade: 更新Grade属性的时候 ON sc: 对sc表操作的时候
# 总的来说就是当对sc表的grade属性进行update更新时，在更新结束之后执行触发器
REFERENCING
	OLD row AS OldTuple,
	New row AS NewTuple
	# old row 是更新前的一行，别名为OldTup，new同理
FOR EACH ROW  # 行级触发器，每行操作都会执行一次触发器
	WHEN(NewTuple.Grade >= 1.1 * OldTuple.Grade)
	INSERT INTO SC_U(Sno, Cno, OldGrade, NewGrade)
	VALUES(OldTuple.Sno, OldTuple.Cno, OldTuple.Grade, NewTuple.Grade)

【例】将每次对表Student的插入操作所增加的学生个数记录添加到表StudentInsertLog中

CREATE TRIGGER Student_CountAFTER
INSERT ON Student
REFERENCING
	NEW TABLE AS DELTA # DELTA是表的变量
FOR EACH STATEMENT
	INSERT INTO StudentlnsertLog (Numbers)
	SELECT COUNT (*)FROM DELTA

【例】定义一个BEFORE行级触发器，为教师表Teacher定义完整性规则“教授的工资不得低于4000元，如果低于4000元，自动改为4000元”。

CREATE TRIGGER Insert_Or_Update_Sal 
BEFORE INSERT OR UPDATE ON Teacher /*触发事件是插入或更新操作*/
FOR EACH ROW /*行级触发器*/
AS BEGIN /*定义触发动作体，是PL/SQL过程块*/
	IF (new.Job='教授') AND (new.Sal < 4000) THEN   new.Sal :=4000;                
	END IF;
END;

【例】定义AFTER行级触发器，当教师表Teacher的工资发生变化后就自动在工资变化表Sal_log中增加一条相应记录

# 首先建立工资变化表Sal_log
CREATE TABLE Sal_log(
    Eno NUMERIC(4) references teacher(eno)，
    Sal NUMERIC(7，2)，
    Username char(10)，
    Date TIMESTAMP
);

CREATE TRIGGER Insert_Sal               	
AFTER INSERT ON Teacher /*触发事件是INSERT*/
FOR EACH ROW
	AS BEGIN
	INSERT INTO Sal_log VALUES(
        new.Eno，new.Sal，CURRENT_USER，CURRENT_TIMESTAMP);
END;

CREATE TRIGGER Update_Sal            	
AFTER UPDATE ON Teacher /*触发事件是UPDATE */
   FOR EACH ROW
   AS BEGIN 
     IF (new.Sal <> old.Sal) THEN INSERT INTO Sal_log VALUES(
         new.Eno，new.Sal，CURRENT_USER，CURRENT_TIMESTAMP);
     END IF;
  END;

这个可以在Oracle中执行

2. 激活触发器

触发器的执行，是由触发事件激活的，并由数据库服务器自动执行
一个数据表上可能定义了多个触发器
同一个表上的多个触发器激活时遵循如下的执行顺序：
1. 执行该表上的BEFORE触发器；
2. 激活触发器的SQL语句；
3. 执行该表上的AFTER触发器。

【例】执行修改某个教师工资的SQL语句，激活上述定义的触发器

UPDATE Teacher SET Sal=800 WHERE Ename='王五';

执行顺序是

执行触发器Insert_Or_Update_Sal
执行SQL语句“UPDATE Teacher SET Sal=800 WHERE Ename='王五';”
执行触发器Insert_Sal；执行触发器Update_Sal

3. 删除触发器

删除触发器的SQL语法：

DROP TRIGGER <触发器名> ON <表名>;

触发器必须是一个已经创建的触发器，并且只能由具有相应权限的用户删除。

【例】删除教师表Teacher上的触发器Insert_Sal

DROP TRIGGER Insert_Sal ON Teacher;

小结

数据库的完整性是为了保证数据库中存储的数据是正确的。最重要的完整性是实体完整性和参照完整性。
完整性定义一般由SQL的数据定义语言完成。目前数据库提供了完整性的定义和检查。
违背完整性约束条件时RDBMS一般采取默认动作，如拒绝执行。
触发器是保证数据库完整性的一个重要的方法。

posted @ 2023-10-07 17:52 Crispy·Candy 阅读(160) 评论(0) 编辑收藏举报

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