Các mô hình dữ liệu cho các hệ dữ liệu cơ sở

Các mô hình dữ liệu cho các hệ dữ liệu cơ sở

CHƯƠNG 2 CÁC MÔ HÌNH DỮ LIỆU CHO CÁC HỆ CƠ SỞ DỮ LIỆU

2.1 MÔ HÌNH DỮ LIỆU

Định nghĩa:

Mô hình dữ liệu là một hệ hình thức toán học gồm hai phần:

1 Một hệ thống ký hiệu để mô tả dữ liệu

2 Tập hợp các phép toán thao tác trên dữ liệu đo.ï

Trong chương này ta sẽ tìm hiểu các mô hình được sử dụng rộng rãi hiện nay là Mô hình

THỰC THỂ - QUAN HỆ ,mô hình QUAN HÊ, mô hình MẠNG và mô hình PHÂN CẤP

2.2 MÔ HÌNH THỰC THỂ -QUAN HỆ

Mục đích của mô hình thực thể -quan hệ (Entity - relationship model) là cho phép

mô tả lược đồ khái niệm của thế giới thực(xí nghiệp, cơ quan ) mà không cần chú ý đến tính hiệu quả hoặc thiết kế Cơ Sở Dữ Liệu vật lý Đây là mô hình trung gian để chuyển đổi qua các mô hình dữ liệu khác như mô hình quan hệ , mô hình mạng, mô hình phân cấp

Sau đây là các khái niệm sử dụng trong mô hình này:

2.2.1THỰC THỂ

Thuật ngữ “thực thể ”(entity)không được định nghĩa một cách hình thức , cũng giống như các thuật ngữ “Điểm” và “đường” trong hình học, Chúng ta có thể hiểu rằng thực thể là một sự vật hay một cái gì đó tồn tại và phân biệt được Thí dụ mỗi con người là một thực thể , mỗi chiếc xe máy cũng là một thực thể , chúng ta cũng có thể nói mỗi con kiến là một thực thể nếu chúng ta có cách phân biệt được con này với con khác( chẳn hạn ta đánh một số cực nhỏ trên mỗi con kiến)

Khái niệm về “tính phân biệt được” đồng nhất với khái niệm “ nhận dạng đối tượng” , vì lý do này mà mô hình thực thể -quan hêû thường được xem như là một mô hình hướng đối tượng

2.2.2TẬP THỰC THỂ

Một nhóm bao gồm các thực thể “tương tự” tạo ra một tập thực thể (entity set)

ví dụ

1 Tất cả mọi người là một tập thực thể

2 Tất cả các Giáo viên thuộc ĐHKT&QTKD là một tập thực thể

3 tất cả các sinh viên khoa TC_THỐNG KÊ cũng là một tập thực thể

Để xác định tập thực thể cần phải xác định một tập hữu hạn các tính chất khác nhau của các thực thể trong tập thực thể đó

Một trong những bước then chốt trong việc lựa chọn các mô hình Cơ Sở Dữ Liệu chứa thông tin phản ánh về một hệ thống nào đó là việc chọn các tập thực thể trong hệ thống đó

2.2.3 THUỘC TÍNH và KHÓA

Một tập thực thể có một tập các tính chất đặc trưng gọi là tập thuộc tính(atribute), mỗi thực thể được xác dịnh bởi một bộ dữ liệu của các thuộc tính thể hiện thông tin về thuộc tính đó Ứng với mỗi thuộc tính có một tập giá trị mà thuộc tính đó có thể nhận gọi là miền(domain) giá trị của thuộc tính đó

Ví dụ miền giá trị của thuộc tính Tuổi là (0,120), của thuộc tính Tên là các chuổi ký tự có độ dài tối đa 30 ký tự , hay domain của thuộc tính Giới tính là { Nam, Nữ},

Việc chọn các thuộc tính là bước quan trọng trong thiết kế sơ đồ Cơ Sở Dữ Liệu

Một thuộc tính hay 1 tập tối thiểu các thuộc tính mà giá trị của nó nhận dạng 1 thực thể một cách duy nhất trong tập thực thể gọi là khóa (key) của tập thực thể

ví dụ 5

Xét tập thực thể Sinh viên của khoa TC_THỐNG KÊ với các thuộc tính Htên,

ngày sinh, Lớp, Đchỉ

ta có thể chọn Htên làm khóa nếu xác định được rằng trong khoa không có 2 người nào trùng họ và tên nhau, ngược lại ta có thể chọ thêm các thuộc tính khác để phân biệt như

ngày sinh để làm kháo cho tập thực thể sinh viên

2.2.4.CÁC MỐI QUAN HỆ

Cho các tập thực thể E1, E2, , Ek Một mối quan hệ R giữa các tập thực thể là một danh sách có thứ tự giữa các tập thực thể đó, Danh sách các tập thực thể không nhất thiết phải phân biệt Có nghĩa là một tập thực thể có thể xuất hiện nhiều hơn một lần trong Quan hệ

R=<F1, F2, ,Fn>

trong đó Fi∈{ E1, E2, , Ek} Mỗi hiện hành của mối quan hệ R là một tập các bộ <e1,

e2, ,en> trong đó ei∈Fi gọi là n_bộ

Cho 2 tập thực thể E1 ,E2, R là mối quan hệ giữa E1 và E2 ta có các định nghĩa sau:

1.Quan hệ ISA (is a)

Nếu mỗi thực thể của E1 cũng là thực thể của E2 thì quan hệ R gọi là mối quan hệ ISA

E1 ISA E2 đọc là E1là “một” E2

ví dụ:

E2 là tập thực thể các sinh viên khoa THỐNG KÊ-TIN HỌC

E1 là tập thực thể các sinh viên khoa THỐNG KÊ-TIN HỌC có học bổng năm học 98-99 khi đó ta có E1 ISA E2.

Mục đích của mối quan hệ này là các thực thể của tập thực thể E1 thừa hưởng các thuộc tính của E2 ngoài ra E1 còn có những thuộc tính riêng của mình Ví dụ trong công ty có tập thực thể NHÂN_VIÊN( MÃNV, TÊNNV, TUỔI, ĐỊA_CHỈ,LƯƠNG) Nếu công ty thành lập một đội bóng chuyền thì tốt nhất nên thiết kế một tập thực thể PLAY(NĂM_ tập thực thể PLAY có mối quan hệ ISA với tập thực thể NHÂN_VIÊN Như vậy mỗi thực

thể trong THI_ĐẤU, CHIỀU_CAO) và tập thực thể PLAY cũng có tất cả các thuộc tính của tập thực thể NHÂN_VIÊN nhưng chỉ có những thực thể trong tập thực thể PLAY mới có các thuộc tính như NĂM_THI_ĐẤU, CHIỀU_CAO

2 Mối quan hệ một_một(one_one relationship)

Nếu mỗi thực thể của E1 có quan hệ với đúng 1 thực thể của E2 và ngược lại, thì mối quan hệ này gọi là mối quan hệ một_một giữa E1 và E2

Ví dụ Mối quan hệ QUẢN_LÝ giữa hai tập thực thê LÃNH_ĐẠO và tập thực thể PHÒNG_BAN là mối quan hệ Một_một nếu giả thiết rằng một lãnh đạo chỉ quản lý một phòng và một phòng chỉ có một người quản lý

3 Mối quan hệ nhiều_một(many-one relationship)

Nếu mỗi thực thể trong E1 có quan hệ với nhiều nhất 1 thực thể trong E2, và mỗi thực thể trong E2 có thể không có quan hệ với thực thể nào hoặc có quan hệ với 1 hoặc nhiều thực thể trong E1 Mối quan hệ này được gọi là mối quan hệ nhiều_một từ E1 vào E2

Ví dụ: mối quan hệ giữa hai tập thực thể NHÂN_VIÊN và PHÒNG_BAN là mối quan hệ nhiều_một từ NHÂN_VIÊN vào PHONG_BAN, có nghĩa là mỗi nhân viên chỉ làm việc trong một phòng và mỗi phòng có thể có nhiều nhân viên làm việc, cũng có trường hợp một vài nhân viên không thuộc một phòng nào cả như giám đốc

Khái niệm mối quan hệ nhiều_một được tổng quát hóa cho ba tập thực thể trở lên như sau:

Nếu có một mối quan hệ R giữa các tập thực thể E1,E2, ,Ek và với các thực thể trong tất cả các tập thực thể trừ Ei chỉ có nhiều nhất một thực thể của Ei quan hệ với chúng , thì ta gọi R là mối quan hệ nhiều_một từ E1, ,Ei-1 , ,Ek vào Ei

4 mối quan hệ nhiều_nhiều( many_many relationship)

Trong mối quan hệ này không có một hạn chế trên tập các k_bộ của các thực thể khi xuất hiện trong các quan hệ thí dụ mối quan hệ CHA_MẸ_CỦA của tập thực thể NGƯỜI là mối quan hệ nhiều nhiều, vì mỗi đứa trẻ có thể tìm được cha mẹ cho chúng và một người có thể có số lượng con tùy ý

ví dụ:

E1: tập các sinh viên của khoa TC_THỐNG KÊ

E2 tập hợp các môn thể thao

R là quan hệ thích thể thao là mối quan hệ nhiều_nhiều

Trong thực tế các hệ quản trị cơ sở dữ liệu không hỗ trợ mối quan hệ này, để biểu diễn mối quan hệ này trong thiết kê thông thường người ta tách thành các mối quan hệ nhiều _một

2.2.5 Sơ đồ mối quan-hệ thực thể

Để mô tả thông tin về các tập thực thể và các mối quan hệ giữa chúng người ta sử dụng sơ đồ gọi là sơ đồ mối quan hệ thực thể Trong sơ đồ này:

1 Hình chữ nhật biểu diễn tập thực thể có ghi tên bên trong

2 hình Oval biểu diễn thuộc tính, ghi tên thuọc tính bên trong

3 Hình thoi biểu diễn mối quan hệ giữa các tập thực thể ghi tên mối quan hệ bên trong

4 Nếu R là mối quan hệ một_một giữa 2 tập thực thể E1 và E2 thì vẽ các cạnh định hướng từ hình Oval nhãn R đến các hình chữ nhật nhã E1 và E2

5 Nếu R là mối quan hệ nhiều_một từ <E1,E2, ,Ek-1> vào Ek thì vẽ các cạnh không định hướng từ hình thoi nhãn R đến các HCN có nhãn E1,E2, ,Ek-1 và vẽ cạnh định hướng từ hình thoi có nhãn R vào HCN nhãn Ek

6 Nếu R là mối quan hệ nhiều_nhiều giữa E1 và E2 thì vẽ các cạnh không định hướng từ hình thoi nhãn R đến hình chữ nhật nhãn E1 và E2

Ví dụ: sơ đồ sau trình bày một sơ đồ đơn giản, gồm 3 tập EMPS, DETPS và

MANAGERS

Hai tập EMPS và DEPTS liên kết nhờ mối quan hệ WORK IN , đây là mối quan hệ

nhiều_một từ EMPS vào DEPTS

Tập thực thể DEPTS và MANAGERS liên kết với nhau qua mối quan hệ MANAGES Đây là mối quan hệ một một, Một xuất hiện của mối quan hệ này là một bộ(d,p) nói rằng văn phòng p được quản lý bởi nhân viên d

Hoặc sơ đồ quan hệ _thục thể sau:

Giữa tập thực thể PERSONS và PERSONS với mối quan hệ PARENT_OF Cạnh thứ nhất biểu diễn con còn tập thứ hai biểu diễn cha Giá trị hiện hành của mối quan hệ

PARENT_OF là tập các cặp (p1,p2) nói rằng p2 là cha của p1

Ví dụ: Sau dây là một ví dụ tương đối đầy đủ, sơ đồ mối quan hệ thực thể sau đây tổ chức hệ thống thông tin cần thiết để chỉ huy hoạt động của siêu thị YVCB Trong sơ đồ có các tập thực thể và các mối quan hệ sau:

1.NHAN_VIEN: tập thực thể bao gồm các nhân viên làm việc trong siêu thị , các thuộc tính :

TENNV

MANV

LUONG

2 NGUOI_QL Người quản lý gòm các trưởng phòng trong siêu thị

3 GIAN_HANG: tập thực thể các gian hàng trong siêu thị gòm các thuộc tính

Các mối quan hệ

8 LAM_VIEC: quan hệ làm việc giữa tập thực thể NHAN_VIEN và tập thực thể

GIAN_HANG ta nói: “nhân viên x làm việc ở gian hàng y”

9 QUAN_LY “: mối quan hệ quản lý giữa tập thực thể GIAN_HANG và NGUOI_QL, ta nói : “ gian hàng x được quản lý bởi người quản lý y”

10 CHUA: quan hệ chứa giữa MAT_HANG với GIAN_HANG: ta nói” mặt hãng có trong gian hàng y”

11 CUNG_CAP: quan hệ cung cấp giữa NGUOI_CC với MAT_HANG ta nói” mặt hàng x được cung cấp bởi người cung cấp y”

12 DAT_HANG: quan hệ đặt hàng giữa KHACH_HANG với DON_DATH, ta nói “ đơn đặt hàng x được đặt bởi khách hàng y”

13 BAO_GOM: quan hệ bao gồm giưũa DON_DATH với MAT_HANG , ta nói “ đơn đặt hàng x đặt mặt hàng y với số lượng z”

Sơ đồ mối quan hệ -thực thể của YVCB như sau

(Hình vẽ)

2.3 MÔ HÌNH DỮ LIỆU QUAN HỆ

Như đã nói, mô hình quan hệ-thực thêø không phải là mô hình xử lý, nó mô hình hóa thế giới thực ở mức khái niệm Để lưu trữ thông tin trên máy và dùng các hệ quản trị Cơ Sở Dữ Liệu thao tác trên chúng thì dữ liệu phải được biểu diễn dưới dạng khác

Hiện nay mô hình dữ liệu được sử dụng rộng rãi nhất là mô hình dữ liệu quan hệ( Database Relationship Model) được E.F Code đề xuất năm 1970 và ngày càng có nhiều hệ qủan trị Cơ Sở Dữ Liệu cho mô hình này gọi là các hệ quản trị Cơ Sở Dữ Liệu quan hệ Mô hình dữ liệu quan hệ có ưu điểm là tính độc lập dữ liệu cao và mô hình được xây dựng dựa trên lý thuyết tập hợp nên dễ hiểu và dễ biểu diễn bằng toán học

2.3.1 Định nghĩa quan hệ

Quan hệ được định nghĩa dựa trên lý thuyết tập hợp và tích Đề_các của các miền Miền( Domain) là tập các giá trị hữu hạn hoặc vô hạn

Ví dụ: Tập các số nguyên là một miền, tập các xâu ký tự có độ dài 20 là một miền, hoặc tập{0,1} là một miền

Cho k miền D1,D2, ,Dk Khi đó tích Đề_các của k miền D1,D2, ,Dk ký hiệu là D1xD2x xDk là tập các bộ có dạng (v1,v2, ,vk) trong đó vi thuộc Di, mỗi bộ có k thành phần gọi là k_bộ(k_tupe)

ví dụ: Với k=2, D1={0,1},D2={a,b,c}

Khi đó D1xD2={(0,a),(0,b),(0,c),(1,a),(1,b),(1,c)}

từ đó quan hệ được định nghĩa như sau:

Một quan hệ (Relation)là một tập hợp con bất kỳ của tích Đề_các của một hoặc nhiều miền Như vậy một quan hệ có thể là vô hạn nhưng ở đây luôn giả thiết rằng quan hệ là hữu hạn

ví dụ Với D1 và D2 trong ví dụ trên thì tập {(0,a),(0,c),(1,b)} là một quan hệ , một tập con của tích Đề_các 2 miền D1 và D2

Thành phần của quan hệ gọi là bộ (tupe), quan hệ là tập con của tích Đề_các k miền gọi là quan hệ k_ngôi(k_Arity) Mỗi bộ của quan hệ k_ngôi gồm k thành phần gọi là k_bộ có dạng (v1,v2, ,vk) trong đó vi thuộc Di

Trong mô hình dữ liệu quan hệ , mỗi quan hệ n_ngôi được biểu diễn bởi một bảng

n cột Trong bảng mỗi cột tương ứng với một thành phần của quan hệ gọi là thuộc tính và có tên là tên của thành phần tương ứng trong quan hệ Mỗi bộ trong quan hệ tương ứng với 1 dòng của bảng

Tên quan hệ cùng với danh sách các thuộc tính gọi là lược đồ quan hệ (Relational Scheme) Nếu quan hệ có tên là REL và có các thuộc tính là A1,A2, ,Ak thì lược đồ quan hệ tương ứng là REL(A1,A2, ,Ak)

Ví dụ: Thông tin về các thành phố được lưu trữ trong lược đồ quan hệ có tên là

CITY_INFO gồm các thuộc tính như TÊN_TP, SỐ_TRƯÒNG_ĐH, SỐ_DÂN Ta thấy rằng đây là lược đồ quan hệ 3_ngôi(Gồm 3 thuộc tính )khi đó lược đồ quan hệ tương ứng

là : CITY_INFO(TÊN_TP, SỐ_TRƯÒNG_ĐH, SỐ_DÂN) và (HUẾ, 6,2.000.000) là

một bộ của lược đồ quan hệ Và khi đó

TÊN_TP SỐ_TRƯÒNG_ĐH SỐ_DÂN

HUẾ 6 2.000.000

HÀ NỘI 12 5.000.000

ĐÀ NẴNG 5 3.000.000

Là một quan hệ của lược đồ quan hệ CITY_INFO, là tập con của tích đề các 3

miền TÊN_TP, SỐ_TRƯÒNG_ĐH, SỐ_DÂN Ứng với mỗi lược đồ quan hệ có nhiều quan hệ gọi là các hiện hành(Current Instance) của lược đồ quan hệ đó

2.3.2 Biểu diễn sơ đồì Quan Hệ - Thực Thể trong mô hình Quan Hệ

Tập các lược đồ quan hệ dùng để biểu diễn thông tin của một hệ thống được gọi là lược đồ Cơ Sở Dữ Liệu quan hệ (Relational Database Scheme)và những giá trị hiện hành của các quan hệ tương ứng tạo ra Cơ Sở Dữ Liệu quan hệ

Giả sử các thông tin của hệ thống được biểu diễn bởi 1 sơ đồ về mối quan hệ thực thể thì ta có thể thiết lập lược đồ Cơ Sở Dữ Liệu quan hệ cho hệ thống từ sơ đồ mối quan hệ thực thể dựa trên các nguyên tắt sau:

1 Một tập thực thể E trong sơ đồ quan hệ -thực thể được biểu diễn bởi một lược đồ quan hệ có tên là E và có các thuộc tính là tập tất cả các thuộc tính của tập thực thể E.Mỗi thực thể trong tập thực thể tương ứng với một bộ trong lược đồ quan hệ tương ứng

Nếu E là một tập thực thể mà các thực thể của nó được định nghĩa thông qua một mối quan hệ với một tập thực thể F khác thì lược đồ quan hệ tương ứng có tên là E và có thuộc tính là các thuộc tính của F dùng làm khóa cho E

2.Một mối quan hệ R giữa các tập thực thể E1,E2, ,Ek được biểu diễn bằng một lược đồ quan hệ có tên là R và có các thuộc tính là các thuộc tính khóa của E1,E2, ,Ek Ở đây có thể có sự đặt tên lại các thuộc tính nếu có hai hoặc nhiều tập thực thể có các thuộc tính trùng tên để đảm bảo rằng giữa các tập thực thể không có các thuộc tính trùng tên

Mỗi bộ t trong quan hệ này tương ứng với một danh sách các thực thể (e1,e2, ,ek) trong đó ei thuộcEi

Để minh họa, thí dụ sau đây sẽ chuyển sơ đồ thực quan hệ -thực thể của siêu thị YVCB sang lược đồ Cơ Sở Dữ Liệu quan hệ:

Lược đồ cho các tập thực thể

1 EMPS(ENAME, SALARY)

7 CUSTUMERS(CNAME, CADDR, BALANCE)

Lược đồ cho các mối quan hệ

8 WORK_IN(ENAME, DNAME)

9 MANAGES(ENAME, DNAME)

10 CARRIES(INAME, DNAME)

11 SUPPLIES(SNAME, INAME, PRICE)

12 INCLUDES(O#, INAME, QUANLITY)

13 PLACED_BY(O#, CNAME)

2.3.3 Khóa của quan hệ (Keys of relation)

Cũng giống như các tập thực thể , quan hệ cũng có khóa để phân biệt các bộ trong quan hệ

Tập con S các thuộc tính của quan hệ R gọi là khóa của R nếu thỏa mãn hai tích chất sau:

1 Không có hiện hành nào của R có hai bộ trùng nhau trên tất cả các thuộc tính của S nhưng không phải là một bộ

2 Không có tập con thật sự nào của S có tích chất (1)

Có nghĩa là nếu S là khóa của quan hệ R thì trong thiết kế Cơ Sở Dữ Liệu ở mức vật lý không cho phép lưu trữ hai bộ mà các giá trị của chúng giống nhau trên S

Ví dụ:

Trong lược đồ quan hệ SUPPLIES(SNAME, INAME,PRICE) có khóa gồm hai thuộc tính SNAME và INAME Nếu trong một hiện hành nào đó của lược đồ quan hệ SUPPLIES tồn tại hai bộ (s,i,p1) và (s,i,p2) có nghĩa là người cung cấp s cung cấp mặt hàng i với hai giá là p1 và p2 như vậy dữ liệu bị lỗi trong trường hợp này vì không thỏa mãn tính chất khóa

Một điều quan trọng cần phải nhớ là tính chất khóa chỉ phụ thuộc vào lược đồ mà không phụ thuộc vào một hiện hành nào của lược đồ đó

Về nguyên tắt để phân biệt các bộ trong quan hệ thì mỗi quan hệ phải có ít nhất một khóa, như vậy một lược đồ có thế có nhiều khóa Nếu lược đồ quan hệ có nhiều khóa thì ta chọn một khóa làm khóa chính(Primary) và các khóa còn lại được gọi là khóa ứng cử(indicate)

Nguyên tắt thành lập khóa

1 Nếu lược đồ quan hệ được thành lập từ một tập thực thể thì khóa của tập thực thể đó được lấy làm khóa cho lược đồ quan hệ

2 Nếu lược đồ quan hệ được thành lập từ mối quan hệ nhiều_nhiều giữa các tập thực thể E1 và E2 thì tập tất cả các thuộc tính khóa của E1 và E2 được dùng làm khóa cho lược đồ quan hệ

3 Nếu lược đồ quan hệ được thành lập từ mối quan hệ một_một giữa các tập thực thể E1 và E2 thì tập tất cả các thuộc tính khóa của E1 hoặc khóa E2 có thể lấy làm khóa cho lược đồ quan hệ

4 Nếu lược đồ quan hệ được thành lập từ mối quan hệ nhiều_một từ E1,E2, ,Ek-1 vào

Ek thì tập tất cả thuộc tính khóa của E1,E2, ,Ek-1 được dùng làm khóa cho lược đồ quan hệ

Bây giờ áp dụng các nguyên tắt trên để xác định khóa cho 13 lược đồ quan hệ được thiết lập ở trên Khóa chính in đậm, khóa ứng cử in nghiên

7 CUSTUMERS(CNAME, CADDR, BALANCE)

Lược đồ cho các mối quan hệ

8 WORK_IN(ENAME, DNAME)

9 MANAGES(ENAME, DNAME)

10 CARRIES(INAME, DNAME)

11 SUPPLIES(SNAME, INAME, PRICE)

12 INCLUDES(O#, INAME, QUANLITY)

13 PLACED_BY(O#, CNAME)

2.3.3 Các phép toán trên mô hình dữ liệu quan hệ

Có hai lọai phép toán :

1 Đại số quan hệ (relatinal algebra)

2 Phép tính logic

Trong phần này chúng ta chỉ tìm hiểu các phép toán đại số quan hệ

Phép toán đại số quan hệ có các toán hạng là các hằng quan hệ , biến quan hệ

Có 5 phép toán cơ bản là phép hợp(Union), Trừ(difference), Tích Descarstes, Phép

chiếu(Projection), Phép chọn(Selection) và một số phép toán mở rộng từ 5 phép toán cơ bản trên Sau đây chúng ta tìm hiểu cụ thể từng phép toán