Semantische Integrität (auch: Konsistenz) der in einer Datenbank gespeicherten Daten als wichtige Anforderung

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1 6. Datenintegrität

2 Motivation Semantische Integrität (auch: Konsistenz) der in einer Datenbank gespeicherten Daten als wichtige Anforderung nur sinnvolle Attributwerte (z.b. keine negativen Semester) Abhängigkeiten zwischen Attributwerten (z.b. Telefon oder muss bekannt sein) Referentielle Integrität d.h. Integrität von Verweisen (z.b. Professor zu einer Vorlesung muss bekannt sein) Eindeutigkeit von Attributwerten (z.b. jedes Büro darf nur einmal in Professoren auftauchen) nur sinnvolle Änderungen der Attributwerte (z.b. Semester darf nicht verringert werden) 2

3 Inhalt 6.1 Semantische Integrität 6.2 Primärschlüssel und Eindeutigkeit 6.3 Referentielle Integrität 6.4 Constraints 6.5 Trigger 3

4 6.1 Semantische Integrität Semantische Integrität der Daten umfasst Anforderungen an den Zustand und Zustandsänderungen der Daten Integritätsbedingungen müssen während des Datenbankentwurfs für den relevanten Ausschnitt der realen Welt erfasst werden Integritätsbedingungen müssen allgemein und nicht nur auf den aktuellen Daten gelten 4

5 Statische Integritätsbedingungen Statische Integritätsbedingungen sind Anforderungen an den Zustand der Daten Beispiele: hören verweist nur auf bekannte Studenten und Vorlesungen Semester eines Studenten muss eine positiv Zahl sein Büro eines Professors darf nicht NULL sein Professoren haben Einzelbüros 5

6 Dynamische Integritätsbedingungen Dynamische Integritätsbedingungen sind Anforderungen an die Zustandsveränderung der Daten Beispiele: Semester eines Studenten darf nur erhöht werden MatrNr eines Studenten darf nie verändert werden Fach eines Professors darf nur vom initialen Wert NULL zu einem anderen von NULL verschiedenen Wert werden 6

7 Semantische Integrität in RDBMSs RDBMSs sichern die semantische Integrität der Daten, sofern sinnvolle Integritätsbedingungen definiert sind Sicherstellung der semantischen Integrität im Code der Anwendung hat im Vergleich schlechtere Wartbarkeit und höhere Fehleranfälligkeit SQL unterstützt Definition von Integritätsbedingungen seit SQL-89 (z.b. Primär- und Fremdschlüssel) bzw. SQL:1999 (z.b. Trigger) 7

8 6.2 Primärschlüssel und Eindeutigkeit Zur Erinnerung: Eine Menge von Attributen ist ein Schlüsselkandidat, wenn Sie die Tupel (Zeilen) einer Relation (Tabelle) eindeutig identifiziert Beispiel: Tabelle Professoren in Hochschulanwendung PersNr als künstliches Attribut ist Schlüsselkandidat Büro ist Schlüsselkandidat (sofern Einzelbüros) Wie können wir sicherstellen, dass es je Wert der beiden Attribute nur einen Professor gibt? 8

9 Primärschlüssel Einer der Schlüsselkandidaten wird als Primärschlüssel ausgewählt und kann als solcher markiert werden Beispiel: Tabelle Professoren 1 CREATE TABLE Professoren ( 2 PersNr int NOT NULL, 3 Vorname varchar(30) NOT NULL, 4 Name varchar(30) NOT NULL, 5 Büro int NOT NULL, 6 Fach varchar(60) NULL, 7 PRIMARY KEY (PersNr) 8 ) Wie können wir sicherstellen, dass es nur einen Professor pro Büro gibt? 9

10 Eindeutigkeit Eindeutige Attribute können durch Angabe von UNIQUE im CREATE TABLE Kommando angegeben werden Beispiel: Tabelle Professoren 1 CREATE TABLE Professoren ( 2 PersNr int NOT NULL, 3 Vorname varchar(30) NOT NULL, 4 Name varchar(30) NOT NULL, 5 Büro int NOT NULL UNIQUE, 6 Fach varchar(60) NULL, 7 PRIMARY KEY (PersNr) 8 ) 10

11 6.3 Referentielle Integrität Fremdschlüssel stellen eine Integritätsbedingung dar (d.h. referenzierte Tupel müssen vorhanden sein) RDBMS stellt referentielle Integrität der Daten sicher, d.h. wenn die Attribute A 1,, A n als Fremdschlüssel auf eine andere Tabelle T markiert sind, dann müssen alle A i den Wert NULL haben (sofern erlaubt), oder es muss ein entsprechendes Tupel mit den Werten der Attribute A i als Primärschlüssel in der Tabelle T existieren 11

12 Fremdschlüssel Fremdschlüssel werden mittels FOREIGN KEY... REFERENCES angegeben und können jeweils mehrere Attribute enthalten Beispiel: Tabelle Vorlesungen 1 CREATE TABLE Vorlesungen ( 2 VorlNr int NOT NULL, 3 Bezeichnung varchar(60) NOT NULL, 4 SWS varchar(30) NOT NULL, 5 PersNr int NULL, 6 FOREIGN KEY (PersNr) 7 REFERENCES Professoren(PersNr), 8 PRIMARY KEY (VorlNr) 9 ) Wie soll sich RDBMS bei Änderung der Daten verhalten? 12

13 Fremdschlüssel bei Änderung der Daten Ohne weitere Angabe, verweigert RDBMS Löschen eines Tupels, sofern noch ein anderes Tupel per Fremdschlüssel darauf verweist Bei Definition eines Fremdschlüssels können wir angeben, was bei Änderung referenzierter Daten geschehen soll SQL erweitert FOREIGN KEY Kommando wie folgt Angabe eines Ereignis: ON DELETE oder ON UPDATE Angabe des Verhaltens: CASCADE oder SET NULL 13

14 Fremdschlüssel bei Änderung der Daten Beispiel: Vorlesungen mit Fremdschlüssel auf Professoren 1 CREATE TABLE Vorlesungen ( 2 VorlNr int NOT NULL, 3 Bezeichnung varchar(60) NOT NULL, 4 SWS varchar(30) NOT NULL, 5 PersNr int NULL, 6 FOREIGN KEY (PersNr) 7 REFERENCES Professoren(PersNr) 8 ON UPDATE CASCADE, 9 PRIMARY KEY (VorlNr) 10 ) Ändert sich die PersNr eines Professors, wird die geänderte PersNr für seine Vorlesungen übernommen 14

15 Fremdschlüssel bei Änderung der Daten Beispiel: Vorlesungen mit Fremdschlüssel auf Professoren 1 CREATE TABLE Vorlesungen ( 2 VorlNr int NOT NULL, 3 Bezeichnung varchar(60) NOT NULL, 4 SWS varchar(30) NOT NULL, 5 PersNr int NULL, 6 FOREIGN KEY (PersNr) 7 REFERENCES Professoren(PersNr) 8 ON DELETE CASCADE, 9 PRIMARY KEY (VorlNr) 10 ) Wird ein Professor gelöscht, so werden alle seine Vorlesungen gelöscht 15

16 Fremdschlüssel bei Änderung der Daten Beispiel: Vorlesungen mit Fremdschlüssel auf Professoren 1 CREATE TABLE Vorlesungen ( 2 VorlNr int NOT NULL, 3 Bezeichnung varchar(60) NOT NULL, 4 SWS varchar(30) NOT NULL, 5 PersNr int NULL, 6 FOREIGN KEY (PersNr) 7 REFERENCES Professoren(PersNr) 8 ON UPDATE SET NULL, 9 PRIMARY KEY (VorlNr) 10 ) Ändert sich die PersNr eines Professors, wird die PersNr seiner Vorlesungen auf NULL gesetzt 16

17 Fremdschlüssel bei Änderung der Daten Beispiel: Vorlesungen mit Fremdschlüssel auf Professoren 1 CREATE TABLE Vorlesungen ( 2 VorlNr int NOT NULL, 3 Bezeichnung varchar(60) NOT NULL, 4 SWS varchar(30) NOT NULL, 5 PersNr int NULL, 6 FOREIGN KEY (PersNr) 7 REFERENCES Professoren(PersNr) 8 ON DELETE SET NULL, 9 PRIMARY KEY (VorlNr) 10 ) Wird ein Professor gelöscht, so wird die PersNr seiner Vorlesungen auf NULL gesetzt 17

18 6.4 Constraints Integritätsbedingungen (constraints) lassen sich mittels des CONSTRAINT Kommandos in SQL definieren Integritätsbedingungen haben einen Namen und SQL erlaubt deren Definition in den Kommandos CREATE TABLE und ALTER TABLE Integritätsbedingungen beziehen sich immer auf eine einzelne Tabelle 18

19 UNIQUE Constraints Eindeutigkeit einzelner Attribute lässt sich bei der Definition einer Tabelle mittels UNIQUE erreichen UNIQUE Constraints erlauben darüber hinaus, die Eindeutigkeit einer Mengen von Attributen festzulegen NULL-Werte sind, anders als bei Primärschlüsseln, erlaubt 19

20 UNIQUE Constraints Beispiel: Tabelle Vorlesungen erweitert um ein Attribut Studiengang; im gleichen Studiengang darf es nicht mehrere Vorlesungen mit gleichen Namen geben 1 CREATE TABLE Vorlesungen ( 2 VorlNr int NOT NULL, 3 Bezeichnung varchar(60) NOT NULL, 4 Studiengang varchar(30) NULL, 5 SWS varchar(30) NOT NULL, 6 PersNr int NULL, 7 CONSTRAINT BezeichnungStudiengangUnique 8 UNIQUE (Bezeichnung, Studiengang), 9 PRIMARY KEY (VorlNr) 10 ) Eine Vorlesung mit Titel Wissenschaftliches Arbeiten, die keinem Studiengang zugeordnet ist, ist möglich 20

21 CHECK Constraints Integritätsbedingungen, die sich auf die Werte der Attribute eines Tupels (Zeile) beziehen, lassen sich mittels des CHECK Kommandos definieren CHECK Constraints können z.b. verwendet werden, um Wertebereich eines Attributs einzugrenzen Zusammenhänge zwischen Attributwerten zu erfassen (z.b. nur bestimmte Kombinationen zu erlauben) 21

22 CHECK Constraints Beispiel: Einschränkung des Wertebereichs von Semester auf einen Wert im Bereich [1,50] 1 CREATE TABLE Studenten ( 2 MatrNr int NOT NULL, 3 Vorname varchar(30) NOT NULL, 4 Name varchar(30) NOT NULL, 5 Semester int NOT NULL, 6 CONSTRAINT SemesterConstraint 7 CHECK (Semester >= 1 AND Semester <= 50), 8 PRIMARY KEY (MatrNr) 9 ) RDBMSs erlauben teilweise auch die Angabe ohne Benennung bei der Deklaration des Attributes 1 Semester int NOT NULL CHECK (Semester >= 1 AND Semester <= 50), 22

23 CHECK Constraints Beispiel: Tabelle Professoren erweitert um private Kontaktdaten und Mobil, wovon mindestens eines bekannt sein müssen 1 CREATE TABLE Professoren ( 2 PersNr int NOT NULL, 3 Vorname varchar(30) NOT NULL, 4 Name varchar(30) NOT NULL, 5 Büro int NOT NULL UNIQUE, 6 Fach varchar(60) NULL, 7 varchar(60) NULL, 8 Mobil varchar(60) NULL, 9 CONSTRAINT Erreichbarkeit 10 CHECK( IS NOT NULL OR Mobil IS NOT NULL), 11 PRIMARY KEY (PersNr) 12 ) 23

24 CHECK Constraints Beispiel: Attribut Mobil in Tabelle Professoren soll nur Werte der Form +49 (177) erlauben 1 CREATE TABLE Professoren ( 2 PersNr int NOT NULL, 3 Vorname varchar(30) NOT NULL, 4 Name varchar(30) NOT NULL, 5 Büro int NOT NULL UNIQUE, 6 Fach varchar(60) NULL, 7 varchar(60) NULL, 8 Mobil varchar(60) NULL, 9 CONSTRAINT MobilFormat 10 CHECK(Mobil LIKE +% (%) % ), 11 PRIMARY KEY (PersNr) 12 ) 24

25 CHECK Constraints Beispiel: Attribut Fach in Tabelle Professoren darf nur die Werte Informatik, Mathematik und Physik annehmen 1 CREATE TABLE Professoren ( 2 PersNr int NOT NULL, 3 Vorname varchar(30) NOT NULL, 4 Name varchar(30) NOT NULL, 5 Büro int NOT NULL UNIQUE, 6 Fach varchar(60) NULL, 7 varchar(60) NULL, 8 Mobil varchar(60) NULL, 9 CONSTRAINT Fächer 10 CHECK(Fach IN ( Informatik, Mathematik, Physik )), 11 PRIMARY KEY (PersNr) 12 ) 25

26 CHECK Constraints CHECK Constraints können Unteranfragen enthalten und so komplexe Integritätsbedingungen abbilden RDBMS muss komplexe Integritätsbedingungen bei jeder Änderung der Daten überprüfen und enthaltene Unteranfragen auswerten (Kosten!) 26

27 CHECK Constraints Beispiel: Studenten müssen Vorlesungen gehört haben, in denen sie eine Prüfung ablegen 1 CREATE TABLE prüfen ( 2 MatrNr int NOT NULL, 3 VorlNr int NOT NULL, 4 Note float NOT NULL, 5 CONSTRAINT VorlesungGehört 6 CHECK ( EXISTS( SELECT * 7 FROM hören 8 WHERE hören.matrnr = prüfen.matrnr 9 AND hören.vorlnr = prüfen.vorlnr)), 10 PRIMARY KEY (MatrNr, VorlNr) 11 ) Bemerkung: Dies ließe sich auch durch einen Fremdschlüssel in prüfen umsetzen 27

28 CHECK Constraints Beispiel: Studenten dürfen nicht mehrere Vorlesungen mit identischem Titel hören 1 CREATE TABLE hören ( 2 MatrNr int NOT NULL, 3 VorlNr int NOT NULL, 4 CONSTRAINT TitelUnterschiedlich 5 CHECK ( NOT EXISTS( 6 SELECT * 7 FROM hören h, Vorlesung v1, Vorlesung v2 8 WHERE h.matrnr = hören.matrnr 9 AND h.vorlnr = v1.vorlnr 10 AND hören.vorlnr = v2.vorlnr 11 AND v1.titel = v2.titel 12 ) 13 PRIMARY KEY (MatrNr, VorlNr) 14 ) 28

29 6.5 Trigger Trigger wurden in SQL:1999 eingeführt und sind der allgemeinste Mechanismus, um Integritätsbedingungen zu formulieren Trigger beschreiben eine Aktion, die beim Eintreten eines bestimmten Ereignis durchgeführt werden soll Aktion wird in prozeduraler Programmiersprache des RDBMS geschrieben (z.b. Transact-SQL oder PL/SQL) Syntax ist (noch) wenig einheitlich zwischen RDBMSs 29

30 Trigger Trigger können verwendet werden, um dynamische Integritätsbedingungen zu formulieren Beispiel: Semester von Studenten darf nur erhöht werden 1 CREATE TRIGGER SemesterErhöhung 2 BEFORE UPDATE OF Semester ON Studenten 3 FOR EACH ROW 4 WHEN (old.semester > new.semester) 5 SET (new.semester = old.semester) 6 END Betrifft eine Änderung das Semester Attribut (Ereignis), wird überprüft, ob der neue Wert kleiner ist und ggf. der alte Wert beibehalten (Aktion) 30

31 Übung Integritätsbedingungen Versandhandel Beispiel: Artikel und Bestellungen im Versandhandel 1 CREATE TABLE Bestellungen ( 2 BestellNr int NOT NULL, 3 KundenNr int NOT NULL, 4 Bestelldatum date NOT NULL, 5 Lieferdatum date NULL, 6 Betrag money NOT NULL, 7 Bemerkung varchar(100) NULL, 8 PRIMARY KEY (BestellNr) 9 ) 1 CREATE TABLE Kunden ( 2 KundenNr int NOT NULL, 3 Name varchar(40) NOT NULL, 4 Vorname varchar(30) NOT NULL, 5 Strasse varchar(40) NOT NULL, 6 PLZ char(5) NOT NULL, 7 Wohnort varchar (40) NOT NULL, 8 Telefon varchar (20) NULL, 9 Telefax varchar (20) NULL, 10 varchar (30) NULL, 11 PRIMARY KEY (KundenNr) 12 ) Was sind sinnvolle Fremdschlüssel? PLZ von Kunden soll zwischen und liegen Kunden sollen auf mindestens zwei der Kommunikationswege Telefon, Telefax und erreichbar sein Bestellungen werden frühestens am Bestelldatum ausgeliefert 31

32 Übung Integritätsbedingungen Versandhandel 1 CREATE TABLE Bestellungen ( 2 BestellNr int NOT NULL, 3 KundenNr int NOT NULL, 4 Bestelldatum date NOT NULL, 5 Lieferdatum date NULL, 6 Betrag money NOT NULL, 7 Bemerkung varchar(100) NULL, 8 CONSTRAINT Daten 9 CHECK(Bestelldatum <= Lieferdatum), 10 FOREIGN KEY KundenNr 11 REFERENCES Kunden(KundenNr), 12 PRIMARY KEY (BestellNr) 13 ) 32

33 Übung Integritätsbedingungen Versandhandel 1 CREATE TABLE Kunden ( 2 KundenNr int NOT NULL, 3 Name varchar(40) NOT NULL, 4 Vorname varchar(30) NOT NULL, 5 Strasse varchar(40) NOT NULL, 6 PLZ char(5) NOT NULL, 7 Wohnort varchar (40) NOT NULL, 8 Telefon varchar (20) NULL, 9 Telefax varchar (20) NULL, 10 varchar (30) NULL, 11 CONSTRAINT Postleitzahlen 12 CHECK (PLZ >= AND PLZ <= ), 13 CONSTRAINT Erreichbarkeit 14 CHECK ((Telefon IS NOT NULL AND Telefax IS NOT NULL) OR 15 (Telefon IS NOT NULL AND IS NOT NULL) OR 16 (Telefax IS NOT NULL AND IS NOT NULL)), 17 PRIMARY KEY (KundenNr) 18 ) 33

34 Zusammenfassung Semantische Integrität umfasst Anforderungen an Zustand und Zustandsänderungen der Daten Statische Integritätsbedingungen umsetzbar mittels Primärschlüsseln und Fremdschlüsseln Constraints z.b. zur Wahrung der Eindeutigkeit oder Einschränkung des Wertebereichs Dynamische Integritätsbedingungen umsetzbar mittels Trigger als allgemeiner Mechanismus mit systemabhängiger Syntax 34

35 Literatur [1] A. Kemper und A. Eickler: Datenbanksysteme Eine Einführung, De Gruyter Oldenbourg, 2013 (Kapitel 5) [2] G. Saake, K.-U. Sattler und A. Heuer: Datenbanken - Konzepte und Sprachen, mitp Professional, 2013 (Kapitel 12) 35

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