Что такое внешний ключ в базе данных
Что такое внешний ключ базы данных? Учебник для новичков
Эта статья написана Бриттни Паркер, писателем из Girls Write Tech, которая специализируется на написании технических материалов. Они стремятся побудить больше женщин-разработчиков делиться своими знаниями.
В мире баз данных существует избыток типов данных и структур, и определение того, какие из них использовать, часто является предметом горячих споров. Понимание различных ключей может помочь вам понять, как лучше всего использовать конкретную систему для ваших уникальных потребностей.
По мере того, как сложность структур данных продолжает развиваться, базы данных перешли на реляционные базы данных и мультимодальные базы данных, которые сегодня используются наиболее часто. Теперь мы можем связать различные таблицы осмысленным образом, используя внешние ключи.
Внешний ключ — это столбец (или группа столбцов), используемый в реляционной базе данных для связи данных между таблицами. Серверы внешних ключей для ссылки на первичный ключ другой существующей таблицы.
Сегодня это руководство познакомит вас с внешними ключами и покажет, как их использовать в SQL.
Что такое внешний ключ в базе данных?
Внешние ключи структурированы в базе данных как общий компонент, связывающий вместе две таблицы. Внешний ключ всегда должен ссылаться на первичный ключ в другом месте.
Исходная таблица называется родительской или ссылочной таблицей, а ссылочная таблица с внешним ключом называется дочерней таблицей.
Ссылки на внешние ключи хранятся в дочерней таблице и связаны с первичным ключом в отдельной таблице.
Столбец, действующий как внешний ключ, должен иметь соответствующее значение в связанной таблице. Это создает ссылочную целостность.
Мы должны быть осторожны при создании таблиц или изменении таблиц (например, при вставке или удалении данных из столбца внешнего ключа), чтобы избежать изменения или разрушения связи между ними.
Скажем, у нас есть две таблицы с именами customerи order. Мы можем использовать внешний ключ для создания связи между ними. В ordersтаблице мы создаем ключ, который ссылается на клиента (т.е. CUSTOMER_ID) в другой таблице.
В CUSTOMER_IDтаблице заказов становится внешним ключом, который ссылается на родительский или первичный ключи в таблице клиентов.
Примечание. Чтобы вставить запись в таблицу заказов, необходимо выполнить ограничение внешнего ключа.
Если мы попытаемся ввести CUSTOMER_IDданные, которых нет в таблице клиентов, мы нарушим целостность ссылочных полномочий таблицы.
Ограничение FK
Точное соединение данных — главная директива. Интеграция программного обеспечения и возможность безопасного обмена данными между приложениями зависят от целостности данных и взаимосвязей с базами данных.
Вот где возникает ограничение. Внешние ключи часто ограничиваются, чтобы гарантировать, что пользователь не может предпринимать действия, которые могут повредить связи зависимостей между таблицами. Это также не позволяет пользователям вводить недопустимые данные.
Мы можем использовать ограничения внешнего ключа, чтобы поддерживать ссылочную целостность наших отношений внешнего ключа. Есть много ссылочных действий, которые мы можем использовать для ограничения, в том числе:
Когда дело доходит до именования ограничений внешнего ключа, мы должны соблюдать следующие общие правила:
Внешний ключ против первичного ключа
В отличие от внешнего ключа, первичный ключ работает в реляционной базе данных для уникальной идентификации определенных записей. Первичные ключи должны быть уникальными для таблицы и часто используются в качестве абсолютной точки отсчета для других типов ключей базы данных.
Внешние ключи используются больше как ссылка, чем как уникальный идентификатор конкретной строки или записи.
В то время как в конкретной таблице или реляционной базе данных можно использовать несколько внешних ключей, для каждой базы данных разрешен только один первичный ключ. Для внешних ключей разрешены повторяющиеся значения, а также нулевые значения.
Нулевые значения не допускаются для первичных ключей, и ссылки на любые первичные ключи в таблице должны быть удалены перед удалением строки / записи первичного ключа.
Внешний ключ против составного ключа
Составные ключи в реляционной базе данных используются для объединения двух или более столбцов в определенной таблице, создавая уникальный идентификатор для этой комбинации столбцов.
Хотя технически ключ-кандидат в качестве составного ключа проверяет уникальность, составные ключи формируются только тогда, когда конкретный столбец или столбцы используются в сочетании друг с другом.
Как и внешние ключи, составные ключи могут использоваться для связывания нескольких таблиц в реляционной базе данных. В отличие от внешних ключей, составные ключи можно определить как первичный ключ при создании некоторых таблиц SQL.
Ссылочные действия внешнего ключа
Ссылочная целостность ограничивается внешними ключами, гарантируя, что значения в конкретной таблице соответствуют значениям, которые находятся в другой таблице.
Эти ссылочные действия усиливают целостность структуры таблицы, снижая вероятность ошибки, гарантируя, что ссылочные столбцы содержат только уникальные наборы значений.
Внешние ключи также могут принимать нулевые значения, но важно отметить, что это может ограничить их способность защищать целостность указанного столбца, поскольку нулевые значения не проверяются.
Совет: передовой опыт указывает на использование NOT NULLограничения при создании внешних ключей для поддержания структурной целостности базы данных.
Создание структуры данных, которая является гибкой и достаточно расширяемой для долгосрочного использования, может становиться все труднее по мере роста сложности и объема данных. Добавление неструктурированных данных может легко привести к ошибкам.
Внешние ключи — чрезвычайно ценный компонент, помогающий обеспечить ясность, согласованность и способность вашей базы данных быстро предоставлять точные результаты.
Внешние ключи в SQL и MySQL
Давайте посмотрим на синтаксис с использованием SQL и MySQL. В следующем примере создается FOREIGN KEY в столбце «PersonID».
Узнайте больше о различных типах баз данных здесь
Следующий синтаксис позволяет нам назвать ограничение FOREIGN KEY:
Реальный пример SQL
А теперь давайте уточним. Ниже Actorsтаблица является таблицей, на которую ссылаются, и называется родительской таблицей. Здесь справочная таблица DigitalAssetsявляется дочерней таблицей.
Мы объявляем столбец как внешний ключ в дочерней таблице, только если для столбца определен индекс. Если столбец не имеет индекса, его нельзя использовать в качестве внешнего ключа.
В нашем примере мы изменяем наш DigitalAssetsи устанавливаем ActorIDстолбец как внешний ключ следующим образом:
Теперь, если мы добавим в DigitalAssetsтаблицу строку с идентификатором актера, которого нет в Actorsтаблице, появится сообщение об ошибке:
Мы также можем создать ограничение внешнего ключа для самой таблицы. Например, это может быть таблица сотрудников со столбцом для идентификации менеджера. Поскольку менеджер также является сотрудником, также будет присутствовать строка, идентифицирующая его.
Идентификатор менеджера будет ссылаться на идентификатор сотрудника в том же столбце, а идентификатор сотрудника будет действовать как внешний ключ.
Что такое внешний ключ в базе данных
Под базой данных (БД) понимают хранилище структурированных данных, при этом данные должны быть непротиворечивы, минимально избыточны и целостны.
Одно из важнейших достоинств реляционных баз данных состоит в том, что можно хранить логически сгруппированные данные в разных таблицах и задавать связи между ними, объединяя их в единую базу. Такая организация данных позволяет уменьшить избыточность хранимых данных, упрощает их ввод и организацию запросов и отчетов.
Понятие первичного ключа
В каждой таблице БД может существовать первичный ключ. Под первичным ключом понимают поле или набор полей, однозначно (уникально) идентифицирующих запись. Первичный ключ должен быть минимально достаточным: в нем не должно быть полей, удаление которых из первичного ключа не отразится на его уникальности.
Данные таблицы «Преподаватель»
В качестве первичного ключа в таблице «Преподаватель» может выступать только «Таб. №», значения других полей могут повторяться внутри данной таблицы.
Правила хорошего тона при разработке структур баз данных, и чисто практические соображения должны побудить разработчика всегда определять первичный ключ для таблицы базы данных.
Реляционные отношения (связи) между таблицами базы данных
Существует три разновидности связей между таблицами базы данных:
Отношение «один-ко-многим» имеет место, когда одной записи родительской таблицы может соответствовать несколько записей в дочерней таблице.
Связь «один-ко-многим» является самой распространенной для реляционных баз данных.
В широко распространенной нотации структуры баз данных IDEF 1 X отношение « один-ко-многим » изображается путем соединения таблиц линией, которая на стороне дочерней таблицы оканчивается кружком или иным символом. Поля, входящие в первичный ключ для данной ТБД, всегда расположены вверху и отчеркнуты от прочих полей линией.
Отношение «один-к-одному» имеет место, когда одной записи в родительской таблице соответствует одна запись в дочерней таблице.
Данное отношение используют, если не хотят, чтобы таблица БД «не распухала» от второстепенной информации.
Отношение «многие-ко-многим» имеет место, когда:
а) записи в родительской таблице может соответствовать больше одной записи в дочерней таблице;
б) записи в дочерней таблице может соответствовать больше одной записи в родительской таблице.
Например, каждой студент изучает несколько дисциплин. Каждая дисциплина изучается несколькими студентами.
Многие СУБД (в частности Access ) не поддерживают связи «многие-ко-многим» на уровне индексов и ссылочной целостности. Считается, что всякую связь «многие-ко-многим» можно заменить на одну или более связей «один-ко-многим».
Ссылочная целостность и каскадные воздействия
Рассмотрим наиболее часто встречающуюся в базах данных связь «один-ко-многим». Как можно заметить, дочерняя и родительская таблицы связаны между собой по общему полю «Шифр группы». Назовем это поле полем связи.
Возможны два вида изменений, которые приведут к утере связей между записями в родительской и дочерней таблицах:
· изменение значения поля связи в записи родительской таблицы без изменения значений полей связи в соответствующих записях дочерней таблицы;
· изменение значения поля связи в одной из записей дочерней таблицы без соответствующего изменения значения полей связи в родительской и дочерней таблицах.
Чтобы предотвратить потерю ссылочной целостности, используется механизм каскадных изменений. Он состоит в обеспечении следующих требований:
· необходимо запретить изменение поля связи в записи дочерней таблицы без синхронного изменения полей связи в родительской таблице;
· при изменении поля связи в записи родительской таблице, следует синхронно изменить значения полей связи в соответствующих записях дочерней таблицы;
· при удалении записи в родительской таблице, следует удалить соответствующие записи в дочерней таблице.
Необходимость разрешения или запрещения каскадных изменений обычно реализуется в СУБД при определении связей между таблицами. Собственно, таким образом, и происходит создание ссылочной целостности.
Понятие внешнего ключа
Для обеспечения ссылочной целостности в дочерней таблице создается внешний ключ. Во внешний ключ входят поля связи дочерней таблицы. Для связей типа «один-ко-многим» внешний ключ по составу полей должен совпадать с первичным ключом родительской таблицы.
Индексы и методы доступа
Индексы представляют собой механизмы быстрого доступа к данным в таблицах БД.
Сущность индексов состоит в том, что они хранят значения индексных поле (т.е. полей, по которым построен индекс) и указатель на запись в таблице.
При последовательном методе доступа для выполнения запроса к таблице БД просматриваются все записи таблицы, от первой до последней.
При индексно-последовательном методе доступа для выполнения запроса к таблице БД указатель в индексе устанавливается на первую строку, удовлетворяющую условию запроса (или его части), и считывается запись из таблицы по хранящемуся на нее в индексе указателю.
Определение первичных и внешних ключей таблиц БД приводят к созданию индексов по полям, объявленным в составе первичных или внешних ключей.
Нормализация таблиц при проектировании БД
На этом этапе процесс проектирования структур БД является процессом творческим, неоднозначным, с другой стороны, узловые его моменты могут быть формализованы.
Одной из таких формализаций является требование, согласно которому реляционная база данных должна быть нормализована. Процесс нормализации имеет своей целью устранение избыточности данных и заключается в приведении к третьей нормальной форме (3НФ).
Первая нормальная форма (1НФ) требует, чтобы каждое поле таблицы БД:
· не содержало повторяющихся групп.
Неделимость поля означает, что значение поля не должно делиться на более мелкие значения. Например, если в поле «Подразделение» содержится название факультета и название кафедры, требование неделимости не соблюдается и необходимо из данного поля выделить или название факультета, или кафедры в отдельное поле.
Повторяющимися являются поля, содержащие одинаковые по смыслу значения. Например, если требуется получить статистику сдачи экзаменов по предметам, можно создать поля для хранения данных об оценке по каждому предмету. Однако в этом случае мы имеем дело с повторяющимися группами.
Вторая нормальная форма (2НФ) требует, чтобы все поля таблицы зависели от первичного ключа, то есть, чтобы первичный ключ однозначно определял запись и не был избыточен. Те поля, которые зависят только от части первичного ключа, должны быть выделены в составе отдельных таблиц.
Третья нормальная форма (ЗНФ) требует, чтобы значение любого поля таблицы, не входящего в первичный ключ, не зависело от значения другого поля, не входящего в первичный ключ.
Пример логической модели базы данных «Сессия»
Взаимные блокировки и внешние ключи в SQL Server
Введение
В реляционных базах данных внешние ключи (foreign key) используются для обеспечения целостности связей между таблицами. Простыми словами, внешний ключ — это столбец (или несколько столбцов), ссылающийся на первичный ключ другой таблицы. Таблица с внешним ключом называется дочерней, а с первичным — родительской. При вставке строки в дочернюю таблицу проверяется наличие значения внешнего ключа в родительской таблице. Эти дополнительные операции иногда могут вызывать проблемы с блокировками и приводить к взаимоблокировкам. В этой статье мы изучим, почему это происходит, и как решать подобные проблемы.
Будем использовать две таблицы: Department (Отдел) и Employee (Сотрудник). Столбец DepId в таблице Employee определен как внешний ключ, поэтому значения этого столбца будут проверяться на наличие соответствующих значений в столбце DepartmentId таблицы Department.
Что происходит за кулисами INSERT
Исследуем, какие операции выполняются при вставке данных в дочернюю таблицу (Employee).
Сначала вставим строку в родительскую таблицу (Department).
Перед выполнением следующего запроса включим отображение фактического плана выполнения и вставим строку в таблицу Employee (дочернюю).
Clustered Index Insert вставляет данные в кластерный индекс, а также обновляет некластерные индексы. Если внимательно посмотреть на этот оператор, то можно заметить, что для него не указано имя объекта. Причина этого как раз в том, что при вставке данных в кластерный индекс таблицы Employee, эти данные одновременно добавляются в некластерный индекс. Эти два индекса можно увидеть во всплывающей подсказке оператора Clustered Index Insert.
Clustered Index Seek проверяет существование значения внешнего ключа в родительской таблице.
Nested Loops сравнивает вставленные значения внешних ключей со значениями, возвращаемые оператором Clustered Index Seek. В результате этого сравнения на выходе получается результат, который указывает, существует значение в родительской таблице или нет.
Assert оценивает результат оператора Nested Loops. Если Nested Loops возвращает NULL, то результат Assert будет ноль, и запрос вернет ошибку. В противном случае операция INSERT выполнится успешно.
Взаимные блокировки
При вставке данных в столбец с внешним ключом выполняются дополнительные операции по проверке существования данных в родительской таблице. В некоторых случаях, например, при массовой вставке, эта проверка может привести к взаимоблокировкам, когда несколько транзакций пытаются обратиться к одним и тем же данным. Попробуем смоделировать эту ситуацию. Сначала вставим данные в таблицу Department.
После этого создадим глобальную временную таблицу, которая поможет со вставкой строк в Employee.
Следующие запросы выполним в разных сессиях. Сначала «Часть 1» первого запроса:
И первую часть второго запроса:
А теперь — вторые части запросов.
В результате возникла взаимная блокировка.
Давайте проанализируем, что произошло:
Первая часть Запроса-1 открывает транзакцию и вставляет строку в таблицу Department. Страница данных Department блокируется монопольной блокировкой намерения (IX, intent exclusive lock), а вставленная строка — монопольной блокировкой (X, exclusive lock).
Первая часть Запроса-2 также открывает транзакцию и вставляет строку в Department. Страница данных таблицы Department блокируется монопольной блокировкой намерения (IX), а вставленная строка — монопольной блокировкой (X). На данный момент проблем с блокировками нет.
Вторая часть Запроса-1, он начинает сканировать первичные ключи таблицы Department для проверки ссылочной целостности вставленных строк. Однако одна из строк заблокирована монопольной блокировкой в Запросе-2. В этом случае Запрос-1 должен дождаться завершения Запроса-2.
Запрос-2 блокируется при попытке прочитать строки, вставленные в Department в Запросе-1. У нас получилась взаимная блокировка.
Приведенный ниже граф взаимных блокировок иллюстрирует то, о чем мы говорили. Сессия 71 (Запрос-1) получил монопольную блокировку (X) для строк таблицы Employee и хочет получить разделяемую блокировку (S) для строк таблицы Department. В это же время сессия 51 получила эксклюзивную блокировку (X) для строк таблицы Department и хочет получить монопольную блокировку (X) для строк таблицы Employee. В результате между этими двумя сессиями возникает борьба за ресурсы, и SQL Server завершает одну из сессий.
Устранение взаимных блокировок
Мы с вами увидели, что при массовых INSERT проверка целостности внешнего ключа вызывает проблему с блокировками. На самом деле эта проблема связана с методом доступа к данным родительской таблицы. Взглянув на план выполнения второй части запросов, мы увидим оператор Merge Join.
Соединение Merge Join является самым эффективным, но требует предварительной сортировки входных данных. В нашем случае при сканировании родительской таблицы Merge Join сталкивается с заблокированной строкой, и не может продолжить сканирование, пока блокировка не будет снята.
Мы можем изменить метод доступа к данным с помощью OPTION (LOOP JOIN). При использовании хинта LOOP JOIN, оптимизатор запросов SQL Server сгенерирует другой план выполнения и заменит оператор Merge Join оператором Nested Loops, а оператор Clustered Index Scan будет заменен оператором Clustered Index Seek. С помощью Clustered Index Seek доступ к данным родительской таблицы осуществляется напрямую, поэтому не требуется ждать заблокированных строк. С другой стороны, оператор Nested Loops выполняет построчное чтение, а Merge Join — одно последовательное чтение. Эти два изменения метода доступа к данным снижают вероятность блокировки запроса из-за наличия других блокировок.
Row Count Spool используется для подсчета количества строк, возвращаемых оператором Clustered Index Seek, и передачи этой информации в оператор Nested Loops. Этот оператор используется оптимизатором запросов SQL Server для проверки существования строк, но не содержащихся в них данных.
Заключение
В этой статье мы узнали, как внешние ключи влияют на план запроса INSERT и добавляют некоторые операции в процесс его выполнения. Также мы увидели, что в некоторых ситуациях внешние ключи могут приводить к взаимным блокировкам. Для устранения проблем с блокировками можно использовать хинт LOOP JOIN.
Материал подготовлен в рамках курса «MS SQL Server Developer». Всех желающих приглашаем на открытый урок «SQL Server и Docker». На открытом уроке мы поговорим о контейнерах, а также рассмотрим развертывание SQL Server в контейнерах.
Что такое внешний ключ в базе данных
Базы данных могут содержать таблицы, которые связаны между собой различными связями. Связь (relationship) представляет ассоциацию между сущностями разных типов.
При выделении связи выделяют главную или родительскую таблицу (primary key table / master table) и зависимую, дочернюю таблицу (foreign key table / child table). Дочерняя таблица зависит от родительской.
Для организации связи используются внешние ключи. Внешний ключ представляет один или несколько столбцов из одной таблицы, который одновременно является потенциальным ключом из другой таблицы. Внешний ключ необязательно должен соответствовать первичному ключу из главной таблицы. Хотя, как правило, внешний ключ из зависимой таблицы указывает на первичный ключ из главной таблицы.
Связи между таблицами бывают следующих типов:
Один к одному (One to one)
Один к многим (One to many)
Многие ко многим (Many to many)
Связь один к одному
Нередко этот тип связей предполагает разбиение одной большой таблицы на несколько маленьких. Основная родительская таблица в этом случае продолжает содержать часто используемые данные, а дочерняя зависимая таблица обычно хранит данные, которые используются реже.
В этом отношении первичный ключ зависимой таблицы в то же время является внешним ключом, который ссылается на первичный ключ из главной таблицы.
Например, таблица Users представляет пользователей и имеет следующие столбцы:
UserId (идентификатор, первичный ключ)
Name (имя пользователя)
И таблица Blogs представляет блоги пользователей и имеет следующие столбцы:
BlogId (идентификатор, первичный и внешний ключ)
Name (название блога)
В этом случае столбец BlogId будет хранить значение из столбца UserId из таблицы пользователей. То есть столбец BlogId будет выступать одновременно первичным и внешним ключом.
Связь один ко многим
К примеру, пусть будет таблица Articles, которая представляет статьи блога и которая имеет следующие столбцы:
ArticleId (идентификатор, первичный ключ)
BlogId (внешний ключ)
Title (название статьи)
В этом случае столбец BlogId из таблицы статей будет хранить значение из столбца BlogId из таблицы блогов.
Связь многие ко многим
Но в SQL Server на уровне базы данных мы не можем установить прямую связь многие ко многим между двумя таблицами. Это делается посредством вспомогательной промежуточной таблицы. Иногда данные из этой промежуточной таблицы представляют отдельную сущность.
Например, в случае со статьями и тегами пусть будет таблица Tags, которая имеет два столбца:
TagId (идентификатор, первичный ключ)
Также пусть будет промежуточная таблица ArticleTags со следующими полями:
TagId (идентификатор, первичный и внешний ключ)
ArticleIdId (идентификатор, первичный и внешний ключ)
Технически мы получим две связи один-ко-многим. Столбец TagId из таблицы ArticleTags будет ссылаться на столбец TagId из таблицы Tags. А столбец ArticleId из таблицы ArticleTags будет ссылаться на столбец ArticleId из таблицы Articles. То есть столбцы TagId и ArticleId в таблице ArticleTags представляют составной первичный ключ и одновременно являются внешними ключами для связи с таблицами Articles и Tags.
Ссылочная целостность данных
При изменении первичных и внешних ключей следует соблюдать такой аспект как ссылочная целостность данных (referential integrity). Ее основная идея состоит в том, чтобы две таблице в базе данных, которые хранят одни и те же данные, поддерживали их согласованность. Целостность данных представляет правильно выстроенные отношения между таблицами с корректной установкой ссылок между ними. В каких случаях целостность данных может нарушаться:
Аномалия удаления (deletion anomaly). Возникает при удалении строки из главной таблицы. В этом случае внешний ключ из зависимой таблицы продолжает ссылаться на удаленную строку из главной таблицы
Аномалия вставки (insertion anomaly). Возникает при вставке строки в зависимую таблицу. В этом случае внешний ключ из зависимой таблицы не соответствует первичному ключу ни одной из строк из главной таблицы.
Аномалии обновления (update anomaly). При подобной аномалии несколько строк одной таблицы могут содержать данные, которые принадлежат одному и тому же объекту. При изменении данных в одной строке они могу прийти в противоречие с данными из другой строки.
Аномалия удаления
Для решения аномалии удаления для внешнего ключа следует устанавливать одно из двух ограничений:
Если строка из зависимой таблицы обязательно требует наличия строки из главной таблицы, то для внешнего ключа устанавливается каскадное удаление. То есть при удалении строки из главной таблицы происходит удаление связанной строки (строк) из зависимой таблицы.
Если строка из зависимой таблицы допускает отсутствие связи со строкой из главной таблицы (то есть такая связь необязательна), то для внешнего ключа при удалении связанной строки из главной таблицы задается установка значения NULL. При этом столбец внешнего ключа должен допускать значение NULL.
Аномалия вставки
Для решения аномалии вставки при добавлении в зависимую таблицу данных столбец, который представляет внешний ключ, должен допускать значение NULL. И таким образом, если добавляемый объект не имеет связи с главной таблицей, то в столбце внешнего ключа будет стоять значение NULL.
Аномалии обновления
Для решения проблемы аномалии обновления применяется нормализация, которая будет рассмотрена далее.