Tài liệu Chương III: DATABASE(P1) ppt

Các khái niệm  Mô hình dữ liệu  Sự hình thức hóa toán học với tập hợp các ký hiệu để mô tả và tập các phép toán được dùng để thao tác đối với các dữ liệu  Một số mô hình dữ liệu cơ

KỸ THUẬT PHẦN MỀM

Chương III: DATABASE

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Khoa Điện tử Viễn Thông – Bộ môn Điện tử Tin học

3.1_ Giới thiệu

3.1.1 Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu

a Cơ sở dữ liệu (CSDL) là gì?

b Ưu điểm của CSDL

3.1.2 Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu

3.1.3 Sơ bộ lịch sử phát triển

3.1.4 Các loại mô hình dữ liệu cơ bản

a Mô hình quan hệ (Relational Data Model)

b Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)

c Mô hình mạng (Network Data Model)

3.1.5 Tính độc lập dữ liệu

3.1.1 Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu

a Cơ sở dữ liệu (CSDL) là gì?

 Đặc điểm của CSDL (DataBase)

 Là tập hợp dữ liệu liên quan được lưu trên các bộ nhớ ngoài (đĩa từ,

trống từ ).

 Có một tập các chương trình ứng dụng được chạy với các dữ liệu này

và thậm chí dùng để truyền đi xa.

 CSDL là một tổ hợp: đó là một tập hợp nhiều loại dữ liệu cho nhiều

người dùng với nhiều mục đích khác nhau

 Định nghĩa CSDL

 CSDL là một tập hợp các dữ liệu được lưu trữ để phục vụ các hệ

thống ứng dụng

 Hệ quản trị CSDL (DBMS-DataBase Management System)

 Phần chương trình để có thể xử lý, thay đổi tập hợp các dữ liệu này

 Như một bộ diễn dịch (Interpreter) với ngôn ngữ bậc cao

3.1.1 Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu

b Ưu điểm của CSDL

 Tại sao ngươi ta cần lưu trữ dữ liệu trong một tổ

hợp như CSDL?

 CSDL cung cấp một sự điều khiển tập trung đối với các dữ

liệu trong CSDL

 Các phần tử trong hệ thống CSDL

3.1.1 Khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu

b Ưu điểm của CSDL (tiếp)

 Những ưu điểm của sự điều khiển tập trung

 Giảm sự dư thừa dữ liệu cần lưu trữ.

 Có thể tránh được những xung đột về dữ liệu được lưu trữ.

 Có thể dùng chung dữ liệu đã được lưu trữ

 Có thể chuẩn hoá dữ liệu giúp đơn giản hoá các vấn đề về bảo hành

và trao đổi dữ liệu giữa các lần cài đặt.

 Có thể áp dụng các phương pháp bảo mật với dữ liệu.

 Duy trì được sự thống nhất dữ liệu để đảm bảo CSDL chỉ chứa dữ

liệu chính xác.

 Có thể cân đối được các đòi hỏi xung đột nhau.

 Dữ liệu là độc lập, độc lập với cấu trúc bộ nhớ, với phương pháp lưu

trữ và tiếp cận thông tin.

 Đảm bảo quy tắc toàn vẹn dữ liệu.

3.1.2 Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu

Mô hình dữ liệu (Data Model)

Mô hình khái niệm (Conceptual model)

Lược đồ trong (Internal schema)

Cơ sở dữ liệu (DBMS)

Ngôn ngữ Không gian làm việc

Ngôn ngữ Không gian làm việc

Ngôn ngữ Không gian làm việc

Ngôn ngữ Không gian làm việc

(External Model B)

Mô hình ngoài A (Khung nhìn A) (External Model A)

Người sử dụng

Theo mặt cắt dọc

a) Các mức của kiến trúc

 Mức ngoài (hay còn gọi là khung nhìn)

 Mức ngoài liên quan đến cách nhìn, quan niệm của từng

người sử dụng CSDL vì vậy còn gọi là "khung nhìn"

 Có nhiều "cách nhìn ở mức ngoài" khác nhau Mỗi cách

nhìn (mỗi khung nhìn) bao gồm sự biểu diễn trừu tượng

của một phần nào đó của CSDL.

 Hầu hết các người sử dụng không quan tâm đến tổng thể

toàn bộ CSDL mà chỉ quan tâm đến một phần riêng biệt nào đó của CSDL

a) Các mức của kiến trúc (tiếp)

 Mức khái niệm

 Mức khái niệm cho phép ta định nghĩa một cách nhìn

thống nhất cho người sử dụng.

 "Cách nhìn ở mức khái niệm" bao gồm sự biểu diễn trừu

tượng của tổng thể toàn bộ CSDL.

 Thực chất đây là mức logic của toàn bộ CSDL

 Mức trong (còn gọi là mức vật lý)

 Mức trong rất gần với cách lưu trữ trong bộ nhớ máy tính.

 CSDL vật lý (CSDL ở mức vật lý) là các tệp dữ liệu theo

một cấu trúc nào đó được lưu trên các thiết bị nhớ ngoài

 Liên hệ với cấu trúc lưu trữ ngoài

b) Các khái niệm

 Khái niệm "thể hiện" (instance)

 Một khi CSDL đã được thiết kế, thường người ta chỉ quan

tâm đến "Bộ khung" hay còn gọi là "mẫu" của CSDL

 Dữ liệu hiện có trong CSDL gọi là "thể hiện" của CSDL

 Mặc dù dữ liệu có thể thay đổi trong một chu kỳ thời gian

nào đó nhưng "bộ khung" của CSDL vẫn không thay đổi

 Khái niệm "lược đồ" (schema)

 Khái niệm "bộ khung" nêu ở phần trước bao gồm một số

danh mục hoặc chỉ tiêu hoặc một số kiểu của các thực thể trong CSDL

 Giữa các thực thể có thể có những mối quan hệ nào đó với

nhau vì vậy người ta thường dùng thuật ngữ "lược đồ" thay cho "bộ khung".

b) Các khái niệm (tiếp)

 Khái niệm "lược đồ" (schema)

Theo mặt cắt ngang

Các thao tác với bộ khung (Schema operations)

Phần xử lý truy vấn (Query Processor)

Phần quản lý lưu trữ (Data Management)

Phần quản lý giao dịch (Transaction Management)

Dữ liệu, Siêu dữ liệu (Data, Meta-data)

Các truy vấn (Query) Các thao tác với dữ liệu (Data operations)

3.1.2 Kiến trúc một hệ cơ sở dữ liệu

3.1.3 Sơ bộ lịch sử phát triển

 Trước đây:

 Những năm 1960: dữ liệu lưu trữ dưới dạng các tệp

 CSDL Phân cấp (Hierarchical Model)

 CSDL Mạng (Network Model)

 Gần đây và hiện nay:

 1970, E.F Codd: CSDL Quan hệ (Relational Model)

 Phát triển thao xu hướng chuyên môn hoá

 Tập trung vào các hệ thống nhỏ (PCs )

 Tập trung vào các hệ thống lớn (làm việc với lượng dữ liệu khổng lồ)

 Tương lai gần:

 Thêm mô hình hướng đối tượng (OO-Model)

 Tăng khả năng phát triển các ràng buộc (constraints) và các kích

hoạt (triggers)

 Lưu trữ thành các tổ hợp dữ liệu: multimedia

 Kho dữ liệu (Data Warehousing) – Khai thác dữ liệu (Data mining)

3.1.3 Sơ bộ lịch sử phát triển

 Một số ví dụ về hệ quản trị CSDL

 Btrieve: dữ liệu lưu trữ dưới dạng các tệp

 Dạng giống COBOL: dạng mô hình mạng

Các khái niệm

 Mô hình dữ liệu

 Sự hình thức hóa toán học với tập hợp các ký hiệu để mô tả và tập

các phép toán được dùng để thao tác đối với các dữ liệu

 Một số mô hình dữ liệu cơ bản sẽ giới thiệu

 Mô hình quan hệ (Relational Model):

 Mô hình này dựa trên cơ sở khái niệm lý thuyết tập hợp của các quan hệ, tức là tập các k-bộ với k cố định.

 Mô hình phân cấp (Hierarchical Model):

 Mô hình dữ liệu là một cây, trong đó các nút biểu diễn biểu diễn các tập thực thể, các nút con và nút cha được liên hệ theo một mối quan hệ xác định.

 Mô hình mạng (Network Model):

 Mô hình được biểu diễn là một đồ thị có hướng.

 Ngôn ngữ con dữ liệu

 Tập các phép toán được cung cấp để thao tác dữ liệu

3.1.4 Các loại mô hình dữ liệu cơ bản

Hình 3.2 Dữ liệu mẫu trong dạng quan hệ.

a Mô hình quan hệ (Relational Data Model)

P P# PNAME COLOR WEIGHT CITY

SP S# P# QTY

S1 P1 300 S1 P2 200 S1 P3 400 S2 P1 300 S2 P2 400 S3 P2 200

Supplier - Hãng cung cấp

Part - Mặt hàng

Shipment – Gửi hàng

Nhận xét qua ví dụ:

1. Tóm tắt sự tương ứng giữa các khái niệm

Quan hệ (Relation) Bộ (Tuple) Thuộc tính (Attribute)

Tệp (File) Bản ghi (Record) Trường (Field) Bảng (Table) Hàng (Row) Cột (Column)

 Mỗi bảng trong ba bảng trên giống như một tệp tuần tự truyền

thống (Sequential File)

 Tuy nhiên có các sự khác biệt đáng kể giữa các bảng này và

các tệp tuần tự truyền thống

 Mỗi bảng là một trường hợp riêng của cấu trúc được biết đến

trong toán học - đó là "quan hệ"

1. Miền (Domain)

 Miền là một tập các giá trị mà từ đó các giá trị thực sự sẽ

xuất hiện trên các cột của bảng

 Bản thân miền có thể không được ghi nhận một cách tường

minh như là một tập các giá trị thực sự trong cơ sở dữ liệu nhưng nó được định nghĩa trong lược đồ khái niệm và có tên riêng của mình

 Ví dụ:

 Một đặc điểm nổi bật của cấu trúc dữ liệu quan hệ là các

mối kết nối giữa các bộ (các hàng) được biểu thị chặt chẽ bởi các giá trị dữ liệu trong các cột được rút ra từ một miền chung

 Ví dụ:

a Mô hình quan hệ (Relational Data Model)

1. Bảng là dạng thống nhất

 Thực tế, tất cả các thông tin trong cơ sở dữ liệu - các thực

thể (entities) và các mối kết nối (associations) - được biểu diễn trong một dạng thống nhất được gọi là bảng

 Như sẽ thấy sau này, đặc tính này không có trong cấu trúc phân cấp và cấu trúc mạng.

 Qua quan sát, nhận thấy cấu trúc quan hệ rất đơn giản, dễ

hiểu.

1. Mô hình quan hệ có sự thống nhất trong tập các

phép toán

 Theo quan điểm của người sử dụng, ngôn ngữ con dữ liệu -

tập các phép toán được cung cấp để thao tác dữ liệu trong dạng quan hệ - là rất quan trọng

 Ngoài ra, có thể nhận thấy: sự thống nhất trong cách biểu

diễn dữ liệu dẫn đến sự thống nhất tương ứng trong tập các phép toán

 Điều này đối nghịch với các cấu trúc phức tạp khác (như

cấu trúc phân cấp, cấu trúc mạng) mà ở đó thông tin có thể được biểu diễn trong một vài cách khác nhau và do đó cần đến một số tập các phép toán

1. Mụ hỡnh quan hệ cú sự thống nhất trong tập cỏc

cú số hiệu S2.

Next: + Duyệt hãng cung cấp tiếp theo

mà có S# = S2.

+ Có ti m thấy hãng đó không? ̀ Nếu không thì thoát ra.

+ ưa ra P# Đ + i tới Next Đ

1. Không có dị thường xảy ra đối với thao tác

b Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)

P P# PNAME COLOR WEIGHT CITY

Shipment – Gửi hàng

b Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)

Hình 3.4 Mô hình dữ liệu mẫu trong dạng phân cấp

P1 Nut Red 12 London

Nhận xét qua ví dụ:

1. Trong mô hình phân cấp, các thực thể quan hệ với

nhau thông qua cấu trúc cây, tất cả tạo nên một

rừng cây

 Người sử dụng thấy bốn cây tách biệt nhau, hay còn gọi là

bốn thể hiện phân cấp, mỗi cây thể hiện cho một mặt hàng

 Mỗi cây thể hiện một bản ghi về đơn đặt hàng gồm dữ liệu

mặt hàng, kèm theo dữ liệu nhà cung cấp và số lượng

 Kiểu dữ liệu của thực thể đóng vai trò như một gốc (root)

 Để xác định chính xác các cây (gốc, chiều đi ) thi cần phải

có một bản thiết kế tổng thể về dữ liệu của các thực thể, các mối liên kết

1. Trong mô hình phân cấp, các thực thể và các mối

kết nối không được biểu diễn trong một dạng thống nhất

 Trong mô hình quan hệ tương ứng đã xét ở trên, chúng ta

có ba tệp dữ liệu đơn giản

 Tương tự như vậy, ta có thể đặt mô hình phân cấp của

Hình 3.1.4 tương ứng với một tệp dữ liệu chứa các bản ghi

được sắp xếp thành bốn cây riêng biệt

 Tuy nhiên cần lưu ý là tệp như vậy có cấu trúc phức tạp

các bảng ở mô hình quan hệ rất nhiều.

b Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)

1. Ngôn ngữ con dữ liệu phức tạp hơn so với ngôn ngữ

con dữ liệu của mô hình quan hệ

 Trong cách nhìn phân cấp của dữ liệu, bất kỳ bản ghi phụ

thuộc đã cho nào cũng chỉ mang ý nghĩa đầy đủ khi nó được xét trong một ngữ nghĩa nào đó

 Không một thể hiện bản ghi phụ thuộc nào có thể tồn tại

mà không có thể hiện dẫn trước nó

 Do đó trong ngôn ngữ con dữ liệu, cần phải bao gồm thêm

một toán hạng để biểu thị ý nghĩa này

 Chúng ta sẽ hiểu rõ hơn điều này khi xét hai câu hỏi đối

xứng nhau cho mô hình phân cấp như đã xét cho mô hình quan hệ (Hình 3.1.5).

b Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)

b Mụ hỡnh phõn cấp (Hierarchical Data Model)

 Hỡnh 3.5 Hai cõu hỏi mẫu đối với mụ hỡnh phõn cấp.

Hai giải thuật khỏc nhau cho hai cõu hỏi đối xứng

S# = S2 + Có tìm thấy hãng cung cấp đó không?

+ Nếu không thì đi tới Next + Đưa ra P#

 Mặc dù hai câu hỏi gốc là đối xứng nhưng hai giải thuật

tương ứng trên Hình 3.1.5 thì không đối xứng (ngược lại với mô hình quan hệ)

 Đây là nhược điểm chủ yếu của cách tiếp cận phân cấp vì

nó dẫn đến sự phức tạp không cần thiết cho người sử dụng

 Điều này có nghĩa là các chương trình sẽ trở nên phức tạp

hơn sự thực cần thiết và hậu quả là việc viết chương trình,

gỡ rối và bảo trì sẽ đòi hỏi ở người lập trình nhiều thời gian hơn cần thiết.

b Mô hình phân cấp (Hierarchical Data Model)

1. Tồn tại các dị thường đối với các thao tác lưu

Hình 3.6 Dữ liệu mẫu trong mô hình mạng

P1 Nut Red 12 London S1 Smith 20 London

S2 Jones 10 Paris

P2 Bolt Green 17 Paris

S3 Blake 30 Paris

P3 Screw Blue 17 Rome

P4 Screw Red 14 London

300

200 400

200 400

300

Nhận xét qua ví dụ:

1. Cũng như trong mô hình phân cấp, dữ liệu được biểu hiện

thông qua các bản ghi (record) và các mối kết nối (link)

 Ngoài các kiểu bản ghi biểu diễn nhà cung cấp và các mặt hàng, còn

có kiểu bản ghi thứ ba: các kết nối (link or connector)

 Tất cả các thể hiện kết hợp đối với một hãng cung cấp đều đặt trong

một chuỗi mà điểm bắt đầu và kết thúc chuỗi đều ở tại đó

 Tương tự, tất cả các thể hiện kết hợp đối với một mặt hàng đã cho

đều đặt trong một chuỗi được bắt đầu và kết thúc tại chính nó

 Như vậy, mỗi mối kết hợp được xuất hiện trên đúng hai chuỗi:

c Mụ hỡnh mạng (Network Data Model)

1. Mụ hỡnh mạng (Hỡnh 3.6) đối xứng hơn mụ hỡnh phõn cấp

(Hỡnh 3.4), tuy nhiờn, cỏc thủ tục này phức tạp hơn so với cả 2

mụ hỡnh quan hệ và mụ hỡnh phõn cấp

+ Nếu không thấy thì thoát ra

+ Duyệt hãng cung cấp dẫn trước của kết

nối này

+ Đưa ra S#

+ Đi tới thực hiện Next

Q2: Tỡm cỏc số hiệu mặt hàng đang được cung cấp bởi hóng cung cấp cú

số hiệu S2.

+ Duyệt hãng cung cấp tiếp theo [Next]

mà có S# = S2 Next: + Duyệt kết nối tiếp theo cho hãng cung cấp này

+ Có tìm thấy kết nối đó không?

+ Nếu không thấy thì thoát ra + Duyệt mặt hàng dẫn trước của kết nối này

+ Đưa ra P#

+ Đi tới thực hiện Next

1. Không có các dị thường xảy ra đối với các thao tác

lưu trữ cơ bản:

 Phép Chèn (Insert):

 Phép xoá (Delete):

 Phép thay đổi (Update)

1. Nhược điểm chính của mô hình mạng là sự phức

tạp, phức tạp từ cấu trúc của chính mô hình đến ngôn ngữ con dữ liệu có liên quan đến nó

 Nguồn gốc của sự phức tạp này nằm ở khối lượng thông

tin về cấu trúc của mô hình dữ liệu này

 Thông tin phải bao gồm hai phần:

 bản ghi

 mối liên kết

 Các cấu trúc dữ liệu này rất gần với cấu trúc bộ nhớ

 Tầm quan trọng

 Tính độc lập dữ liệu là mục tiêu chủ yếu của các CSDL

 J Date định nghĩa:

 Tính độc lập dữ liệu là "tính bất biến của các hệ ứng dụng

đối với các thay đổi trong cấu trúc lưu trữ và chiến lược truy cập"

 Phân loại mức độ độc lập

 Theo sơ đồ kiến trúc của hệ thống CSDL

 Độc lập dữ liệu ở mức logic

 Độc lập dữ liệu ở mức vật lý

3.1.5 Tính độc lập dữ liệu

 Độc lập dữ liệu ở mức logic

 Vấn đề đặt ra:

 Có thể cần thiết phải thay đổi lược đồ khái niệm như thêm thông tin các loại khác nhau của các thực thể hoặc bớt, xoá các thông tin về các thực thể đang tồn tại trong CSDL

phải viết lại các chương trình đó => độc lập dữ liệu mức vật lý

3.1.5 Tính độc lập dữ liệu

 Qua các ví dụ trên => một hệ CSDL phải có

khả năng biểu diễn hai dạng đối tượng:

 Sự khác nhau giữa ba loại mô hình đã xét (mô hình

quan hệ, mô hình phân cấp, mô hình mạng):

 Thể hiện ở cách thức cho phép người sử dụng quan sát và

thao tác các kết nối

 Mô hình quan hệ có nhiều ưu điểm và được nhiều

người quan tâm hơn cả vì:

 Mô hình dữ liệu quan hệ có tính độc lập dữ liệu cao

 Mô hình dữ liệu quan hệ dễ sử dụng

 Điều quan trọng hơn cả, mô hình quan hệ được hình thức

hoá toán học tốt, do đó được nghiên cứu phát triển và cho được nhiều kết quả lý thuyết cũng như ứng dụng trong thực tiễn

3.1.6 Kết luận