5数据库完整性

橙汁味的风2025-12-30 11:12

第五章 数据库完整性

5.1 数据库完整性概述

1. 数据库完整性的定义

数据库的完整性 是指数据库中存储的数据在任何时刻都必须是正确 、有效 和相容的。

  • 数据的正确性 ：指数据必须符合现实世界的语义，准确反映当前实际状况。
    • 示例 ：性别 属性的域只能是 '男' 或 '女'；成绩 属性的域必须在 [0, 100] 区间内；学号 属性必须唯一。
  • 数据的相容性 ：指数据库中同一对象在不同关系表中的数据必须符合逻辑，保持一致。
    • 示例 ：学生所选课程的 课程号 必须是课程表中已存在的 课程号；学生所属院系的 院系号 必须是院系表中已存在的 院系号。

2. 完整性与安全性的辨析

完整性和安全性是两个截然不同的概念，必须严格区分：

维度 数据完整性 数据安全性
目标 防止数据库中存在不符合语义的、不正确的数据。 保护数据库，防止恶意的破坏和非法的存取。
防范对象 不合语义的、不正确的数据。 非法用户和非法操作。
核心机制 阻止合法用户 通过合法操作 向数据库中加入不正确的数据。 防范非法用户 和非法操作 存取数据库中的正确数据。

3. 完整性控制机制

为维护数据库完整性，数据库管理系统 (DBMS) 必须提供一套完整的机制：

  1. 完整性约束定义：提供定义完整性约束条件（或称完整性规则）的机制。SQL 标准支持通过数据定义语言 (DDL) 来实现。
  2. **完整性检查：**提供在 INSERT、UPDATE、DELETE 等数据操纵操作执行后，或在事务提交时，自动检查数据是否违背完整性约束的机制。
  3. 违约处理：当系统发现用户的操作违背了完整性约束时，必须采取预定义的动作（如拒绝执行、级联操作）来保证数据的完整性。

DBMS 实现完整性控制的优势在于：

  • 减轻了应用程序员的负担，约束条件无需在应用程序中逐一实现。
  • 提供了全局一致的完整性保护，避免了因应用逻辑疏忽导致的漏洞。

5.2 实体完整性

1. 实体完整性的定义

关系模型的实体完整性规则要求：基本关系的主码属性值不能为空 (NULL)，且必须唯一。

SQL 实现 ：在 CREATE TABLE 语句中通过 PRIMARY KEY 关键字定义。

  • 单属性主码：可在列级或表级定义。

    • [例 5.1] Student 表的 Sno 为主码

      • (1) 列级约束：

        sql 复制代码 
        CREATE TABLE Student (
    Sno CHAR(8) PRIMARY KEY,
    Sname CHAR(20) NOT NULL,
    Ssex CHAR(6),
    Sbirthdate Date,
    Smajor VARCHAR(40)
);

      • (2) 表级约束：

        sql 复制代码 
        CREATE TABLE Student (
    Sno CHAR(8),
    Sname CHAR(20) NOT NULL,
    Ssex CHAR(6),
    Sbirthdate Date,
    Smajor VARCHAR(40),
    PRIMARY KEY (Sno)
);

  • 多属性（组合）主码 ：必须在表级定义。

    • [例 5.2] SC 表的 (Sno, Cno) 为主码

      sql 复制代码 
      CREATE TABLE SC (
    Sno CHAR(8) NOT NULL,
    Cno CHAR(5) NOT NULL,
    Grade SMALLINT,
	Semester CHAR(5),
	Teachingclass CHAR(8),
    PRIMARY KEY (Sno, Cno) /* 只能在表级定义 */
);

      注：组合主码的各属性必须显式或隐式地声明为 NOT NULL。

2. 实体完整性检查与违约处理

  • 检查时机 ：在 INSERT 操作或对主码列执行 UPDATE 操作时。
  • 检查内容 ：
    1. 非空检查 ：检查主码的各个属性是否为 NULL。若任一属性为空，操作被拒绝。
    2. 唯一性检查：检查主码值是否与表中已有元组的主码值重复。若重复，操作被拒绝。
  • 违约处理 ：拒绝 (REJECT) 执行该数据操纵操作。
  • 检查实现 ：为避免全表扫描（效率极低），RDBMS 通常会在主码上自动创建一个 UNIQUE 索引 （如 B+ 树索引），以高效地完成唯一性检查。

5.3 参照完整性

1. 参照完整性的定义

  • 关系模型的参照完整性规则定义了关系与关系之间的联系 。规则要求：
    • 若属性（或属性组）FFF 是基本关系 RRR（称为参照关系 或从表 ）的外码 ，它与基本关系 SSS（称为被参照关系 或主表 ）的主码 KKK 相对应，则对于 RRR 中每个元组，其 FFF 上的值必须满足以下条件之一：
      1. 取空值 (NULL)（前提是 F 的所有属性均允许为空）。
      2. 等于 S 中某个元组的主码 K 的值（即该外码值必须在被参照表中存在）。

SQL 实现 ：在 CREATE TABLE 语句中通过 FOREIGN KEY 和 REFERENCES 短语定义。

  • [例] Student 表的 Smajor 参照 MAJOR 表的 Majorno：

    sql 复制代码 
    CREATE TABLE Student (
    Sno CHAR(8) PRIMARY KEY,
    ...
    Smajor VARCHAR(40),
    /* 表级定义参照完整性 */
    FOREIGN KEY (Smajor) REFERENCES MAJOR(Majorno)
);

  • [例 5.3] SC 表的 Sno 参照 Student，Cno 参照 Course：

    sql 复制代码 
    CREATE TABLE SC (
    Sno CHAR(8) NOT NULL,
    Cno CHAR(5) NOT NULL,
    ...
    PRIMARY KEY (Sno, Cno),
    /* 定义两个外码约束 */
    FOREIGN KEY (Sno) REFERENCES Student(Sno),
    FOREIGN KEY (Cno) REFERENCES Course(Cno)
);

2. 参照完整性检查与违约处理

当对参照表或被参照表执行 INSERT、UPDATE、DELETE 操作时，均可能破坏参照完整性，系统必须进行检查。

可能破坏完整性的情况：

  1. 参照表 (SC) INSERT / UPDATE：导致外码值 (Sno) 在被参照表 (Student) 中不存在。
  2. 被参照表 (Student) DELETE：导致参照表 (SC) 中仍存在参照该主码的外码。
  3. 被参照表 (Student) UPDATE (主码)：导致参照表 (SC) 中仍存在参照旧主码的外码。

违约处理策略 ：可在定义外码时显式声明 ON DELETE 和 ON UPDATE 的动作。

  1. 拒绝执行
    • 不允许执行该操作。这是 SQL 标准中的默认策略。
  2. 级联操作
    • ON DELETE CASCADE：删除被参照元组时，级联删除所有参照该元组的元组。
    • ON UPDATE CASCADE：更新被参照元组的主码时，级联更新所有参照该元组的外码值。
  3. 设置为空值
    • ON DELETE SET-NULL：删除被参照元组时，将所有参照该元组的外码值设置为 NULL。
    • ON UPDATE SET-NULL：更新被参照元组的主码时，将所有参照该元组的外码值设置为 NULL。

重要约束 ： 如果外码是参照表主码的组成部分（如 SC 表中的 Sno 和 Cno），则根据实体完整性，这些属性不允许为空 。因此，针对它们的外码约束不能选择 SET-NULL 策略。

[例 5.4] 显式声明违约处理策略：

sql 复制代码 
CREATE TABLE SC (
    Sno CHAR(8) NOT NULL,
    Cno CHAR(5) NOT NULL,
    ...
    PRIMARY KEY (Sno, Cno),
    FOREIGN KEY (Sno) REFERENCES Student(Sno)
        ON DELETE CASCADE  /* 删除学生时，级联删除其选课记录 */
        ON UPDATE CASCADE, /* 更新学号时，级联更新其选课记录 */
    FOREIGN KEY (Cno) REFERENCES Course(Cno)
        ON DELETE NO ACTION /* 删除课程时，若有学生选课则拒绝 */
        ON UPDATE CASCADE   /* 更新课程号时，级联更新SC表 */
);

5.4 用户定义的完整性

指针对特定应用领域的需求，由用户自行定义的数据语义约束。

1. 属性上的约束条件

定义在单个属性列上的约束，在 CREATE TABLE 时定义。

  1. 列值非空

    sql 复制代码 
    CREATE TABLE SC
( 
    Sno CHAR(8) NOT NULL,
 	Cno CHAR(5) NOT NULL,
    Grade SMALLINT NOT NULL,
    Semester CHAR(5),
    TeachingclassCHAR(8),
    PRIMARY KEY (Sno, cno),
    ...

  2. 列值唯一

    sql 复制代码 
    CREATE TABLE School
(
    Schoolno CHAR(8),
    SchooIname VARCHAR(40) UNIQUE NOT NULL,  /*要求Schoolname列值唯一,并且不能取空值*/
    PRIMARY KEY (Schoolno)
);

  3. CHECK 短语：指定列值必须满足的布尔表达式。

    • [例 5.7] Ssex CHAR(6) CHECK (Ssex IN ('男','女'))

    • [例 5.8] Grade SMALLINT CHECK (Grade >= 0 AND Grade <= 100)

违约处理 ：当插入或修改数据不满足上述约束时，操作被拒绝执行。

2. 元组上的约束条件

定义涉及同一元组中多个属性之间相互关系的约束。通常在表级使用 CHECK 短语定义。

  • [例 5.9] 当学生性别为男时，其名字 (Sname) 不能以 'Ms.' 开头。

    sql 复制代码 
    CREATE TABLE Student (
    ...
    Sname CHAR(20) NOT NULL,
    Ssex CHAR(6),
    ...
    PRIMARY KEY (Sno),
    /* 定义元组级CHECK约束 */
    CHECK (Ssex='女' OR Sname NOT LIKE 'Ms.%')
);
    • 逻辑分析 ：若 Ssex='女'，约束为真。若 Ssex='男'，则必须满足 Sname NOT LIKE 'Ms.%' 约束才为真。

违约处理 ：当插入或修改元组导致 CHECK 约束的谓词计算结果为 FALSE 时，操作被拒绝执行。

5.5 完整性约束命名字句

为了便于后续对完整性约束进行管理（如修改或删除），可以使用 CONSTRAINT 子句为约束命名。

1. 约束命名语法

sql 复制代码 
CONSTRAINT <完整性约束条件名> <完整性约束条件>

  • 为 Student 表的多个约束命名：

    sql 复制代码 
    /*建立学生登记表Student，要求学号在10000000~29999999之间，姓名不能取空值，性别只能是 "男" 或 "女" ，出生日期在1980之后，学号是主码。*/
CREATE TABLE Student (
    Sno CHAR(8)     CONSTRAINT C1 CHECK (Sno BETWEEN '10000000' AND '29999999'),
    Sname CHAR(20)  CONSTRAINT C2 NOT NULL,
    Ssex CHAR(6)    CONSTRAINT C3 CHECK (Ssex IN ('男','女')),
    Sbirthdate Date CONSTRAINT C4 CHECK (Sbirthdate > '1980-1-1'),
    Smajor VARCHAR(40),
    CONSTRAINT StudentKey PRIMARY KEY(Sno)
);

  • 为 TEACHER 表的元组约束命名：

    sql 复制代码 
    /*建立教师表TEACHER，要求每个教师的应发工资不低于3000元。应发工资是工资列Sal与扣除项Deduct之和。*/
CREATE TABLE TEACHER
(
    Eno CHAR(8) PRIMARY KEY,/*在列级定义主码*/
	Ename VARCHAR(20),
    JobCHAR(8)，
    Sal NUMERIC(7,2),
    Deduct NUMERIC(7,2),
    Schoolno CHAR(8),
    CONSTRAINT TEACHERFKey FOREIGN KEY (Schoolno) REFERENCES School(Schoolno),
    CONSTRAINT C1 CHECK (Sal+ Deduct >= 3000)
);

2. 修改表中的完整性限制

使用 ALTER TABLE 语句来删除或增加约束。

  • 删除约束 ：
    • ALTER TABLE Student DROP CONSTRAINT C3;
  • 增加约束 ：
    • ALTER TABLE Student ADD CONSTRAINT <约束名> <约束定义>;
  • 修改约束 ：
    • SQL 标准不支持 直接修改约束。通常通过先删除旧约束 ，再添加新约束 来实现。

5.7 触发器

  • 触发器 是一种由事件驱动的特殊过程，定义在关系表上。当特定的数据操纵事件（INSERT, UPDATE, DELETE）发生时，触发器被自动激活，执行预定义的动作。

  • 触发器提供了比 CHECK 约束更复杂、更精细的完整性控制能力，它遵循 ECA 规则。

1. 定义触发器

语法结构：

sql 复制代码 
CREATE TRIGGER <触发器名>
{ BEFORE | AFTER } <触发事件> ON <表名>
[ REFERENCING ( NEW | OLD ) ( ROW | TABLE ) AS <变量名> ]
[ FOR EACH { ROW | STATEMENT } ]
[ WHEN ( <触发条件> ) ]<触发动作体>
  • 触发时机 (BEFORE | AFTER) ：BEFORE（动作执行前）或 AFTER（动作执行后）。
  • 触发事件 (INSERT | UPDATE | DELETE)：激活触发器的 DML 操作。
  • 触发对象 (ON <表名>)：触发器必须定义在基本表上。
  • 触发类型 (ROW | STATEMENT) ：
    • 语句级 (FOR EACH STATEMENT)：操作执行一次，触发器激活一次（无论影响多少行）。
    • 行级 (FOR EACH ROW)：操作影响几行，触发器激活几次。
  • 参照变量 (REFERENCING) ：
    • OLD ROW AS OldTuple：引用行级操作前的旧值。
    • NEW ROW AS NewTuple：引用行级操作后的新值。
    • NEW TABLE AS DELTA：引用语句级 INSERT 后的新值集合。
  • 触发条件 (WHEN)：可选。只有当该条件为真时，触发动作体才执行。
  • 触发动作体 (Trigger Body)：一个 SQL 过程块（如 PL/SQL）。

示例：

  • [例 5.21] 行级 AFTER 触发器 ：当 SC 表的 Grade 更新且增幅超过 10% 时，记录日志。

    sql 复制代码 
    CREATE TRIGGER SC_T
AFTER UPDATE OF Grade ON SC
REFERENCING OLD row AS OldTuple, NEW row AS NewTuple
FOR EACH ROW
WHEN (NewTuple.Grade >= 1.1 * OldTuple.Grade)
BEGIN
    INSERT INTO SC_U(Sno, Cno, OldGrade, NewGrade)
    VALUES(OldTuple.Sno, OldTuple.Cno, OldTuple.Grade, NewTuple.Grade);
END;

  • [例 5.23] 行级 BEFORE 触发器 ：实现 CHECK 无法完成的违约处理（自动修改）。教授工资若低于 4000，自动设为 4000。

    sql 复制代码 
    CREATE TRIGGER Insert_Or_Update_Sal
BEFORE INSERT OR UPDATE ON Teacher
REFERENCING NEW row AS newtuple
FOR EACH ROW
BEGIN
    IF (newtuple.Job = '教授') AND (newtuple.Sal < 4000)
    THEN newtuple.Sal := 4000;
    END IF;
END;

  • 语句级 AFTER 触发器 ：统计 Student 表每次插入的学生人数。

    sql 复制代码 
    CREATE TRIGGER Student_Count
AFTER INSERT ON Student
REFERENCING NEW TABLE AS DELTA
FOR EACH STATEMENT
INSERT INTO StudentInsertLog (Numbers)
SELECT COUNT(*) FROM DELTA;

2. 激活触发器

触发器由数据库服务器在响应触发事件时自动执行。若一个表上定义了多个触发器，执行遵循以下顺序：

  1. 执行所有 BEFORE 触发器。
  2. 执行激活触发器的 SQL 语句 (DML)。
  3. 执行所有 AFTER 触发器。

3. 删除触发器

sql 复制代码 
DROP TRIGGER <触发器名> ON <表名>;
 Student_Count
  AFTER INSERT ON Student
  REFERENCING NEW TABLE AS DELTA
  FOR EACH STATEMENT
  INSERT INTO StudentInsertLog (Numbers)
  SELECT COUNT(*) FROM DELTA;

2. 激活触发器

触发器由数据库服务器在响应触发事件时自动执行。若一个表上定义了多个触发器，执行遵循以下顺序：

  1. 执行所有 BEFORE 触发器。
  2. 执行激活触发器的 SQL 语句 (DML)。
  3. 执行所有 AFTER 触发器。

3. 删除触发器

sql 复制代码 
DROP TRIGGER <触发器名> ON <表名>;
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