Bài giảng Hệ quản trị Cơ sở dữ liệu - Chương II: Mô hình quan hệ - Nguyễn Nhật Minh

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH QUAN HỆ Mô hình quan hệ được Ted Codd đưa ra đầu tiên vào năm 1970 và gây được chú ý ngay tức khắc vì tính đơn giản và các cơ sở toán học của nó. Mô hình quan hệ sử dụng khái niệm quan hệ toán học như là khối xây dựng cơ sở và có cơ sở lý thuyết của nó trong lý thuyết tập hợp và logic vị từ bậc nhất. Trong chương này chúng ta sẽ nghiên cứu các khái niệm cơ bản về mô hình quan hệ 2.1 CÁC KHÁI NIỆM CỦA MÔ HÌNH QUAN HỆ Mô hình quan hệ là một cách tổ chức dữ liệu ở dạng bảng hay các quan hệ gồm ba thành phần sau: • A. Cấu trúc dữ liệu: được tổ chức dưới dạng bảng hay quan hệ • B. Thao tác dữ liệu: Những phép toán mạnh (ngôn ngữ truy vần - SQL) để thực hiện các thao tác trên dữ liệu • C. Tích hợp dữ liệu: các qui tắc nghiệp vụ nhằm duy trì tính toàn vẹn dữ liệu khi chúng được thao tác. 2.1.1 Quan hệ, thuộc tính, miền • Quan hệ: là một bảng dữ liệu hai chiều. Mỗi quan hệ là tập hợp các cột mỗi cột được đặt duy nhất một cái tên và một số tuỳ ý các hàng không được đặt tên. Một quan hệ là sự mô tả một tập hợp các đối tượng trong thế giới thực ta gọi là thực thể. • Thuộc tính:, các đối tượng được mô tả trong quan hệ có chung những đặc trưng nào đó. Các cột trong quan hệ nhằm mô tả các đặc trưng hay thuộc tính của các thực thể, mỗi cột biểu thị một đặc trưng. • Nhóm lặp là một hay một số thuộc tính có giá trị khác nhau trên các hàng nhưng các giá trị ở các thuộc tính khác lại trùng nhau • Bản ghi: Mỗi hàng trong quan hệ chứa dữ liệu biểu thị thông tin của một đối tượng cụ thể, mỗi hàng của một quan hệ được gọi là một bộ (tube) hay cũng gọi là bản ghi (record). Ví dụ Quan hệ SINHVIÊN SINHVIÊN Họtên Mã số Ngàysinh Giớitính Lớp Môn Điểm Lê Văn Vân 4515202 12/09/84 Nữ 49 KTLN Toán 7 Phạm Thế Anh 4610503 15/05/85 Nam 51 QTKD Toán 7 Hoàng Thanh Tùng 4516802 21/03/84 Nam 50 Kế toán Tin 9 Phạm Thế Anh 4610503 15/05/85 Nam 51 QTKD CSDL 8 Đỗ Trần Cung 4521402 20/01/84 Nam 50 Kế toán Triết 8 • Lược đồ quan hệ: Khi thay đổi dữ liệu trong bảng thì các tính chất của quan hệ không thay đổi, khi ta loại bỏ tất cả các hàng dữ liệu ra khỏi bảng, khi đó chúng ta có một bộ khung của quan hệ, bộ khung này được gọi là lược đồ quan hệ. • Để mô tả một lược đồ quan hệ ta qui ước viết tên của quan hệ bằng chữ in hoa và sau đó là danh sách các thuộc tính trong dấu ngoặc đơn, các thuộc tính được viết bằng chữ thường và phân tách bởi dấu phẩy. • Ví dụ quan hệ SINHVIEN trên ta có lược đồ quan hệ SINHVIEN(Họtên, Mãsố, Ngàysinh, Giớitính, Lớp, Môn, Điểm) • Miền giá trị: Mỗi thuộc tính trong lược đồ quan hệ có thể nhận những giá trị dữ liệu trên một tập nào đó, tập đó gọi là miền giá trị (nói vắn tắt là miền trị) của thuộc tính. • Ví dụ: Trong quan hệ SINHVIEN thì thuộc tính Họtên là tập dẫy chữ cái có độ dài nhỏ hơn 25; Giớitính là tập hai giá trị “nam”, “nữ”; Điểm là tập hợp các số nguyên từ 0 đến 10. 2.1.2 Các đặc trưng của các quan hệ • A. Giá trị đưa vào mỗi cột là đơn nhất: Giá trị dữ liệu đưa vào một cột tương ứng với một hàng là đơn nhất thuộc miền trị của thuộc tính. • B. Các giá trị đưa vào một cột phải thuộc cùng một miền dữ liệu • Ví dụ các dữ liệu đưa vào cột điểm phải là các số nguyên từ 0 đến 10, không thể đưa vào các chữ như ”chín” hay ”bảy” • C. Mỗi dòng là duy nhất trong bảng • D. Thứ tự các cột là không quan trọng: Các cột có thể đổi chỗ cho nhau mà không làm thay đổi ý nghĩa của chúng, cột được xác định bằng tên chứ không phải bởi thứ tự của nó. • E. Thứ tự các hàng không quan trọng: Các hàng đưa vào bảng có thể có thứ tự tuỳ ý Ví dụ về bảng không phải là một quan hệ SINHVIÊN Họtên Mã số Ngàysinh Giớitính Lớp Môn Điểm Lê Văn Vân 4515202 12/09/84 Nữ 49 KTLN Toán 7 Hoàng Thanh Tùng 4516802 21/03/84 Nam 50 Kế toán Tin 9 Phạm Thế Anh 4610503 15/05/85 Nam 51 QTKD CSDL, 8, 7 Toán Đỗ Trần Cung 4521402 20/01/84 Nam 50 Kế toán Triết 8 2.2 KHÁI NIỆM VỀ CÁC DẠNG CHUẨN 2.2.1. Quan hệ có cấu trúc tốt • Một quan hệ có cấu trúc tốt là quan hệ có chứa số dư thừa dữ liệu ít nhất và cho phép người dùng thêm, xoá, hay sửa đổi những hàng trong bảng mà không gây ra lỗi hoặc sự không nhất quán. Một quan hệ không có cấu trúc tốt: SINHVIÊN Họtên Mã số Ngàysinh Giớitính Lớp Môn Điểm Lê Văn Vân 4515202 12/09/84 Nữ 49 KTLN Toán 7 Phạm Thế Anh 4610503 15/05/85 Nam 51 QTKD Toán 7 Hoàng Thanh Tùng 4516802 21/03/84 Nam 50 Kế toán Tin 9 Phạm Thế Anh 4610503 15/05/85 Nam 51 QTKD CSDL 8 Đỗ Trần Cung 4521402 20/01/84 Nam 50 Kế toán Triết 8 2.2.2. Khái niệm về các dạng chuẩn • Một dạng chuẩn của một quan hệ là một trạng thái của nó có thể xác định được nhờ một số qui tắc nhất định. Các qui tắc này liên quan đến việc kiểm tra sự phụ thuộc giữa các thuộc tính trong một quan hệ. Sự tồn tại một số quan hệ phụ thuộc đặc biệt là nguyên nhân gây ra các dị thường. Chuẩn hoá là việc đưa các lược đồ quan hệ về các dạng chuẩn có cấu trúc tốt để tránh các dị thường. Người ta đã xác định được một số các dạng chuẩn mà chúng ta sẽ xem xét sau đây. Trước hết ta cần một số khái niệm liên quan. a. Phụ thuộc hàm • Cho quan hệ R và hai tập con khác nhau A và B của tập thuộc tính. Ta nói rằng tập thuộc tính B phụ thuộc hàm vào tập thuộc tính A hay A xác đinh B nếu với mỗi hàng của quan hệ R các giá trị của A xác định duy nhất các giá trị của B và được ký hiệu A  B. Ta có thể định nghĩa sự phụ thuộc hàm một cách hình thức như sau: • Nếu X là tập con của tập thuộc tính, ta ký hiệu ti[X] là các giá trị ở hàng ti trên tập thuộc tính X, khi đó A  B nếu t1 và t2 là hai hàng bất kỳ của R mà có t1[A]=t2[A] kéo theo t1[B]=t2[B] Hệ tiên đề Armstrong (Tham khảo) Gọi R(U) là lược đồ quan hệ với U ={A1, A2, ,An} là tập thuộc tính. X, Y, Z,WU. Hệ tiên đề Armstrong phát biểu như sau: • 1. Phản xạ: Nếu Y  X thì X  Y (A1) • 2. Tăng trưởng: Nếu Z  U và X Y thì X  Z  Y  Z (A2) • 3. Bắc cầu: Nếu X Y và Y Z thì X Z (A3) Từ hệ tiên đề Armstrong có thể suy ra một số luật sau: • 4. Luật hợp: nếu X  Y và X  Z thì X  YZ • 5. Luật tựa bắc cầu: nếu X  Y và WY  Z thì XW  Z • 6. Luật tách: Nếu X  Y và Z  Y thì X  Z b. Khoá dự tuyển, khoá chính và khoá ngoại Khoá dự tuyển – Candidate key Khoá dự tuyển của một quan hệ là một hay một tập con các thuộc tính mà giá trị của nó xác định duy nhất mỗi hàng của quan hệ. Các thuộc tính này được gọi là thuộc tính khoá Khoá dự tuyển có hai tính chất sau: • Tính xác định duy nhất: Với mỗi hàng giá trị trên khoá dự tuyển là duy nhất (không có hai hàng có giá trị trên các thuộc tính khoá trùng nhau), trong khi đó các các thuộc tính không phải là khoá phụ thuộc hàm vào các thuộc tính khoá. • Tính không dư thừa: Nếu bỏ đi bất kỳ thuộc tính khoá nào của khoá dự tuyển thì sẽ phá huỷ tính duy nhất của nó. • Khoá chính - primary key: Là khoá dự tuyển được chọn làm khoá của quan hệ. Trong số khoá dự tuyển nêu trên của quan hệ SINHVIEN, rõ ràng nếu ta chọn (Mãsv) làm khoá thì tốt hơn. Để chọn một khoá chính ta nên theo nguyên tắc sau: • Khoá nên có số ít nhất các thuộc tính. Nếu tốt nhất là chỉ gồm một thuộc tính • Nếu khoá có nhiều thuộc tính, nên tạo ra thuộc tính thay chúng làm kháo cho quan hệ. • Nếu khoá cấu tạo từ nhiều thuộc tính, nên tránh sử dụng các thuộc tính dễ thay đổi theo thời gian như tên địa danh chẳng hạn. Như vậy khoá chính dùng để tính nhận dạng duy nhất bản ghi trong quan hệ. Khoá ngoại - foreign key: Một khoá được dùng trong một quan hệ (bảng) để làm đại diện cho giá trị của khoá chính trong một bảng có liên hệ. Trong khi khoá chính thì chỉ chứa các giá trị duy nhất thì khoá ngoại có thể chứa các giá trị giống nhau. Ví dụ, mã sinh viên (MãSV) là khoá chính trong bảng SINHVIEN (mỗi sinh viên có một mã duy nhất), còn MãSV trong bảng SINHVIEN_MON được xem như là khoá ngoại, mỗi sinh viên có thể tham gia nhiều môn, vì vậy giá trị MASV trong bảng SINHVIEN_MON có thể trùng lặp. Các dạng chuẩn cơ bản Người ta đã xác định có ba dạng chuẩn cơ bản gồm: • Dạng chuẩn thứ nhất (1NF): Không có nhóm lặp trong bảng • Dạng chuẩn thứ hai (2NF): + Là chuẩn 1 + Không có trường không khoá có thể phụ thuộc vào một phần của khoá chính. • Dạng chuẩn thứ ba (3FN): + Là chuẩn 2. + Không có thuộc tính không khoá nào có thể phụ thuộc vào các thuộc tính không khoá khác. Nói cách khác, mỗi thuộc tính trong một bản ghi sẽ chứa thông tin về thực thể được xác định bởi khoá chính. 2.2.3. Chuẩn hoá các lược đồ quan hệ Chuẩn hoá là quá trình chuyển một quan hệ có cấu trúc phức hợp thành các quan hệ có cấu trúc đơn giản hơn. Thc hiện quá trình chuẩn hoá, ta bắt đầu việc kiểm tra dạng chuẩn từ thấp đến cao và thực hiện việc tách quan hệ phức hợp thành các quan hệ đơn giản hơn Nếu quan hệ không là chuẩn 1 Có nghĩa là QH có chứa các thuộc tính lặp. Khi đó ta tách thành hai quan hệ : • Quan hệ thứ nhất : Gồm các thuộc tính lặp và phần khoá xác định chúng. • Quan hệ thứ hai : gồm các thuộc tính còn lại và toàn bộ khoá nhưng không chứa thuộc tính lặp. Ví dụ, cho lược đồ quan hệ: DONHANG(sốđơn, mãkhách, tênkh, địachỉkh, ngàyđặt, mãhàng*, tênhàng*, đơnvịtính*, môtả*, sốlượng*) Trong quan hệ ta đánh dấu * các thuộc tính lặp. Để xác định khoá ta xác định các phụ thuộc hàm : • (mãkhách) ( tênkh, địachỉkh) • ( mãhàng) ( tênhàng, đơnvịtính, môtả) • (sốđơn, mãhàng) ( sốlượng) • (sốđơn) (mãkhách, ngàyđặt, mãhàng) Từ đó ta suy ra khoá gồm các thuộc tính bên trái của các phụ thuộc hàm : (sốđơn, mãkhách,mãhàng) Quan hệ DONHANG được tách thành hai quan hệ sau : • Quan hệ 1: gồm các thuộc tính các thuộc tính lặp và phần khoá xác định chúng HÀNGĐẶT(sốđơn, mãhàng, tênhàng, đơnvịtính, môtả, sốlượng) • Quan hệ 2: Gồm các thuộc tính còn lại và phần khoá xác định chúng: DONHANG(sốđơn, mãkhách, tênkh, địachỉkh, ngàyđặt) Nếu quan hệ không là chuẩn 2, Có nghĩa là QH có chứa các thuộc tính không khoá phụ thuộc vào một phần của khoá. Khi đó ta tách thành hai quan hệ : • Quan hệ thứ nhất: Gồm các thuộc tính không khoá phụ thuộc vào một phần khoá và phần khoá xác định chúng. • Quan hệ thứ hai: Gồm các thuộc tính còn lại và toàn bộ khoá chính. Ví dụ: Quan hệ DONHANG(sốđơn, mãkhách, tênkh, địachỉkh, ngàyđặt) là quan hệ ở dạng chuẩn 1 nhưng chưa là chuẩn 2. Các phụ thuộc hàm: • (sốđơn) (mãkhách, ngàyđặt) ; (mãkhách)  (tênkh, địachỉkh). Kéo theo khoá quan hệ này là (sốđơn, mãkhách). • Phụ thuộc hàm (mãkhách)  (tênkh, địachỉkh) này cho thấy hai thuộc tính không khoá phụ thuộc vào một phần khoá. Vậy quan hệ DONHANG(sốđơn, mãkhách, tênkh, địachỉkh, ngàyđặt) được tách thành hai quan hệ: (1) KHÁCH(mãkhách, tênkh, địachỉkh) (2) DONHANG(sốđơn, mãkhách, ngàyđặt) Nếu quan hệ không là chuẩn 3, Khi quan hệ ở dạng chuẩn 2 nhưng chưa ở dạng chuẩn 3, có nghĩa là trong quan hệ tồn tại các thuộc tính không khoá phụ thuộc vào các thuộc tính không khoá khác. Để đưa về dạng chuẩn 3 ta tách quan hệ như sau: • Quan hệ thứ nhất: Gồm các thuộc tính không khoá và các thuộc tính không khoá khác (gọi là thuộc tính cầu) xác định chúng. • Quan hệ thứ hai: Gồm các thuộc tính còn lại và thuộc tính gọi là thuộc tính cầu nói trên. Ví dụ: cho lược đồ VẬNCHUYỂN(sốvậnđơn, khohàng, nơiđến, khoảngcách) • Các phụ thuộc hàm: (sốvậnđơn)  ( khohàng, nơiđến, khoảngcách) ; ( khohàng, nơiđến) ( khoảngcách). Xác định được khoá là (vậnđơn). • Rõ ràng trong quan hệ này (khoảngcách) là thuộc tính không khoá nhưng lại phụ thuộc vào các thuộc tính không khoá khác là (khohàng, nơiđến). Do đó, lược đồ được tách thành hai lược đồ: (1) HÀNHTRÌNH(khohàng, nơiđến, khoảngcách) (2) VẬNCHUYỂN(sốvậnđơn, khohàng, nơiđến) 2.3 CÁC RÀNG BUỘC QUAN HỆ, LƯỢC ĐỒ CSDL QUAN HỆ Trong phần này chúng ta thảo luận về các hạn chế trên các dữ liệu trong một lược đồ cơ sở dữ liệu quan hệ. Các hạn chế đó được gọi là các ràng buộc. Có các loại ràng buộc : ràng buộc miền, ràng buộc khoá, ràng buộc toàn vẹn thực thể và ràng buộc toàn vẹn tham chiếu. 2.3.1 Các ràng buộc miền • Các ràng buộc miền chỉ ra rằng giá trị của mỗi thuộc tính A phải là một giá trị nguyên tử thuộc miền giá trị thuộc kiểu dữ liệu nào đó. Các kiểu dữ liệu liên kết với các miền bao gồm: • các kiểu dữ liệu số chuẩn cho các số nguyên ( short integer, integer, long integer), • các số thực ( float, double precision float ). • Ngoài ra còn các kiểu dữ liệu ký tự (dãy ký tự với độ dài cố định, dãy ký tự với độ dài thay đổi ), • ngày, thời gian (Date, Time) • tiền tệ. (currency) • Các loại miền khác có thể là các miền con của một kiểu dữ liệu hoặc một kiểu dữ liệu đếm được trong đó mọi giá trị có thể được liệt kê rõ ràng 2.3.2 Ràng buộc khoá Thông thường, có tồn tại các tập con của các thuộc tính của một lược đồ quan hệ có tính chất là không có hai bộ nào ở trong mọi trạng thái quan hệ r của R có cùng một tổ hợp giá trị cho các thuộc tính của nó. Giả sử chúng ta ký hiệu một tập con như vậy là SK; khi đó với hai bộ khác nhau bất kỳ t1 và t2 trong một trạng thái quan hệ r của R chúng ta có ràng buộc là t1[SK]  t2[SK] . Tập hợp thuộc tính SK như vậy được gọi là một siêu khoá (superkey) của lược đồ quan hệ R. Một siêu khoá SK xác định rõ một ràng buộc về tính duy nhất , phát biểu rằng không có hai bộ khác nhau trong một trạng thái r của R có cùng một giá trị cho SK. Mỗi quan hệ có it nhất là một siêu khoá mặc định, đó là tập hợp tất cả các thuộc tính của nó Một khoá K của một lược đồ quan hệ R là một siêu khoá của R với tính chất là nếu bỏ đi bất kỳ thuộc tính A nào ra khỏi K thì sẽ còn lại một tập K không phải là siêu khoá của R 2.3.4 Toàn vẹn thực thể, toàn vẹn tham chiếu và khoá ngoài • Ràng buộc toàn vẹn thực thể được phát biểu là: khoá chính phải luôn luôn có giá trị xác định, nghĩa là không được phép có giá trị null. Các ràng buộc khoá và ràng buộc toàn vẹn thực thể được chỉ ra trên các quan hệ riêng rẽ. • Ràng buộc toàn vẹn tham chiếu được chỉ ra giữa hai quan hệ để duy trì sự tương ứng giữa các bộ của hai quan hệ. Lược đồ và sơ đồ tham chiếu NHÂNVIÊN( Họđệm,Tên, MãsốNV, Ngàysinh, Địachỉ, Giớitính,Lương, MãsôNGS, MãsốĐV) ĐƠNVỊ ( TênĐV, MãsốĐV, MãsốNQL, Ngàybắtđầu) ĐƠNVỊ_ĐỊAĐIỂM( MãsốĐV, ĐịađiểmĐV) DỰÁN( TênDA, MãsốDA, ĐịađiểmDA, Mã sốĐV) NHÂNVIÊN_DỰÁN( MãsốNV, MãsốDA, Sốgiờ) PHỤTHUỘC( MãsốNV, TênCon, Giớitính, Ngàysinh)