Bài giảng Cơ sở dữ liệu (Databases) - Chương 4: Ràng buộc toàn vẹn (RBTV)

Bài giảng Cơ sở dữ liệu - Chương 4: Ràng buộc toàn vẹn (RBTV) cung cấp cho người học các kiến thức: Các vấn đề liên quan đến RBTV, các loại RBTV, phụ thuộc hàm, khóa. Cuối bài giảng có phần bài tập để người học có thể ôn tập và củng cố kiến thức.

CƠ SỞ DỮ LIỆU

( Databases )

Chương 4: Ràng buộc toàn vẹn (RBTV)

4.1.1 Định nghĩa RBTV

 Ràng buộc toàn vẹn ( RBTV ) là điều kiện không được

vi phạm trong CSDL RBTV còn được gọi là các quy tắc quản lý ( Rules ) được áp đặt lên các đối tượng của thế giới thực.

 Trong 1 CSDL, các RBTV được xem như 1 công cụ

để diễn đạt ngữ nghĩa của CSDL đó.

 Trong quá trình khai thác CSDL, các RBTV phải được thỏa mãn nhằm đảm bảo cho CSDL luôn ở trạng thái

an toàn và nhất quán.

4.1.1 Định nghĩa RBTV (tt)

 Định nghĩa:

– RBTV là một quy tắc định nghĩa trên một hoặc nhiều quan

hệ do môi trường ứng dụng quy định  Đó chính là quy tắc

để đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu – Mỗi RBTV được định nghĩa bằng 1 thuật toán trong CSDL.

 Các RBTV được kiểm tra ngay khi thực hiện 1 thao tác cập nhật CSDL ( Thêm, Sửa, Xóa )

 Thao tác cập nhật CSDL chỉ được xem là hợp lệ nếu

nó không vi phạm RBTV nào.

 Nếu vi phạm RBTV, hệ thống sẽ hủy bỏ thao tác cập nhật (hoặc hệ thống sẽ có 1 xử lý thích hợp nào đó)

4.1.1 Định nghĩa RBTV (tt)

Như vậy:

 Phương pháp kiểm tra RBTV

– Kiểm tra tự động (qua khai báo của cấu trúc bảng)– Thông qua những thủ tục kiểm tra và xử lý vi phạm RBTV (do người phân tích thiết kế cài đặt)

 Thời điểm kiểm tra RBTV

– Ngay sau khi thực hiện thao tác cập nhật CSDL– Kiểm tra định kỳ hoặc đột xuất

4.1.2 Điều kiện của RBTV

 Là sự mô tả và biểu diễn hình thức nội dung của nó

 Có thể được biểu diễn bằng:

– Ngôn ngữ tự nhiên– Thuật giải (bằng mã giả - Pseudo Code, ngôn ngữ tựa Pascal)

– Ngôn ngữ đại số tập hợp, đại số quan hệ– Các phụ thuộc hàm

4.1.2 Điều kiện của RBTV (tt)

 Ví dụ: Cho CSDL quản lý hóa đơn bán hàng gồm các bảng:

HOADON(SoHD, SoMatHang, Tongtien) DMHANG(MaH, TenH, DvTinh)

CHITIETHD(SoHD, MaH, SL, Dongia, Thanhtien)

 R1 : Mỗi hóa đơn có 1 số hóa đơn riêng biệt, không trùng với hóa đơn khác

 R2 : Số mặt hàng bằng số bộ của của chi tiết hóa đơn có cùng

4.1.2 Điều kiện của RBTV (tt)

 Ví dụ - Biểu diễn bằng đại số tập hợp

4.1.2 Điều kiện của RBTV (tt)

 Ví dụ - Biểu diễn bằng đại số tập hợp (tt)

R4: CHITIETHD [MaH]  DMHANG [MaH]

hoặc biểu diễn bằng cách khác

 cthđ  CHITIETH D,  hh  DMHANG

sao cho: cthđ.MaH=hh.MaH

– R1: có bối cảnh là 1 quan hệ HOADON

CHITIEHD

– R4: có bối cảnh là 2 quan hệ CHITIETHD và DMHANG

4.1.4 Tầm ảnh hưởng của RBTV

 Một RBTV có thể liên quan đến một số quan hệ, chi khi có thao tác cập nhật (Thêm, Sửa, Xóa) mới xuất hiện nguy cơ vi phạm RBTV  Cần phải xác định rõ khi nào dẫn đến việc kiểm tra RBTV

 Trong quá trình phân tích, thiết kế một CSDL, người phân tích phải lập bảng xác định tầm ảnh hưởng cho mỗi RBTV  nhằm xác định khi nào phải tiến hành kiểm tra các RBTV đó

4.1.4 Tầm ảnh hưởng của RBTV (tt)

 Bảng xác định tầm ảnh hưởng

– Gồm 4 cột:

• Cột 1: Tên các bảng (quan hệ) có liên quan đến RBTV

• Cột 2, 3, 4: Ứng với các thao tác Thêm/Sửa/Xóa 1 bộ

– Đánh dấu (+) tại ô mà RBTV có nguy cơ bị vi phạm Có thể ghi thêm các thuộc tính nào nếu được cập nhật mới

sẽ dẫn đến vi phạm RBTV bằng cách liệt kê chúng dưới dấu (+)

– Đánh dấu (-) tại ô không có nguy cơ bị vi phạm

– Đánh dấu (- (*) ) nếu không bị vi phạm vì không được phép sửa đổi

4.1.4 Tầm ảnh hưởng của RBTV (tt)

 Bảng tầm ảnh hưởng tổng hợp của R1, R2, R3, R4

RBTV Thêm Sửa Xóa Thêm Sửa Xóa Thêm Sửa Xóa

(MaH) - (*) - - - (*) +

– Xử lý: Đưa ra phương án xử lý khi RBTV bị vi phạm

Có thể từ chối hoặc tiếp tục cho hiệu chỉnh dữ liệu

 Thông thường có 2 giải pháp:

– (1) Đưa ra thông báo và yêu cầu sửa chữa dữ liệu chophù hợp với RBTV TB này phải đầy đủ và dễ hiểu vớingười dùng  giải pháp này phù hợp cho việc xử lýthời gian thực

– (2) Từ chối thao tác cập nhật  giải pháp này phù hợpvới việc xử lý theo lô

– RBTV có tính chu trình

4.2.1 RBTV về miền trị

 Rất phổ biến trong các CSDL quan hệ

 Mỗi thuộc tính không chỉ đặc trưng bởi kiểu giá trị mà còn bị giới hạn bởi miền giá trị trong kiểu dữ liệu đó

 Khi cập nhật (thêm/sửa/xóa) giá trị cho 1 bộ trong

quan hệ, phải kiểm tra RBTV này

 Ví dụ: DIEMTHI(MaSV, Lanthi, Diemthi)

– R1: kq  DIEMTHI thì 0  kq.Diemthi  10– R2: kq  DIEMTHI thì 0  kq.Lanthi  2

4.2.3 RBTV liên bộ, liên thuộc tính

 Là loại RBTV có liên quan đến nhiều bộ và có thể tới nhiều thuộc tính của các bộ giá trị trong một quan hệ

 Ví dụ:

– Mã số sinh viên không được trùng nhau

sv1, sv2  SINHVIEN thì sv1.MaSV  sv2.MaSV

– Điểm thi của sinh viên lần sau phải lớn hơn lần trước:

kq  DIEMTHI

• Nếu kq.Lanthi = 1 thì 0 ≤ kq.Điểm ≤ 10 hoặc:

• Nếu kq.Lanthi > 1 thì ∃ kq’ ∈ DIEMTHI , sao cho kq’.Lanthi = kq.Lanthi - 1 và kq.Diem ≥ kq’.Diem

4.2.5 RBTV liên thuộc tính - liên quan hệ

 Một thuộc tính trong quan hệ này cố mối liên hệ với một thuộc tính trong quan hệ khác

4.2.5 RBTV liên bộ - liên quan hệ

 Một thuộc tính của quan hệ này có mối liên hệ với các

bộ của quan hệ khác.

 Ví dụ:

– Mỗi GV phải dạy ít nhất 1 lớp– HOADON.SoMatHang = Số bộ của CHITIETHD có cùng số hóa đơn

– Mỗi phiếu mượn chỉ mượn được tối đa 3 cuốn sách

4.2.6 RBTV do có chu trình

 Biểu diễn cấu trúc CSDL dưới dạng đồ thị như sau: mỗi nút của đồ thị biểu diễn 1quan hệ hoặc 1 thuộc tính

– Quan hệ được biểu diễn bằng nút tròn trắng– Thuộc tính được biểu diễn bằng nút tròn đen

 Các nút được chỉ rõ bằng tên của quan hệ hoặc thuộc tính Thuộc tính thuộc một quan hệ được biểu diễn bằng 1 cung nối giữa nút tròn trắng và nút tròn đen đó

 Nếu trên đồ thị xuất hiện 1 đường kép kín thì ta nói trong lược đồ CSLD có sự hiện diện của chu trình

4.2.6 RBTV do có chu trình

 Ví dụ

– Q1 (MaNV, MaPhong)– Q2 (MaPhong, MaDean)– Q3 (MaDean, TenDean)

Q2 Q1

Q4

Q3

MaNV

MaDean TenDean

– Nếu vẫn muốn giữ lại quan hệ Q4, tức là không hủy bỏchu trình, thì phải có một RBTV với thuật toán sau:Q1 I><I Q2 [MaNV, MaDean] = Q4 [MaNV, MaDean]

– RBTV được thể hiện bởi thuật toán sau:

Q4[MaNV, MaDean]  Q1 |><| Q2 [MaNV, MaDean]

nếu A’  A đều không có A’ B

4.3.1 Định nghĩa Phụ thuộc hàm

 Ví dụ:

HOADON(SoHD, SoMatHang, Tongtien)DMHANG(MaH, TenH, DvTinh)

CHITIETHD(SoHD, MaH, SL, Dongia, Thanhtien)

 Trong quan hệ DMHANG Có các phụ thuộc hàm:

– f1: MaH  TenH – f2: MaH  DvTinh

 Trong quan hệ CHITIETHD có các phụ thuộc hàm

– f1: SoHD, MaH  SL – f2: SoHD, MaH  Dongia – f3: SoHD, MaH  Thanhtien – f4: SL, Dongia  Thanhtien

4.3.2 Bao đóng tập phụ thuộc hàm và hệ luật

dẫn Amstrong

 Bao đóng của tập phụ thuộc hàm

– Trên lược đồ quan hệ R với tập thuộc tính U; F là tập các phụ thuộc hàm; cho X Y là một phụ thuộc hàm;

X, Y  U

– Ta nói XY được suy diễn lôgic từ F nếu R thỏa mãn các phụ thuộc hàm của F thì cũng thỏa XY Ký hiệu là: F |= XY

– Bao đóng (closure) của F (ký hiệu là F+) là tập các phụ thuộc hàm được suy diễn logic từ F

– Nếu F=F+ thì ta nói F là họ đầy đủ (Full family) của các phụ thuộc hàm

4.3.2 Bao đóng tập phụ thuộc hàm và hệ luật

dẫn Amstrong (tt)

 Hệ luật dẫn Amstrong

– Cho quan hệ hệ R với tập thuộc tính U;

– Cho X, Y, Z, W  U

 Ba luật của tiên đề Amstrong:

1 Luật phản xạ (reflexive rule):

Hệ luật dẫn Amstrong

 Ba hệ quả của tiên đề Amstrong:

1 Luật hợp (Union Rule)

Hệ luật dẫn Amstrong

 Ví dụ 1:

– Cho lược đồ quan hệ R(U), U=ABCDEGH và tập các phụ thuộc hàm: F = {ABC, BD, CDE, CEGH, GA} Hãy áp dụng hệ tiên đề Amstrong tìm chuỗi suy diễn ABE

4.3.3 Bao đóng của tập thuộc tính

 Định nghĩa:

– Bao đóng của tập thuộc tính X đối với tập các phụ thuộc hàm F (ký hiệu là XF+ hoặc X+) lầ tập các thuộc tính A có thể duy dẫn từ X nhờ tập bao đóng của các phụ thuộc hàm F+

 Thuật toán tìm bao đóng của X

– Tính liên tiếp tập các tập thuộc tính X0,X1,X2, theo phương pháp sau:

– Bước 1: X0 = X

– Bước 2: lần lượt xét các phụ thuộc hàm của F

• Nếu Y  Z có Y  Xi thì Xi+1 = Xi  Z

• Loại phụ thuộc hàm Y  Z khỏi F

– Bước 3: Nếu ở bước 2 không tính được X thì X

4.3.3 Bao đóng của tập thuộc tính (tt)

4.3.3 Bao đóng của tập thuộc tính (tt)

 Ví dụ2:

– Cho lược đồ quan hệ R(A,B,C,D,E,G,H) và tập phụ thuộc hàm F={B  A; DA  CE; D  H; GH  C;

AC  D} Tìm bao đóng của X = {AC} trên F

 Ví dụ3: Tìm bao đóng của tập thuộc tính X = {B, D}

4.3.3 Bao đóng của tập thuộc tính (tt)

 Ví du 4: cho lược đồ quan hệ: R(A,B,C,D,E,G)

F = { f1: A → C;

f2: A → EG;

f3: B → D;

f4: G → E } – Tìm bao đóng của X+ và Y+ của

X = {A,B}; Y = {C,G,D}

Sử dụng bao đóng của tập thuộc tính

 Kiểm tra siêu khóa

– Nếu tập X có X + chứa tất cả các thuộc tính của quan hệ R thì X là siêu khóa

– X là khóa dự tuyển nếu không có tập con nào của X là khóa

 Kiểm tra phụ thuộc hàm XY có được suy dẫn từ tập phụ thuộc hàm F cho trước ?

– Nếu XY thuộc F +  Y  X +

 Kiểm tra 2 tập phụ thuộc hàm tương đương F + = G +

–  phụ thuộc hàm X  Y trong G, nếu Y  XF+ thì F phủ G và ngược lại

–  phụ thuộc hàm X  Y trong F, nếu Y  X + thì G phủ F

4.3.4 Phủ và tương đương

 Định nghĩa

– Hai tập phụ thuộc hàm F và G trên quan hệ Q được gọi

là tương đương (ký hiệu FG) nếu F+ = G+

– FG thì F được gọi là 1 phủ của G hoặc G là một phủ của F

 Thuật toán: Kiểm tra F và G có tương đương không?

– Bước 1: Với mỗi phụ thuộc hàm XY của F xác định xem XY có là thành viên của G không?

– Bước 2: Với mỗi phụ thuộc hàm XY của G xác định xem X Y có là thành viên của F không?

– Bước 3: Nếu cả 2 bước trên đều đúng thì F  G

a) F có tương đương với G không?

b) F có tương đương với G’={A  BCE} không?

Phụ thuộc hàm có vế trái dư thừa

F là tập các phụ thuộc hàm trên lược đồ quan

hệ Q.

Z  Y  F

Phụ thuộc hàm Z  Y có vế trái dư thừa nếu có A

 Z sao cho: F  F- {Z  Y}  { (Z-A)  Y}

Ví dụ 1: Q (A, B, C), F= { AB  C ; B  C}

Phụ thuộc hàm có vế trái dư thừa

Loại bỏ PTH có vế trái dư thừa

 Thuật toán

– Xét lần lượt các PTH có dạng X  Y (vế trái có nhiều hơn 1 thuộc tính)

–  X’  X và X’  , Nếu X’  Y  F+ thì thay thế XY bằng X’  Y

 Ví dụ:

F = {A BC, B  C, AB  D},

Xét Phụ thuộc hàm AB  D

+ Tính B+ = BC (không chứa A) nên A không dư thừa

+ Tính A+ = ABC (chứa B) nên B là dư thừa

Phụ thuộc hàm dư thừa

 F là tập phụ thuộc hàm không dư thừa nếu không tồn tại F’ F sao cho F’ F Ngược lại F là tập phụ thuộc hàm dư thừa.

Phủ tối thiểu (Minimal cover)

 Tập F được gọi là tập phụ thuộc hàm tối thiểu

(hay phủ tối thiểu) nếu nó thỏa mãn đồng thời 3 điều kiện

– F là tập phụ thuộc hàm có vế trái không dư thừa– Các PTH trong F có vế phải chỉ gồm 1 thuộc tính– F là tập phụ thuộc hàm không dư thừa

Phủ tối thiểu (tt)

 Thuật toán tìm phủ tối thiểu của một tập phụ thuộc hàm

– Bước 1: Loại bỏ các phụ thuộc hàm có vế trái dư thừa

– Bước 2: Tách các phụ thuộc hàm có vế phải nhiều hơnmột thuộc tính thành các phụ thuộc hàm có vế phải mộtthuộc tính

– Bước 3: Loại bỏ các phụ thuộc hàm dư thừa

Phủ tối thiểu (Minimal cover)

 Ví dụ1: Cho lược đồ quan hệ Q(A, B, C, D) và tập

phụ thuộc hàm F = {AB  CD, B  C, C  D} Hãy tìm phủ tối thiểu của F

– Bước 2: Tách các phụ thuộc hàm có vế phải nhiều hơn

1 thuộc tính thành các PTH có vế phải là 1 thuộc tính

• F = {B  C, B  D, C  D} = F1tt

Phủ tối thiểu (tt)

– Bước 3: Loại bỏ các PTH dư thừa

• Kiểm tra B  C có dư thừa không?

– Đặt G = F1tt – {B  C} = {B  D, C  D}

– Tính BG+ = BD  B  C  G +  B  C không dư thừa

• Kiểm tra B  D có dư thừa không?

– Đặt G = F1tt - {B  D} = {B  C, C  D}

– Tính BG+ = BCD  B  D  G +  B  D dư thừa

• Kiểm tra C  D có dư thừa không?

– Đặt G = F1tt - {C  D} = {B  C, B  D}

– Tính CG+ = C  C  D  G +  C  D Không dư thừa

– Kết quả: Phủ tối thiểu của tập phụ thuộc hàm là

Fc = {B  C, C  D}

4.4 Khóa của lược đồ quan hệ

K là một khóa của Q nếu:

• K + = Q + (Bao đóng của tập thuộc tính K = Q+)

• Không tồn tại K'  K sao cho K’+= Q+

4.4 Khóa (tt)

 Tập thuộc tính S được gọi là siêu khóa nếu S  K

 Thuộc tính A được gọi là thuộc tính khóa nếu A K

với K là khóa bất kỳ của Q Ngược lại A được gọi là

thuộc tính không khóa.

 Một lược đồ quan hệ có thể có nhiều khóa và tập

thuộc tính không khóa cũng có thể bằng rỗng

4.4.2 Thuật toán tìm 1 khóa

4.4.2 Thuật toán tìm 1 khóa (tt)

 Ví dụ 1: cho lược đồ quan hệ Q và tập phụ

thuộc hàm F như sau:

– Q (A,B,C,D,E) – F={ABC, AC  B, BC  DE}

– Tìm khóa K

 Giải:

B1: K=Q+  K=ABCDE

B2:(K\A)+ (BCDE)+=BCDE ≠ Q+  K=ABCDE

B3:(K\B)+ (ACDE)+= ABCDE = Q+  K=ACDE

B4: (K\C)+ (ADE)+ = ADE ≠ Q+  K=ACDE

B5: (K\D)+  (ACE)+ = ACEBD=Q+  K=ACE

4.4.2 Thuật toán tìm 1 khóa (tt)

4.4.2 Thuật toán tìm 1 khóa (tt)

 Thuật toán 2: Biểu diễn lược đồ quan hệ bằng đồ thị có hướng như sau:

– Mỗi đỉnh của đồ thị là 1 thuộc tính trong lược đồ quan hệ – Mỗi phụ thuộc hàm A  B được biểu diễn bằng 1 cung có hướng từ đỉnh A đến đỉnh B

• Đỉnh (thuộc tính) chỉ có mũi tên đi ra được gọi là nút gốc

• Đỉnh (thuộc tính) chỉ có mũi tên đi vào được gọi là nút lá – Khóa của lược đồ quan hệ phai bao phủ tập các nút gốc đồng thời không chứa bất kỳ nút lá nào.

– Thuật toán:

• Bước 1: Xuất phát từ tập các nút gốc (X)

• Bước 2: Tính bao đóng của tập thuộc tính X (X + )

• Bước 3: Nếu X + = U thi X là khóa Ngược lại, bổ sung 1 thuộc

4.4.2 Thuật toán tìm 1 khóa (tt)

4.4.2 Thuật toán tìm 1 khóa (tt)

 Tính D+ = 

 Do CD có mặt trong vế trái của 2 phụ thuộc hàm

(CD  H, CD  E) nên ta ghép C vào tập nút gốc và tính bao đóng

4.4.3 Thuật toán tìm mọi khóa

4.4.3 Thuật toán tìm mọi khóa (tt)

 Ví dụ:

– Tìm tất cả các khóa của lược đồ quan hệ và tập phụ thuộc hàm như sau:

4.4.3 Thuật toán tìm mọi khóa (tt)

 Thuật toán cải tiến

– Bước1 : tạo tập thuộc tính nguồn TN, tập thuộc tính trung gian TG

– Bước2 :

• Nếu TG =  thì lược đồ quan hệ chỉ có một khóa K = TN kết thúc

• Ngược lại Qua bước 3

– Bước3 : tìm tất cả các tập con Xi của tập trung gian TG

4.4.3 Thuật toán tìm mọi khóa (tt)

– Bước 4: tìm các siêu khóa Si bằng cách  Xi

4.4.3 Thuật toán tìm mọi khóa (tt)

 Ví dụ 1:

– Cho lược đồ quan hệ Q(CSZ) và tập phụ thuộc hàm F={CS  Z; Z  C} Áp dụng thuật toán cải tiến, hãy tìm các khóa của Q

 Giải:

– TN = {S}; TG = {C,Z}

– Gọi Xi là các tập con của tập TG:

4.4.3 Thuật toán tìm mọi khóa (tt)

 Ví dụ 2:

– Cho quan hệ R (U), U = {A,B,C,D,G} và các phụ thuộc hàm F = {BC, CB, AGD} hãy tìm tất cả các khóa của R

Tổng kết chương

 Hệ luật dẫn Amstrong và hệ quả của nó

 Thuật toán tìm bao đóng của tập thuộc tính

 Thuật toán tìm phủ tối thiểu của tập phụ thuộc hàm

 Thuật toán tìm 1 khóa quan hệ.

 Thuật toán tìm tất cả các khóa của quan hệ

 Cho phụ thuộc hàm X  Y và tập Phụ thuộc hàm F, làm cách nào xác định được X  Y  F+ hay không ?

 Cho 2 tập phụ thuộc F và G, làm thế nào xác định

được F và G là tương đương?