Database

KỸ THUẬT PHẦN MỀM
Chương III: DATABASE
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
Khoa Điện tử Viễn Thông – Bộ môn Điện tử Tin học
Nội dung
3.1 Giới thiệu
3.2 Mô hình CSDL quan hệ
3.3 Chuẩn hóa
3.4 Thiết kế CSDL
3.1_ Giới thiệu
3.1.1. Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu
a. Cơ sở dữ liệu (CSDL) là gì?
b. Ưu điểm của CSDL
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
3.1.3. Sơ bộ lịch sử phát triển
3.1.4. Các loại mô hình dữ liệu cơ bản
a. Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
c. Mô hình mạng (Network Data Model)
3.1.5. Tính độc lập dữ liệu
3.1.6. Kết luận
3.1.1. Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu
a. Cơ sở dữ liệu (CSDL) là gì?
Đặc điểm của CSDL (DataBase)
Là tập hợp dữ liệu liên quan được lưu trên các bộ nhớ ngoài (đĩa từ, trống từ...).
Có một tập các chương trình ứng dụng được chạy với các dữ liệu này và thậm chí dùng để truyền đi xa.
CSDL là một tổ hợp: đó là một tập hợp nhiều loại dữ liệu cho nhiều người dùng với nhiều mục đích khác nhau.
Định nghĩa CSDL
CSDL là một tập hợp các dữ liệu được lưu trữ để phục vụ các hệ thống ứng dụng.
Hệ quản trị CSDL (DBMS-DataBase Management System)
Phần chương trình để có thể xử lý, thay đổi tập hợp các dữ liệu này
Như một bộ diễn dịch (Interpreter) với ngôn ngữ bậc cao
3.1.1. Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu
b. Ưu điểm của CSDL
Tại sao ngươi ta cần lưu trữ dữ liệu trong một tổ hợp như CSDL?
CSDL cung cấp một sự điều khiển tập trung đối với các dữ liệu trong CSDL.
Các phần tử trong hệ thống CSDL
3.1.1. Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu
b. Ưu điểm của CSDL ...(tiếp)
Những ưu điểm của sự điều khiển tập trung
Giảm sự dư thừa dữ liệu cần lưu trữ.
Có thể tránh được những xung đột về dữ liệu được lưu trữ.
Có thể dùng chung dữ liệu đã được lưu trữ .
Có thể chuẩn hoá dữ liệu giúp đơn giản hoá các vấn đề về bảo hành và trao đổi dữ liệu giữa các lần cài đặt.
Có thể áp dụng các phương pháp bảo mật với dữ liệu.
Duy trì được sự thống nhất dữ liệu để đảm bảo CSDL chỉ chứa dữ liệu chính xác.
Có thể cân đối được các đòi hỏi xung đột nhau.
Dữ liệu là độc lập, độc lập với cấu trúc bộ nhớ, với phương pháp lưu trữ và tiếp cận thông tin.
Đảm bảo quy tắc toàn vẹn dữ liệu.
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
Mô hình dữ liệu
(Data Model)
Mô hình khái niệm
(Conceptual model)
Lược đồ trong
(Internal schema)
(Storage structure definition)
Lược đồ khái niệm
Hệ quản trị
Cơ sở dữ liệu
(DBMS)
Dấu * biểu thị sự liên hệ với
người sử dụng
Người quản trị hệ thống CSDL
(Database Administrator) Xây dựng và
Bảo trì các lược đồ và các ánh xạ.
Ngôn ngữ
Không gian làm việc
Ngôn ngữ
Không gian làm việc
Ngôn ngữ
Không gian làm việc
Ngôn ngữ
Không gian làm việc
Ngôn ngữ
Không gian làm việc
ánh xạ giữa
mô hình khái niệm và mô hình trong
ánh xạ giữa
mô hình ngoài B và mô hình khái niệm
ánh xạ giữa
mô hình ngoài A và
mô hình khái niệm
Hình 3.1
B1
A2
A1
B3
B2
* Lu?c d? ngo�i (External Schema)
Mô hình ngoài B (Khung nhìn B) (External Model B)
Mô hình ngoài A
(Khung nhìn A) (External Model A)
Người sử dụng
Theo mặt cắt dọc
a) Các mức của kiến trúc
Mức ngoài (hay còn gọi là khung nhìn)
Mức ngoài liên quan đến cách nhìn, quan niệm của từng người sử dụng CSDL vì vậy còn gọi là "khung nhìn".
Có nhiều "cách nhìn ở mức ngoài" khác nhau. Mỗi cách nhìn (mỗi khung nhìn) bao gồm sự biểu diễn trừu tượng của một phần nào đó của CSDL.
Hầu hết các người sử dụng không quan tâm đến tổng thể toàn bộ CSDL mà chỉ quan tâm đến một phần riêng biệt nào đó của CSDL.
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
a) Các mức của kiến trúc...(tiếp)
Mức khái niệm
Mức khái niệm cho phép ta định nghĩa một cách nhìn thống nhất cho người sử dụng.
"Cách nhìn ở mức khái niệm" bao gồm sự biểu diễn trừu tượng của tổng thể toàn bộ CSDL.
Thực chất đây là mức logic của toàn bộ CSDL
Mức trong (còn gọi là mức vật lý)
Mức trong rất gần với cách lưu trữ trong bộ nhớ máy tính.
CSDL vật lý (CSDL ở mức vật lý) là các tệp dữ liệu theo một cấu trúc nào đó được lưu trên các thiết bị nhớ ngoài.
Liên hệ với cấu trúc lưu trữ ngoài

3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
b) Các khái niệm
Khái niệm "thể hiện" (instance)
Một khi CSDL đã được thiết kế, thường người ta chỉ quan tâm đến "Bộ khung" hay còn gọi là "mẫu" của CSDL.
Dữ liệu hiện có trong CSDL gọi là "thể hiện" của CSDL.
Mặc dù dữ liệu có thể thay đổi trong một chu kỳ thời gian nào đó nhưng "bộ khung" của CSDL vẫn không thay đổi.
Khái niệm "lược đồ" (schema)
Khái niệm "bộ khung" nêu ở phần trước bao gồm một số danh mục hoặc chỉ tiêu hoặc một số kiểu của các thực thể trong CSDL.
Giữa các thực thể có thể có những mối quan hệ nào đó với nhau vì vậy người ta thường dùng thuật ngữ "lược đồ" thay cho "bộ khung".
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
b) Các khái niệm ...(tiếp)
Khái niệm "lược đồ" (schema)
Các loại lược đồ
Lược đồ khái niệm là bộ khung của CSDL khái niệm (gọi tắt của CSDL ở mức khái niệm).
Lược đồ khái niệm là sự biểu diễn thế giới thực bằng một loạt ngôn ngữ phù hợp.
Hệ QTCSDL cung cấp ngôn ngữ định nghĩa dữ liệu (DDL - Data Definition Language) để xác định lược đồ khái niệm.
DDL là một ngôn ngữ bậc cao, có khả năng mô tả lược đồ khái niệm bằng cách biểu diễn của mô hình dữ liệu.
Lược đồ vật lý (hay lược đồ trong) dùng cho bộ khung của CSDL ở mức vật lý.
Lược đồ con (Subschema) được gọi thay cho khung nhìn.
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
Theo mặt cắt ngang
Các thao tác với bộ khung (Schema operations)
Phần xử lý truy vấn
(Query Processor)
Phần quản lý lưu trữ
(Data Management)
Phần quản lý giao dịch
(Transaction Management)
Dữ liệu,
Siêu dữ liệu
(Data, Meta-data)
Các truy vấn
(Query)
Các thao tác với dữ liệu (Data operations)
Một số khái niệm:
Transaction
DML (Data Manipulation Language
DDL (Data Definition Language)
Query language
Data, Meta-data
3.1.2. Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu
Theo người sử dụng
Người dùng cuối
Người lập trình CSDL
Người thiết kế CSDL
Người quản trị CSDL
3.1.3. Sơ bộ lịch sử phát triển
Trước đây:
Những năm 1960: dữ liệu lưu trữ dưới dạng các tệp
CSDL Phân cấp (Hierarchical Model)
CSDL Mạng (Network Model)
Gần đây và hiện nay:
1970, E.F. Codd: CSDL Quan hệ (Relational Model)
Phát triển thao xu hướng chuyên môn hoá
Tập trung vào các hệ thống nhỏ (PCs...)
Tập trung vào các hệ thống lớn (làm việc với lượng dữ liệu khổng lồ)
Tương lai gần:
Thêm mô hình hướng đối tượng (OO-Model)
Tăng khả năng phát triển các ràng buộc (constraints) và các kích hoạt (triggers)
Lưu trữ thành các tổ hợp dữ liệu: multimedia
Kho dữ liệu (Data Warehousing) – Khai thác dữ liệu (Data mining)
3.1.3. Sơ bộ lịch sử phát triển
Một số ví dụ về hệ quản trị CSDL
Btrieve: dữ liệu lưu trữ dưới dạng các tệp
Dạng giống COBOL: dạng mô hình mạng
Fox Pro
MS Access
MS SQL, Informix, Oracle, DB4, ...
Những CSDL mô hình hướng đối tượng dùng kết hợp với SmallTalk, C++, Java
Các mô hình CSDL ứng dụng trên mạng WWW: multimedia
Các khái niệm
Mô hình dữ liệu
Sự hình thức hóa toán học với tập hợp các ký hiệu để mô tả và tập các phép toán được dùng để thao tác đối với các dữ liệu
Một số mô hình dữ liệu cơ bản sẽ giới thiệu
Mô hình quan hệ (Relational Model):
Mô hình này dựa trên cơ sở khái niệm lý thuyết tập hợp của các quan hệ, tức là tập các k-bộ với k cố định.
Mô hình phân cấp (Hierarchical Model):
Mô hình dữ liệu là một cây, trong đó các nút biểu diễn biểu diễn các tập thực thể, các nút con và nút cha được liên hệ theo một mối quan hệ xác định.
Mô hình mạng (Network Model):
Mô hình được biểu diễn là một đồ thị có hướng.
Ngôn ngữ con dữ liệu
Tập các phép toán được cung cấp để thao tác dữ liệu
3.1.4. Các loại mô hình dữ liệu cơ bản
Hình 3.2 Dữ liệu mẫu trong dạng quan hệ.
a. Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
Supplier - Hãng cung cấp
Part - Mặt hàng
Shipment – Gửi hàng
Nhận xét qua ví dụ:
Tóm tắt sự tương ứng giữa các khái niệm
a. Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
Mỗi bảng trong ba bảng trên giống như một tệp tuần tự truyền thống (Sequential File)
Tuy nhiên có các sự khác biệt đáng kể giữa các bảng này và các tệp tuần tự truyền thống
Mỗi bảng là một trường hợp riêng của cấu trúc được biết đến trong toán học - đó là "quan hệ"
Miền (Domain)
Miền là một tập các giá trị mà từ đó các giá trị thực sự sẽ xuất hiện trên các cột của bảng
Bản thân miền có thể không được ghi nhận một cách tường minh như là một tập các giá trị thực sự trong cơ sở dữ liệu nhưng nó được định nghĩa trong lược đồ khái niệm và có tên riêng của mình
Ví dụ:
Một đặc điểm nổi bật của cấu trúc dữ liệu quan hệ là các mối kết nối giữa các bộ (các hàng) được biểu thị chặt chẽ bởi các giá trị dữ liệu trong các cột được rút ra từ một miền chung
Ví dụ:
a. Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
Bảng là dạng thống nhất
Thực tế, tất cả các thông tin trong cơ sở dữ liệu - các thực thể (entities) và các mối kết nối (associations) - được biểu diễn trong một dạng thống nhất được gọi là bảng
Như sẽ thấy sau này, đặc tính này không có trong cấu trúc phân cấp và cấu trúc mạng.
Qua quan sát, nhận thấy cấu trúc quan hệ rất đơn giản, dễ hiểu.
a.Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
Mô hình quan hệ có sự thống nhất trong tập các phép toán
Theo quan điểm của người sử dụng, ngôn ngữ con dữ liệu - tập các phép toán được cung cấp để thao tác dữ liệu trong dạng quan hệ - là rất quan trọng
Ngoài ra, có thể nhận thấy: sự thống nhất trong cách biểu diễn dữ liệu dẫn đến sự thống nhất tương ứng trong tập các phép toán
Điều này đối nghịch với các cấu trúc phức tạp khác (như cấu trúc phân cấp, cấu trúc mạng) mà ở đó thông tin có thể được biểu diễn trong một vài cách khác nhau và do đó cần đến một số tập các phép toán
Để hiểu hơn về vấn đề này, sau đây chúng ta sẽ xét giải thuật cho hai câu hỏi đối xứng nhau (Hình 3.1.3 tiếp theo)
a.Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
Mô hình quan hệ có sự thống nhất trong tập các phép toán ...(tiếp)
Hình 3.1.3 : Hai giải thuật đối xứng nhau cho hai câu hỏi đối xứng
a.Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
Không có dị thường xảy ra đối với thao tác lưu trữ cơ bản
Phép chèn (INSERT):

Phép xoá (DELETE):

Phép thay đổi (UPDATE):

a.Mô hình quan hệ (Relational Data Model)
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Supplier - Hãng cung cấp
Part - Mặt hàng
Ví dụ: Dữ liệu mẫu trong mô hình phân cấp
Theo mô hình
quan hệ có:
Shipment – Gửi hàng
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Hình 3.4. Mô hình dữ liệu mẫu trong dạng phân cấp
Nhận xét qua ví dụ:
Trong mô hình phân cấp, các thực thể quan hệ với nhau thông qua cấu trúc cây, tất cả tạo nên một rừng cây
Người sử dụng thấy bốn cây tách biệt nhau, hay còn gọi là bốn thể hiện phân cấp, mỗi cây thể hiện cho một mặt hàng
Mỗi cây thể hiện một bản ghi về đơn đặt hàng gồm dữ liệu mặt hàng, kèm theo dữ liệu nhà cung cấp và số lượng
Kiểu dữ liệu của thực thể đóng vai trò như một gốc (root)
Để xác định chính xác các cây (gốc, chiều đi...) thi cần phải có một bản thiết kế tổng thể về dữ liệu của các thực thể, các mối liên kết
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Trong mô hình phân cấp, các thực thể và các mối kết nối không được biểu diễn trong một dạng thống nhất
Trong mô hình quan hệ tương ứng đã xét ở trên, chúng ta có ba tệp dữ liệu đơn giản
Tương tự như vậy, ta có thể đặt mô hình phân cấp của Hình 3.1.4 tương ứng với một tệp dữ liệu chứa các bản ghi được sắp xếp thành bốn cây riêng biệt
Tuy nhiên cần lưu ý là tệp như vậy có cấu trúc phức tạp các bảng ở mô hình quan hệ rất nhiều.
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Ngôn ngữ con dữ liệu phức tạp hơn so với ngôn ngữ con dữ liệu của mô hình quan hệ
Trong cách nhìn phân cấp của dữ liệu, bất kỳ bản ghi phụ thuộc đã cho nào cũng chỉ mang ý nghĩa đầy đủ khi nó được xét trong một ngữ nghĩa nào đó
Không một thể hiện bản ghi phụ thuộc nào có thể tồn tại mà không có thể hiện dẫn trước nó
Do đó trong ngôn ngữ con dữ liệu, cần phải bao gồm thêm một toán hạng để biểu thị ý nghĩa này
Chúng ta sẽ hiểu rõ hơn điều này khi xét hai câu hỏi đối xứng nhau cho mô hình phân cấp như đã xét cho mô hình quan hệ (Hình 3.1.5).
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Hình 3.5. Hai câu hỏi mẫu đối với mô hình phân cấp.
Hai giải thuật khác nhau cho hai câu hỏi đối xứng
Mặc dù hai câu hỏi gốc là đối xứng nhưng hai giải thuật tương ứng trên Hình 3.1.5 thì không đối xứng (ngược lại với mô hình quan hệ).
Đây là nhược điểm chủ yếu của cách tiếp cận phân cấp vì nó dẫn đến sự phức tạp không cần thiết cho người sử dụng
Điều này có nghĩa là các chương trình sẽ trở nên phức tạp hơn sự thực cần thiết và hậu quả là việc viết chương trình, gỡ rối và bảo trì sẽ đòi hỏi ở người lập trình nhiều thời gian hơn cần thiết.
b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Tồn tại các dị thường đối với các thao tác lưu trữ cơ bản
Phép chèn:

Phép xoá:

Phép thay đổi:

b. Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)
Hình 3.6 Dữ liệu mẫu trong mô hình mạng
c. Mô hình mạng (Network Data Model)
300
Nhận xét qua ví dụ:
Cũng như trong mô hình phân cấp, dữ liệu được biểu hiện thông qua các bản ghi (record) và các mối kết nối (link)
Ngoài các kiểu bản ghi biểu diễn nhà cung cấp và các mặt hàng, còn có kiểu bản ghi thứ ba: các kết nối (link or connector)
Tất cả các thể hiện kết hợp đối với một hãng cung cấp đều đặt trong một chuỗi mà điểm bắt đầu và kết thúc chuỗi đều ở tại đó
Tương tự, tất cả các thể hiện kết hợp đối với một mặt hàng đã cho đều đặt trong một chuỗi được bắt đầu và kết thúc tại chính nó
Như vậy, mỗi mối kết hợp được xuất hiện trên đúng hai chuỗi:
một chuỗi hãng cung cấp và
một chuỗi mặt hàng
Cấu trúc bên trong của tệp cho mô hình mạng phức tạp hơn cho mô hình phân cấp
c. Mô hình mạng (Network Data Model)
c. Mô hình mạng (Network Data Model)
Mô hình mạng (Hình 3.6) đối xứng hơn mô hình phân cấp (Hình 3.4), tuy nhiên, các thủ tục này phức tạp hơn so với cả 2 mô hình quan hệ và mô hình phân cấp
Không có các dị thường xảy ra đối với các thao tác lưu trữ cơ bản:
Phép Chèn (Insert):

Phép xoá (Delete):

Phép thay đổi (Update)
c. Mô hình mạng (Network Data Model)
Nhược điểm chính của mô hình mạng là sự phức tạp, phức tạp từ cấu trúc của chính mô hình đến ngôn ngữ con dữ liệu có liên quan đến nó
Nguồn gốc của sự phức tạp này nằm ở khối lượng thông tin về cấu trúc của mô hình dữ liệu này
Thông tin phải bao gồm hai phần:
bản ghi
mối liên kết
Các cấu trúc dữ liệu này rất gần với cấu trúc bộ nhớ
c. Mô hình mạng (Network Data Model)
Tầm quan trọng
Tính độc lập dữ liệu là mục tiêu chủ yếu của các CSDL
J. Date định nghĩa:
Tính độc lập dữ liệu là "tính bất biến của các hệ ứng dụng đối với các thay đổi trong cấu trúc lưu trữ và chiến lược truy cập"
Phân loại mức độ độc lập
Theo sơ đồ kiến trúc của hệ thống CSDL
(Hình 3.1.1) cho thấy có hai mức "độc lập dữ liệu":
Độc lập dữ liệu ở mức logic
Độc lập dữ liệu ở mức vật lý
3.1.5. Tính độc lập dữ liệu
Độc lập dữ liệu ở mức logic
Vấn đề đặt ra:
Có thể cần thiết phải thay đổi lược đồ khái niệm như thêm thông tin các loại khác nhau của các thực thể hoặc bớt, xoá các thông tin về các thực thể đang tồn tại trong CSDL
Độc lập dữ liệu ở mức logic
Việc thay đổi lược đồ khái niệm không làm ảnh hưởng tới các lược đồ con đang tồn tại, do đó không cần thiết phải thay đổi các chương trình ứng dụng => độc lập dữ liệu mức logic
3.1.5. Tính độc lập dữ liệu
Độc lập dữ liệu ở mức vật lý
Vấn đề đặt ra:
Lược đồ vật lý có thể thay đổi do người quản trị CSDL mà không cần thay đổi lược đồ con
Độc lập dữ liệu ở mức vật lý
Việc tổ chức lại CSDL vật lý (thay đổi các tổ chức, cấu trúc dữ liệu trên các thiết bị nhớ thứ cấp) có thể làm thay đổi hiệu quả tính toán của các chương trình ứng dụng nhưng không đòi hỏi phải viết lại các chương trình đó => độc lập dữ liệu mức vật lý
3.1.5. Tính độc lập dữ liệu
Qua các ví dụ trên => một hệ CSDL phải có khả năng biểu diễn hai dạng đối tượng:
Các "thực thể" ("entities") và
Các kết nối ("associations")
Không có sự khác biệt thực sự giữa hai loại đối tượng trên:
Một kết nối chỉ đơn thuần là một dạng riêng của thực thể
3.1.6. Kết luận
Sự khác nhau giữa ba loại mô hình đã xét (mô hình quan hệ, mô hình phân cấp, mô hình mạng):
Thể hiện ở cách thức cho phép người sử dụng quan sát và thao tác các kết nối.
Mô hình quan hệ có nhiều ưu điểm và được nhiều người quan tâm hơn cả vì:
Mô hình dữ liệu quan hệ có tính độc lập dữ liệu cao
Mô hình dữ liệu quan hệ dễ sử dụng
Điều quan trọng hơn cả, mô hình quan hệ được hình thức hoá toán học tốt, do đó được nghiên cứu phát triển và cho được nhiều kết quả lý thuyết cũng như ứng dụng trong thực tiễn
3.1.6. Kết luận