3 SỞ LAO ĐỘNG THƢƠNG BINH VÀ XÃ HỘI TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ HÀ NAM GIÁO TRÌNH MÔN HỌC CƠ SỞ DỮ LIỆU NGHỀ CNTT (ỨNG DỤNG PHẦN MỀM) TRÌNH ĐỘ TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số 234QĐ CĐNHN ngày 05.giáo trình học tập, tài liệu cao đẳng đại học, luận văn tiến sỹ, thạc sỹ
TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU
Một số khái niệm cơ bản
Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập
Mô hình thực thể kết hợp
MÔ HÌNH DỮ LIỆU QUAN HỆ
Các khái niệm cơ bản
Mục tiêu: trình bày cụ thể các khái niệm của mô hình dữ liệu quan hệ
Thuộc tính là các đặc điểm riêng biệt của một đối tượng, được hiểu như một phần của một loại thực thể trong mô hình thực thể kết hợp Mỗi thuộc tính có một tên gọi riêng và phải thuộc về một kiểu dữ liệu xác định, nhằm mô tả đầy đủ đặc trưng của đối tượng đó Việc xác định thuộc tính giúp xây dựng cấu trúc dữ liệu, hỗ trợ lưu trữ và truy vấn thông tin, đồng thời làm rõ mối quan hệ giữa các thực thể trong cơ sở dữ liệu.
Kiểu dữ liệu (data type) xác định cách lưu trữ và xử lý các thuộc tính của một đối tượng, được phân biệt bằng tên gọi và gắn với một loại dữ liệu nhất định như số, chuỗi, ngày tháng, logic hoặc hình ảnh Ở đây, kiểu dữ liệu có thể là vô hướng (scalar) hoặc có cấu trúc (structured) Nếu một thuộc tính có kiểu dữ liệu vô hướng thì được gọi là thuộc tính đơn hay thuộc tính nguyên tố; ngược lại, các thuộc tính có kiểu dữ liệu có cấu trúc được xem là không phải là thuộc tính nguyên tố.
Ví dụ với sinh viên Nguyễn Văn Thành, các thuộc tính dữ liệu được phân theo kiểu dữ liệu khác nhau: họ và tên và hộ khẩu thường trú ở dạng chuỗi (kiểu string), mã số sinh viên ở dạng chuỗi, ngày sinh ở dạng ngày tháng, và hình ảnh ở dạng dữ liệu hình ảnh.
Miền giá trị (domain of values) là tập con của kiểu dữ liệu mà một thuộc tính có thể nhận giá trị, và tập con này được gọi là miền giá trị của thuộc tính đó Thông thường mỗi thuộc tính chỉ chọn một giá trị từ tập con này, nhằm đảm bảo dữ liệu nhất quán và dễ xử lý Ví dụ, thuộc tính NỮ có miền giá trị là {nam, nữ}, thuộc tính màu da có miền giá trị là {da trắng, da vàng, da đen, da đỏ}, và thuộc tính điểm thi có miền giá trị là các số thuộc tập {0, 1, 2, , 10}.
Trong thiết kế và mô tả tập thuộc tính, tên thuộc tính nên được đặt một cách gợi nhớ và ngắn gọn để dễ nhớ và dễ sử dụng trong câu lệnh truy vấn Nếu không chú ý đến ngữ nghĩa, các thuộc tính thường được ký hiệu bằng các chữ cái in hoa đầu tiên của bảng chữ cái Latinh như A, B, C, D, ; các chữ cái in hoa X, Y, Z, W, thường dùng để đại diện cho một nhóm nhiều thuộc tính Đôi khi người ta dùng ký hiệu chữ cái kèm chỉ số như A1, A2, , An để chỉ các thuộc tính trong trường hợp tổng quát hoặc để nói đến số lượng thuộc tính Việc đặt tên thuộc tính quá dài sẽ làm cho quá trình viết câu lệnh truy vấn trở nên khó khăn và kém hiệu quả.
Khi đặt tên thuộc tính, không nên để tên quá ngắn vì nó sẽ không thể hiện đầy đủ ngữ nghĩa của thuộc tính; đặc biệt, không được trùng tên giữa hai thuộc tính mang ngữ nghĩa khác nhau trên hai đối tượng khác nhau, vì điều này sẽ gây nhầm lẫn cho người đọc và công cụ tìm kiếm và làm giảm hiệu quả tối ưu hóa SEO Tên thuộc tính nên đủ ý nghĩa, rõ ràng và nhất quán để người dùng dễ hiểu và công cụ tìm kiếm có khả năng nhận diện nội dung một cách chính xác.
Trong nhiều hệ quản trị cơ sở dữ liệu, miền giá trị của các thuộc tính thường được mở rộng bằng một giá trị đặc biệt gọi là NULL (giá trị rỗng) Tùy ngữ cảnh, NULL có thể đại diện cho một giá trị chưa xác định hoặc một giá trị chưa được xác định tại thời điểm nhập liệu nhưng có thể được xác định ở một thời điểm khác.
Trong cơ sở dữ liệu, lược đồ quan hệ đại diện cho tập hợp các thuộc tính cần quản lý của một đối tượng và các mối liên hệ giữa chúng Lược đồ quan hệ Q với tập thuộc tính {A1, A2, , An} được viết dưới dạng Q(A1, A2, , An) Ký hiệu Q+ thường được dùng để chỉ tập hợp các thuộc tính liên quan đến lược đồ, có thể mở rộng thêm tùy ngữ cảnh.
Chẳng hạn lƣợc đồ quan hệ Sinhviên với các thuộc tính nhƣ đã đƣợc liệt kê trong ví dụ 1.1 đƣợc viết nhƣ sau:
Sinhvien(MASV,HTENSV,NU,NGAYSINH,NOISINH,TINH,MALOP)
Trong thiết kế lược đồ quan hệ, người thiết kế gắn cho nó một ý nghĩa nhất định được gọi là tân từ của lược đồ quan hệ Ví dụ với lược đồ Sinhvien, tân từ là MASV duy nhất cho mỗi sinh viên và MASV này xác định các thuộc tính còn lại của sinh viên đó như HOTENSV, NU, NGAYSINH, NOISINH, TINH và MALOP.
Khi phát biểu tân từ cho một lược đồ quan hệ, người thiết kế cần mô tả đầy đủ ý nghĩa để người đọc không nhầm lẫn Dựa vào tân từ được định nghĩa, người ta xác định được tập khóa và siêu khóa của lược đồ quan hệ, những khái niệm sẽ được trình bày trong các mục kế tiếp.
Nhiều lƣợc đồ quan hệ cùng nằm trong một hệ thống thông tin đƣợc gọi là một lƣợc đồ cơ sở dữ liệu
Khái niệm lƣợc đồ quan hệ ứng với khái niệm loại thực thể ở mô hình thực thể kết hợp
Trong cơ sở dữ liệu quan hệ, sự thể hiện của một lược đồ quan hệ tại một thời điểm bất kỳ được gọi là một quan hệ Trên một lược đồ quan hệ có thể xác định nhiều quan hệ khác nhau Thường ký hiệu cho lược đồ quan hệ là R, S, Q, còn ký hiệu cho quan hệ là r, s, q Về trực quan, quan hệ (hay bảng quan hệ) là một bảng hai chiều gồm các hàng và các cột.
Một quan hệ có n thuộc tính đƣợc gọi là quan hệ n ngôi Để chỉ quan hệ r xác định trên lƣợc đồ quan hệ Q ta có thể viết r(Q)
Mỗi bộ là những thông tin về một đối tƣợng thuộc một quan hệ, bộ cũng còn đƣợc gọi là mẫu tin
Thường người ta dùng các chữ cái thường (như t, ) để biểu diễn bộ trong quan hệ
Chuyển mô hình thực thể kết hợp sang mô hình dữ liệu quan hệ
Mục tiêu: Áp dụng đƣợc các quy tắc chuyển đổi mô hình thực thể kết hợp ERD sang mô hình dữ liệu quan hệ (dạng lƣợc đồ)
Trong quá trình thiết kế cơ sở dữ liệu theo mô hình thực thể–quan hệ, với mỗi loại thực thể ta tạo một lược đồ quan hệ tương ứng; các thuộc tính của loại thực thể được ánh xạ thành các cột của lược đồ quan hệ; thuộc tính khóa của loại thực thể sẽ trở thành khóa chính của lược đồ quan hệ.
Chẳng hạn loại thực thể Sinhvien ở ví dụ 1.2 khi áp dụng quy tắc 1 thì sẽ đƣợc chuyển thành lƣợc đồ quan hệ Sinhvien nhƣ sau:
Sinhvien(MASV, HOTENSV, NU, NGAYSINH, TINH, )
Trong trường hợp mối kết hợp mà cả hai nhánh của nó có độ lớn tối đa bằng n, mối kết hợp này sẽ được chuyển thành một lược đồ quan hệ K' gồm các thuộc tính của mối kết hợp K và bổ sung các thuộc tính khóa của hai lược đồ quan hệ A, B tương ứng với hai thực thể tham gia vào mối kết hợp Khóa của lược đồ quan hệ K' gồm cả hai khóa của hai lược đồ quan hệ A và B.
Ví dụ, mối quan hệ Phân công giữa ba thực thể Giảng viên, Môn học và Lớp được chuyển sang lược đồ quan hệ Phân công với tập khóa ghép {MAGV, MAMH, MALOP} Khóa ghép này đảm bảo mỗi Phân công được ghi nhận duy nhất cho đúng một giảng viên dạy một môn học cụ thể cho một lớp học nhất định, từ đó tối ưu hóa lưu trữ và truy vấn liên quan đến việc ai dạy môn gì cho lớp nào Lược đồ Phân công giúp tách rời thông tin thực thể và quan hệ, đồng thời hỗ trợ các truy vấn về danh sách giảng viên theo môn học, lịch giảng dạy và quản lý phân công trong hệ quản trị cơ sở dữ liệu.
Mối kết hợp mà một nhánh có bản số là n (nhánh B) và nhánh còn lại có bản số max là
Ở nhánh A, loại bỏ mối kết hợp khỏi mô hình thực thể kết hợp và đưa các thuộc tính khóa của lược đồ tương ứng với loại thực thể ở nhánh B vào lược đồ của loại thực thể ở nhánh A; khóa của nhánh B sẽ trở thành khóa ngoại của nhánh A Nếu mối kết hợp có thuộc tính, những thuộc tính này cũng được thêm vào lược đồ quan hệ của loại thực thể ở nhánh A.
Chẳng hạn mối kết hợp thuộc giữa hai loại thực thể Sinhvien và Lop nên lƣợc
24 đồ quan hệ Sinhvien đƣợc sửa thành nhƣ sau:
Sinhvien(MASV,HOTENSV,NU,NGAYSINH, TINH,MALOP)
Nếu mối kết hợp mà cả hai nhánh đều có bản số max là 1 thì áp dụng quy tắc 3 cho một trong hai nhánh tuỳ chọn
Sau đây là mô hình dữ liệu quan hệ đƣợc chuyển từ mô hình thực thể kết hợp ở ví dụ 1.2
Sinhvien(MASV, HOTENSV, NU, NGAYSINH, NOISINH,TINH, MALOP)
Giangvien(MAGV,HOTENGV,HOCVI,CHUYENNGANH,MAKHOA)
Ketqua(MASV, MAMH, LANTHI,DIEMTHI)
NGÔN NGỮ TRUY VẤN DỮ LIỆU
Tìm thông tin từ các cột của bảng - Mệnh đề Select
Chọn các dòng của bảng - Mệnh đề Where
Sắp xếp các dòng của bảng - Mệnh đề Order by
Gom nhóm dữ liệu - mệnh đề Group by
RÀNG BUỘC TOÀN VẸN
Phân loại ràng buộc toàn vẹn
LÝ THUYẾT THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU
Các vấn đề gặp phải khi tổ chức dữ liệu
Bao đóng của tập phụ thuộc hàm và bao đóng của tập thuộc tính
và bao đóng của tập thuộc tính
Khóa của lƣợc đồ quan hệ - Một số thuật toán tìm khóa
Thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập
TH ) số thuật toán tìm khóa
Dạng chuẩn của lƣợc đồ quan hệ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠ SỞ DỮ LIỆU
Mã chương: MHCSDL 10.01 Giới thiệu:
Bài học này cung cấp cái nhìn tổng quan về các mô hình dữ liệu cơ bản, các thuật ngữ và khái niệm liên quan trong cơ sở dữ liệu, giúp người học nắm bắt cách tiếp cận và khai thác hiệu quả các vấn đề liên quan trong môn học.
- Trình bày sơ lƣợc các khái niệm về cơ sở dữ liệu, các mô hình dữ liệu
- Trình bày chi tiết mô hình thực thể kết hợp (ERD), có thể phân tích dữ liệu và thiết kế đƣợc mô hình thực thể kết hợp
- Thực hiện thao tác an toàn với máy tính
1 Một số khái niệm cơ bản
Mục tiêu: Trình bày sơ lƣợc các khái niệm về cơ sở dữ liệu
1.1 Định nghĩa cơ sở dữ liệu
Cơ sở dữ liệu là tập hợp dữ liệu được lưu trữ trên các thiết bị lưu trữ theo một cấu trúc nhất định nhằm phục vụ nhiều người dùng với các mục đích khác nhau Việc tổ chức dữ liệu theo cấu trúc cho phép truy cập nhanh chóng, quản lý và truy vấn thông tin một cách hiệu quả Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) quản lý việc lưu trữ, bảo mật và bảo toàn tính toàn vẹn của dữ liệu, đồng thời cung cấp các công cụ để liên kết dữ liệu giữa các bảng và hỗ trợ các ứng dụng đa dạng.
1.2 Ƣu điểm của cơ sở dữ liệu
- Giảm sự trùng lắp thông tin xuống mức thấp nhất và do đó bảo đảm đƣợc tính nhất quán và toàn vẹn dữ liệu
- Đảm bảo dữ liệu có thể truy xuất theo nhiều cách khác nhau
- Khả năng chia sẻ thông tin cho nhiều người sử dụng
1.3 Những vấn đề mà CSDL cần phải giải quyết
- Tính chia sẻ dữ liệu: dữ liệu được chia sẻ bởi nhiều người dùng hợp pháp
- Tính giảm thiểu dư thừa dữ liệu: Dữ liệu dùng chung cho nhiều bộ phận được lưu một nơi theo cấu trúc thống nhất
- Tính tương thích: Việc loại bỏ dư thừa kéo theo hệ quả là sự tương thích
- Tính toàn vẹn dữ liệu: Đảm bảo một số ràng buộc toàn vẹn Khi người dùng chèn, xoá, sửa thì ràng buộc phải đƣợc kiểm tra chặc chẽ
- Tính bảo mật dữ liệu: Đảm bảo an toàn dữ liệu và bảo mật thông tin là quan trọng
Đồng bộ dữ liệu là yếu tố cốt lõi trong quản trị cơ sở dữ liệu, đặc biệt khi nhiều người dùng có thể truy cập và thao tác đồng thời Vì vậy, hệ thống cần có cơ chế đồng bộ hóa, quản lý giao dịch và xử lý xung đột hiệu quả để ngăn chặn sự không tương thích giữa các thao tác Việc bảo vệ dữ liệu trước rủi ro mất mát hoặc lệch phiên bản khi truy cập đồng thời giúp nâng cao tính nhất quán, hiệu suất và độ tin cậy của toàn bộ hệ thống.
Độc lập dữ liệu là khái niệm mô tả sự tách biệt giữa cấu trúc mô tả dữ liệu và chương trình ứng dụng đang sử dụng dữ liệu đó Điều này cho phép phát triển và cải tiến tổ chức dữ liệu mà không cần sửa đổi logic hoặc mã nguồn của ứng dụng, giúp tăng tính linh hoạt và giảm chi phí bảo trì Với độc lập dữ liệu, doanh nghiệp có thể dễ dàng mở rộng mô hình dữ liệu, thích nghi với yêu cầu thay đổi của kinh doanh và công nghệ mà không làm gián đoạn hoạt động của ứng dụng.
1.4 Các đối tƣợng sử dụng CSDL Đối tượng sử dụng là người khai thác cơ sở dữ liệu thông qua hệ quản trị CSDL Có thể phân làm ba loại đối tượng: Người quản trị CSDL, người phát triển và lập trình ứng dụng, người dùng cuối cùng
Người quản trị CSDL: Là người hàng ngày chịu trách nhiệm quản lí và bảo trì CSDL nhƣ:
+ Sự chính xác, toàn vẹn và bảo mật của dữ liệu và ứng dụng trong CSDL
+ Lưu trữ dự phòng và phục hồi CSDL
+ Giữ liên lạc với người phát triển và lập trình ứng dụng, người dùng cuối
+ Bảo đảm sự hoạt động hiệu quả của CSDL và hệ quản trị CSDL
Người phát triển và lập trình ứng dụng là các chuyên gia công nghệ thông tin chịu trách nhiệm thiết kế, xây dựng và bảo trì các ứng dụng nhằm cung cấp thông tin và trải nghiệm cuối cùng cho người dùng Họ tham gia từ giai đoạn phân tích yêu cầu, lên ý tưởng và viết mã đến kiểm thử, triển khai và bảo trì phần mềm, đảm bảo hiệu suất, bảo mật và khả năng mở rộng của hệ thống Với vai trò này, các nhà phát triển ứng dụng cần tối ưu code, tối ưu giao diện người dùng và quy trình phát triển phần mềm để đáp ứng mục tiêu kinh doanh và mang lại sự ổn định cho người dùng.
Người dùng cuối là những người không phải chuyên gia tin học, nhưng là các chuyên gia ở các lĩnh vực khác có trách nhiệm cụ thể trong công việc Họ tiếp cận và khai thác cơ sở dữ liệu (CSDL) thông qua các chương trình phần mềm ứng dụng do nhà phát triển ứng dụng xây dựng hoặc qua các công cụ truy vấn của hệ quản trị CSDL, giúp tra cứu, lọc và sử dụng dữ liệu một cách hiệu quả để hỗ trợ quyết định trong công việc.
1.5 Hệ quản trị CSDL Để giải quyết tốt những vấn đề mà cách tổ chức CSDL đặt ra nhƣ đã nói ở trên, cần thiết phải có những phần mềm chuyên dùng để khai thác chúng Những phần mềm này đƣợc gọi là các hệ quản trị CSDL Các hệ quản trị CSDL có nhiệm vụ hỗ trợ cho các nhà phân tích thiết kế CSDL cũng như những người khai thác CSDL Hiện nay trên thị trường phần mềm đã có những hệ quản trị CSDL hỗ trợ đƣợc nhiều tiện ích nhƣ: MS Access, Visual Foxpro, SQL Server, Oracle,
Mỗi hệ quản trị CSDL được xây dựng trên một mô hình dữ liệu cụ thể Dù dựa trên mô hình dữ liệu nào, hệ quản trị CSDL cũng phải hội tụ các yếu tố cốt lõi như khả năng định nghĩa và truy vấn dữ liệu, quản trị giao dịch và đồng thời đảm bảo tính nhất quán dữ liệu, kiểm soát truy cập và bảo mật, hỗ trợ sao lưu phục hồi, quản trị metadata, cùng với hiệu suất truy vấn tối ưu và khả năng mở rộng, linh hoạt trong việc xử lý dữ liệu.
Trong mô hình quản trị cơ sở dữ liệu, ngôn ngữ giao tiếp giữa người sử dụng và CSDL được phân thành bốn loại: ngôn ngữ mô tả dữ liệu giúp khai báo cấu trúc của cơ sở dữ liệu, định nghĩa mối liên hệ giữa các dữ liệu và các quy tắc quản lý áp đặt lên chúng; ngôn ngữ thao tác dữ liệu cho phép cập nhật dữ liệu, bao gồm các thao tác thêm, sửa và xóa; ngôn ngữ truy vấn dữ liệu cho phép người khai thác truy xuất những thông tin cần thiết từ CSDL; và ngôn ngữ quản lý dữ liệu cho phép quản trị viên thay đổi cấu trúc bảng, thiết lập bảo mật thông tin và cấp quyền truy cập cho người dùng.
Từ điển dữ liệu là công cụ mô tả và ghi nhận các ánh xạ liên kết, các thành phần cấu trúc của CSDL, các chương trình ứng dụng, mật mã và quyền hạn sử dụng Việc xây dựng từ điển dữ liệu giúp chuẩn hóa mô hình dữ liệu, tăng tính nhất quán và hỗ trợ quản trị hệ thống, thiết kế và bảo mật ứng dụng Thông tin trong từ điển dữ liệu ghi nhận chi tiết từ bảng và trường dữ liệu, quan hệ giữa các phần của hệ thống đến mức cấp phép truy cập, từ đó tối ưu hóa quá trình phân tích, phát triển và vận hành CSDL.
Trong mỗi hệ quản trị cơ sở dữ liệu (CSDL), có thể triển khai một cơ chế riêng để giải quyết các tranh chấp dữ liệu Các biện pháp phổ biến thường được áp dụng gồm: cấp quyền ưu tiên cho từng người dùng và đánh dấu các yêu cầu truy xuất dữ liệu để phân chia thời gian truy cập; người có yêu cầu trước sẽ được quyền truy cập trước, nhằm đảm bảo công bằng và hiệu quả quản trị dữ liệu.
Hệ quản trị cơ sở dữ liệu (DBMS) phải tích hợp cơ chế sao lưu (backup) và phục hồi (restore) dữ liệu để đảm bảo khôi phục nhanh chóng khi gặp sự cố Việc sao lưu nên được thực hiện định kỳ với đầy đủ các loại sao lưu như sao lưu đầy đủ, sao lưu gia tăng và sao lưu từng phiên, được lưu trữ ở địa điểm an toàn và độc lập nhằm giảm thiểu rủi ro mất dữ liệu Quá trình phục hồi dữ liệu cần được kiểm thử thường xuyên để đảm bảo có thể khôi phục đúng thời điểm và đúng trạng thái mong muốn, đáp ứng các mục tiêu RPO và RTO Cần có cơ chế bảo vệ sao lưu khỏi truy cập trái phép và sự cố vật lý, đồng thời tự động hóa việc lên lịch sao lưu, giám sát trạng thái và báo cáo sai sót để tăng tính sẵn sàng của hệ thống.
CSDL sẽ tự động tạo ra một bản sao CSDL, cách này hơi tốn kém, nhất là đối với CSDL lớn
- Hệ quản trị CSDL phải cung cấp một giao diện thân thiện, dễ sử dụng
1.6 Các ứng dụng của CSDL
Hiện nay, cơ sở dữ liệu (CSDL) gắn liền với hầu hết các ứng dụng tin học và đóng vai trò then chốt trong quản lý hệ thống thông tin tại các cơ quan nhà nước CSDL được sử dụng để lưu trữ và xử lý thông tin trong các doanh nghiệp, đồng thời hỗ trợ các lĩnh vực nghiên cứu khoa học, công tác giảng dạy và tổ chức thông tin đa phương tiện.
2 Các mô hình dữ liệu
Mục tiêu: Trình bày giới thiệu sơ lƣợc các mô hình dữ liệu
Mô hình dữ liệu là sự trừu tượng hoá môi trường thực Mỗi loại mô hình dữ liệu đặc trưng cho một cách tiếp cận dữ liệu khác nhau của các nhà phân tích thiết kế CSDL Mỗi loại mô hình đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng vẫn có những mô hình nổi trội và được nhiều người quan tâm nghiên cứu trong lĩnh vực quản trị cơ sở dữ liệu.
Sau đây chúng ta sẽ điểm qua lịch sử phát triển của các mô hình dữ liệu
- Vào những năm sáu mươi, thế hệ đầu tiên của CSDL ra đời dưới dạng mô hình thực thể kết hợp, mô hình mạng và mô hình phân cấp