Giáo trình nhập môn Cơ sở dữ liệu - Chương 2: Các mô hình dữ liệu - Vũ Tuyết Trinh

1Các mô hình dữ liệu Vũ Tuyết Trinh trinhvt@it-hut.edu.vn Bộ môn Các hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin Đại học Bách Khoa Hà Nội 2 Mô hình dữ liệu { Mô hình dữ liệu gồm [Codd, 1980] z Một tập hợp các cấu trúc của dữ liệu z Một tập các phép toán để thao tác với các dữ liệu z Một tập các ràng buộc về dữ liệu Ví dụ: mô hình mạng, mô hình phân cấp, mô hình quan hệ, mô hình thực thể-liên kết, mô hình hướng đối tượng “A data model is a plan for building a database”* * 23 Vài nét về lịch sử 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Mô hình mạng Mô hình phân cấp Mô hình quan hệ Mô hình hướng đối tượng Mô hình quan hệ mở rộng Mô hình bán cấu trúc DMS(65), CODASYL (71), IDMS, IDS DMS(65), CODASYL (71), IDMS, IDS IMS, System 2k, ... IMS, System 2k, ... System R(81), DB2, ORACLE, SQL Server, Sybase, ... System R(81), DB2, ORACLE, SQL Server, Sybase, ... O2, ORION, IRIS, ... O2, ORION, IRIS, ... DB2, ORACLE-10i, SQL Server ... DB2, ORACLE-10i, SQL Server ... Lore (97), ... Lore (97), ... XML dbXML,natix, Tamino,... dbXML,natix, Tamino,... Mô hình Thực thể-liên kết IRDS(87), CDD+, ... IRDS(87), CDD+, ... 4 Một vài mô hình dữ liệu { Mô hình phân cấp { Mô hình mạng { Mô hình quan hệ { Mô hình thực thể - liên kết { Mô hình hướng đối tượng { Mô hình bán cấu trúc { Mô hình dữ liệu của XML 35 Đặt vấn đề { Đặc điểm của các mô hình dữ liệu? { Sự khác nhau giữa các mô hình dữ liệu? { Các mô hình dữ liệu phổ biến ngày nay 6 Mô hình dữ liệu phân cấp (Hierarchical data model) { Sự ra đời z Khoảng năm 60-65 { Biểu diễn: bằng cây z Quan hệ cha/con z Mỗi nút có một cha duy nhất z 1 CSDL = tập các cây { Các khái niệm cơ bản z Bản ghi z Móc nối { Các phép toán: GET, GET UNIQUE, GET NEXT, GET NEXT WITHIN PARENT, ... 47 Ví dụ lop sinh_vien giao_vien diem_thi mon_hoc mon_hoc 8 Nhận xét { Ưu điểm { Dễ xây dựng và thao tác { Tương thích với các lĩnh vực tổ chức phân cấp (vd: tổ chức nhân sự trong các đơn vị, ...) { Ngôn ngữ thao tác đơn giản (duyệt cây) { Nhược điểm { Sự lặp lại của các kiểu bản ghi → dư thừa dữ liệu và dữ liệu không nhất quán ¾ Giải pháp: bản ghi ảo { Hạn chế trong biểu diễn ngữ nghĩa của các móc nối giữa các bản ghi (chỉ cho phép quan hệ 1-n) 59 Mô hình dữ liệu mạng (Network data model) { Sự ra đời z sử dụng phổ biến từ những năm 60, được định nghĩa lại vào năm 1971 { Biểu diễn: bằng đồ thị có hướng { Các khái niệm cơ bản z Tập bản ghi (record) { Kiểu bản ghi (record type) { Các trường (field) z Móc nối (link) { Tên của móc nối { chủ (owner) – thành viên (member): theo hướng của móc nối { Kiểu móc nối: 1-1, 1-n, đệ quy z Các phép toán { Duyệt: FIND, FIND member, FIND owner, FIND NEXT { Thủ tục: GET 10 Ví dụ lop sinh_vien gom giao_vien diem_thico mon_hoc giang_day co_diem hoc 611 Nhận xét { Ưu điểm { Đơn giản { Có thể biểu diễn các ngữ nghĩa đa dạng với kiểu bản ghi và kiểu móc nối { Truy vấn thông qua phép duyệt đồ thị (navigation) { Nhược điểm { Số lượng các con trỏ lớn { Hạn chế trong biểu diễn ngữ nghĩa của các móc nối giữa các bản ghi 12 Mô hình dữ liệu quan hệ (Relational data model) { Sự ra đời z vào năm 1970[Codd, 1970] { Biểu diễn: dưới dạng bảng { Các khái niệm cơ bản z Thuộc tính: một tính chất riêng biệt của một đối tượng { Tên { Kiểu, miền giá trị z Quan hệ: được định nghĩa trên một tập các thuộc tính z Bộ giá trị: các thông tin của một đối tượng thuộc quan hệ z Khoá: z Các phép toán: hợp, giao, tích đề-các, lựa chọn, chiếu, kết nối, ... 713 Ví dụ 86 L. T. N 45 H. B. T 56 Đ. C. V 21 T. Q. B diachi IT7 IT6 IT5 IT4 lop 029/2/1980Ng. T. PhươngSV0034 026/3/1982Trần M. QuếSV0067 13/2/1980Ng. Đ. TrungSV0025 01/4/1981Trần T. BìnhSV0011 namngaysinhtenSVmaSV Ng. T. Phương Trần M. Quế Ng. Đ. Trung Trần T. Bình loptruong Ng. V. QuýCNTTTin 7IT7 Ng. T. ThảoCNTTTin 6IT6 Lê A. VănCNTTTin 5IT5 Ng. V. AnhCNTTTin 4IT4 GVCNkhoalopmalop 3Quản lý dự ánHTTT01 4Phân tích và thiết kế hệ thốngCNTT03 4Truyền DL và mạngCNTT02 4Nhập môn CSDLCNTT01 soHTtenmonmaMH MON_HOC LOP SINH_VIEN 14 Nhận xét { Ưu điểm z Dựa trên lý thuyết tập hợp z Khả năng tối ưu hoá các xử lý phong phú { Nhược điểm z Hạn chế trong biểu diễn ngữ nghĩa z Cấu trúc dữ liệu không linh hoạt 815 Mô hình dữ liệu thực thể - liên kết (Entity-Relational data model) { Sự ra đời z Xuất phát từ nhu cầu mô hình hoá ngữ nghĩa dữ liệu và phát triển phần mềm z đề xuất 1975 [Chen, 1976] [Chen, 2002] { Biểu diễn: bằng sơ đồ thực thể - liên kết { Các khái niệm cơ bản z Thực thể: một đối tượng trong thế giới thực z Thuộc tính: một đặc tính của một tập thực thể o Khoá:xác định sự duy nhất của 1 thực thể o Liên kết: mối liên hệ có nghĩa giữa nhiều thực thể o Mỗi liên kết có thể có các thuộc tính o 1-1, 1-n, n-m, đệ quy 16 Ví dụ sinh_viên lop mon_hoc gom diem_thi chuong_trinh maSV tenSV ngaysinh nam diachi malop lop khoa GVCN loptruong maMH tenmon soHT 917 Nhận xét { Ưu điểm z dễ dàng biểu diễn cái mà con người nhận thức từ thế giới thực z Biểu diễn ngữ nghĩa phong phú của các thực thể và quan hệ giữa các thực thể { Nhược điểm z Không dễ dàng ánh xạ vào những cấu trúc lưu trữ trên máy tính 18 Mô hình dữ liệu hướng đối tượng (Object-oriented data model) { Sự ra đời z Khoảng đầu những năm 90 { Biễu diễn: sơ đồ lớp { Các khái niệm cơ bản z Đối tượng: một đối tượng trong thế giới thực, được xác định bởi một định danh duy nhất z Thuộc tính: biểu diễn một đặc tính của đối tượng, z Phương thức : thao tác được thực hiện trên đối tượng. { Tất cả các truy nhập vào thuộc tính của đối tượng đều phải được thực hiện thông qua các phương thức này. z Lớp: một cách thức để khai báo một tập các đối tượng có chung một tập thuộc tính và phương thức 10 19 Ví dụ class sinh_vien { string maSV; string tenSV; date ngaysinh; boolean nam; string diachi; string lop; string ten(); string ngay_sinh(); string dia_chi(); string lop(); void gan_DC(string DC_moi); void gan_lop(string lop); } 20 Nhận xét { Ưu điểm z Cho phép định nghĩa kiểu đối tượng phức tạp z Tính chất: bao đóng (encapsulation), kế thừa (heritage), đa hình (polymorphism) { Nhược điểm z Cấu trúc lưu trữ phức tạp và có thể sử dụng nhiều con trỏ z Khả năng tối ưu hoá các xử lý bị hạn chế trong nhiều trường hợp 11 21 So sánh và đánh giá Mô hình HĐT Mô hình TT- LK Mô hình quan hệ Mô hình phân cấp Mô hình mạng hiệu quả của truy vấn khả năng truy vấn lưu trữ DL biểu diễn ngữ nghĩa DL Nhắc lại: Mô hình dữ liệu là một tập hợp các khái niệm dùng để mô tả cấu trúc của một CSDL 22 Phân loại các mô hình Phân cấp Mạng Quan hệ Thực thể-liên kết ngữ nghĩa Đối tượng - Quan hệ Hướng đối tượng Thế hệ 1 Thế hệ 2 Thế hệ 3 Các mô hình dựa trên bản ghi Các mô hình dựa trên đối tượng 12 23 Biến đổi giữa các mô hình dữ liệu { Yêu cầu z Chuyển một sơ đồ dữ liệu từ một mô hình dữ liệu sang một mô hình khác z Đảm bảo tính « tương đương » của sơ đồ dữ liệu nguồn và đích { Các biến đổi tương đương giữa các mô hình z Thực thể/liên kết - mạng z Thực thể/liên kết - hướng đối tượng z Quan hệ - hướng đối tượng 24 Các bước xây dựng một CSDL Mô hình hoá DL (vd: Sơ đồ thực thể-liên kết) Mô tả DL logic với 1 mô hình DL cụ thể (vd: Sơ đồ quan hệ) Mô tả ứng dụng 1: PHÂN TÍCH 2: THIẾT KẾ Cài đặt với 1 hệ quản trị CSDL (vd: ORACLE) 3: CÀI ĐẶT 13 Mô hình hoá dữ liệu với mô hình thực thể - liên kết 26 Đặc điểm { Thích hợp để mô hình hoá dữ liệu cho CSDL z Gần gũi với nhận thức của con người → dễ sử dụng z dễ chuyển đổi sang mô hình quan hệ z Dựa trên các khái niệm chính { Thực thể: một đối tượng trong thế giới thực { Tập thực thể: các thực thể có cùng các tính chất { Thuộc tính: một đặc tính của một tập thực thể o Khoá:xác định sự duy nhất của 1 thực thể o Liên kết: mối liên hệ có nghĩa giữa nhiều thực thể { Tập liên kết: tập hơpự các liên kết cùng kiểu { Được biểu diễn bởi sơ đồ thực thể - liên kết 14 27 Thực thể và thuộc tính { Thực thể: một đối tượng trong thế giới thực { Tập thực thể: gồm các thực thể có tính chất giống nhau { Thuộc tính: một đặc tính của một tập thực thể z Miền giá trị ~ tập các giá trị có thể z Khoá ~ xác định sự duy nhất của 1 thực thể •sv1 •sv2 •sv3 sinh_viên maSV tenSV ngaysinh nam diachi 28 Kiểu thuộc tính { Thuộc tính đơn giản (thuộc tính nguyên tố) z có kiểu dữ liệu nguyên tố { Thuộc tính phức z có kiểu phức, định nghĩa bởi các thuộc tính khác tenSV = ‘‘Trần T. Bình’’ tenSV = ‘‘Ng. Đ. Trung’’ sinh_viên maSV tenSV ngaysinh nam diachi so_pho quan thanh_pho 15 29 Kiểu thuộc tính (2) { Thuộc tính đa giá trị z tương ứng với mỗi thực thể, có thể nhận nhiều giá trị { Thuộc tính suy diễn z có thể tính toán được từ (các) thuộc tính khác mon_hoc maMH tenmon soHT giao_vien sinh_viên maSV tenSV ngaysinh nam diachi tuoi 30 Liên kết { Đ/n: là sự kết hợp giữa một số thực thể { Thuộc tính sinh_viên mon_hocdiem_thi maMH tenmon soHT maSV tenSV ngaysinh nam diachi ket_qua 16 31 Ràng buộc của kết nối { 1-1: Liên kết 1 thực thể của một tập thực thể với nhiều nhất 1 thực thể của tập thực thể khác { 1-n: Liên kết 1 thực thể của một tập thực thể với nhiều thực thể của tập thực thể khác { n-m: Liên kết 1 thực thể của một tập thực thể với nhiều thực thể của tập thực thể khác và ngược lại { đệ quy: Liên kết giữa các thực thể cùng kiểu sinh_viên mon_hocdang_ky n m lop_hoc sinh_viengom 1 m mon_hoc dieu_kien lop_hoc giao_vienchu_nhiem 1 1 32 Lập sơ đồ thực thể - liên kết { B1: Xác định các thực thể { B2: Xác định các liên kết giữa các thực thể z Bậc của liên kết z Ràng buộc (1-1, 1-n, n-m, đệ quy) 17 33 Bài tập { Bài toán: phân tích và thiết kế 1 CSDL gồm các thông tin trong 1 công ty (nhân viên, phòng ban, dự án z Công ty được tổ chức bởi các phòng ban. Mỗi phòng ban có 1 tên duy nhất, 1 số duy nhất và 1 người quản lý (thời điểm bắt đầu công tác quản lý của người này cũng được lưu lại trong CSDL). Mỗi phòng ban có thể có nhiều trụ sở làm việc khác nhau z Mỗi phòng điều phối một số dự án. Mỗi dự án có 1 tên và 1 mã số duy nhất, thực hiện tại một địa điểm duy nhất z Các thông tin về nhân viên cần được quan tâm gồm: tên, số bảo hiểm, địa chỉ, lương, giới tính, ngày sinh. Mỗi nhân viên làm việc tại một phòng ban nhưng có thể tham gia nhiều dự án khác nhau. Những dự án này có thể được điều phối bởi các phòng ban khác nhau. Thông tin về số giờ làm việc trong từng dự án (theo tuần) cũng như người quản lý trực tiếp của các nhân viên cũng được lưu trữ z Thông tin về con cái của từng nhân viên: tên, giới tính, ngày sinh 34 18 Mô hình dữ liệu quan hệ 36 Đặc điểm { Dựa trên lý thuyết tập hợp { dễ dàng ánh xạ đến cấu trúc lưu trữ vật lý { Các khái niệm cơ bản z Thuật ngữ toán học: quan hệ, bộ và thuộc tính z Thuật ngữ hướng dữ liệu: bảng, bản ghi và trường { Được biểu diễn bởi lược đồ quan hệ 19 37 Thuộc tính - trường { Đ/n: là một tính chất riêng biệt của một đối tượng cần được lưu trữ trong CSDL để phục vụ cho việc khai thác dữ liệu về đối tượng z Ký hiệu: A { Tên thuộc tính: z maSV, tenSV,ngaysinh,nam,diachi,lop { Kiểu dữ liệu, miền giá trị (Dom(A)) z text, number, boolean, date/time, memo z maSV: text(10) tenSV: text(30) ngaysinh: date nam: boolean ... 38 Quan hệ - bảng { Đ/n: được xác định trên một tập các thuộc tính Ai { Ký hiệu: R(A1,A2, An) { R(A1,A2, An) ⊆ Dom(A1) x x Dom(An) { Tân từ: quy tắc để xác định mối quan hệ giữa các thuộc tính Ai SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, nam, diachi,lop) LOP(malop,ten,khoa) ∀lop ∈ SINH_VIEN[lop], ∃malop ∈ LOP[malop]: lop = malop 20 39 Bộ - bản ghi { Đ/n: các thông tin của một đối tượng thuộc quan hệ { Ký hiệu t(a1,a2, an) { t(a1,a2, an) ∈ Dom(A1) x x Dom(An) 86 L. T. N 45 H. B. T 56 Đ. C. V 21 T. Q. B IT7 IT6 IT5 IT4 029/2/1980Ng. T. PhươngSV0034 026/3/1982Trần M. QuếSV0067 13/2/1980Ng. Đ. TrungSV0025 01/4/1981Trần T. BìnhSV0011 40 Lược đồ quan hệ { Lược đồ quan hệ (S): là sự trừu tượng hoá của quan hệ ở mức độ cấu trúc của một bảng 2 chiều z S = {Ri} z SINH_VIEN(maSV,tenSV, ngaysinh, nam, diachi,malop) LOP(malop,lop, khoa, GVCN, loptruong) MON_HOC(maMH,tenmon,soHT) ... { Thể hiện của quan hệ: tập hợp các bộ giá trị của quan hệ R vào một thời điểm 21 41 Khoá { Đ/n z Cho R(A1,A2, An), K ⊆ {Ai}, z K là khoá nếu với ∀t1, t2 ∈R, ∃Ai ∈K: t1.K≠t2.K SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh,nam, diachi,lop) { T/c: z K ⊆ K’ ⊆ {Ai} là khoá ⇒ K’ cũng là khoá SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, nam, diachi,lop) SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, nam, diachi,lop) 42 Phân loại khoá { Khoá tối thiểu z Cho R(A1,A2, An), K ⊆ {Ai}, z K là khoá tối thiểu nếu K là khoá và !∃K’ ⊆ K mà K’ là khoá { Khoá ngoài z Cho R(A1,A2, An), R’(A’1,A’2, A’m), K ⊆ {Ai}, z K là khoá ngoài của R tham chiếu đến quan hệ R’ nếu K là khoá chính của R’ SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, nam, diachi,malop) LOP(malop,lop, khoa, GVCN, loptruong) 22 43 Biến đổi: Sơ đồ thực thể - liên kết → Sơ đồ quan hệ { Biến đổi tập các thực thể { Biến đổi các liên kết { Các khoá của các sơ đồ quan hệ { Các sơ đồ quan hệ với khoá chung 44 Biến đổi các tập thực thể B1: 1 tập thực thể ¾ 1 quan hệ, z thuộc tính → thuộc tính (trường), z 1 thực thể→ 1 bộ z khoá của tập thực thể→ khoá của quan hệ, •sv1 •sv2 •sv3 86 L. T. N 45 H. B. T 56 Đ. C. V 21 T. Q. B diachi IT7 IT6 IT5 IT4 malop 029/2/1980Ng. T. PhươngSV0034 026/3/1982Trần M. QuếSV0067 13/2/1980Ng. Đ. TrungSV0025 01/4/1981Trần T. BìnhSV0011 namngaysinhtenSVmaSV SINH_VIEN •sv1 •sv2 •sv3 •sv4 maSV tenSV ngaysinh nam diachi malop sinh_viên 23 45 Biến đổi các tập thực thể (2) B2: 1 tập thực thể xác định từ tập thực thể khác (E) qua 1 liên kết ¾ 1quan hệ chứa khoá cuả E LOPTRUONG(maSV) sinh_viên lop_truongla_mot 46 Biến đổi các liên kết B3: Liên kết 1-1 ¾ Dùng khoá ngoài LOP_HOC(malop,lop,khoa,maGV) lop_hoc giao_vienchu_nhiem 1 1malop lop khoa maSV ngaysinh trinhdo khoa 24 47 Biến đổi các liên kết (2) B4: Liên kết 1-n ¾ Dùng khoá ngoài: thêm khoá chính của quan hệ bên 1 vào quan hệ bên n làm khoá ngoài SINH_VIEN(maSV,tenSV,ngaysinh,nam, diachi, malop) lop_hoc sinh_viengom 1 nmalop lop khoa maSV tenSV ngaysinh nam diachi 48 Biến đổi các liên kết (3) B5: Liên kết n-n ¾ Thêm 1 quan hệ mới xác định bởi các thuộc tính nằm trong khóa của các thực thể có liên quan và các thuộc tính của liên kết DANG_KY(maSV,maMH, diem) sinh_viên mon_hocdang_ky n m maSV tenSV ngaysinh nam diachi maMH ten soHT diem 25 49 Thuộc tính đa trị B6: Với mỗi thuộc tính đa trị ¾ Thêm 1 quan hệ mới xác định bởi thuộc tính đa trị và khoá của tập thực thể tương ứng MH_GV(maMH,giao_vien) mon_hoc maMH tenmon soHT giao_vien 50 Bài tập { Biến đổi sơ đồ thực thể/liên kết → sơ đồ quan hệ 26 51 52 Kết luận { Điểm khác nhau của các mô hình dữ liệu z khả năng biểu diễn dữ liệu về mặt ngữ nghĩa z khả năng biểu diễn truy vấn dữ liệu z hiểu quả của cài đặt trong máy tính { Mô hình thực thể-liên kết cho phép biểu diễn dữ liệu gần với nhận thức của con người { Mô hình quan hệ z Cho phép biểu diễn logic dữ liệu z dễ ánh xạ sang cấu trúc lưu trữ vật lý z Dựa trên nền tảng toán học cho phép tối ưu hoá các truy xuất dữ liệu “More than 90% of current database applications are built on relational database systems which utilise relational model as its underlying data model”* * R. Elmasri and S. Navathe. Fundamentals of Database Systems 27 53 Các điểm cần lưu ý { Khái niệm chung về mô hình dữ liệu { Các mô hình dữ liệu { Mô hình thực thể - liên kết { Mô hình dữ liệu quan hệ { Các bước xây dựng một CSDL { Biến đổi từ sơ đồ thực thể - liên kết sang lược đồ quan hệ 54