Bài giảng Cơ sở dữ liệu - HV Công nghệ Bưu chính Viễn thông

Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 CƠ SỞ DỮ LIỆU BÀI GIẢNG DÀNH CHO SINH VIÊN CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGUYỄN QUỲNH CHI Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 GIỚI THIỆU Học phần Cơ sở dữ liệu cung cấp các kiến thức để sinh viên nắm được các mức trừu tượng hóa cơ sở dữ liệu, các mô hình cơ sở dữ liệu, các ngôn ngữ biểu diễn và xử lý dữ liệu, lý thuyết về cơ sở dữ liệu quan hệ, quy trình thiết kế một hệ thống cơ sở dữ liệu, các quá trình chuẩn hoá, truy vấn dữ liệu. Đồng thời, học phần cũng cung cấp cho sinh viên những kỹ năng để áp dụng những lý thuyết để thiết kế một cơ sở dữ liệu trong thực tế và xây dựng ứng dụng cơ sở dữ liệu dựa trên một hệ quản trị cơ sở dữ liệu có sẵn. Đối tượng chính của bài giảng này là sinh viên ngành Công nghệ thông tin hệ đại học, hệ cao đẳng hoặc sinh viên của các ngành khác cũng có thể dùng tài liệu này để tham khảo nhưng khối lượng sẽ được lược bỏ đi một phần tuỳ vào từng ngành và hệ đào tạo. Sinh viên cần hoàn thành các môn học: Toán rời rạc, Nhập môn logic, Cấu trúc dữ liệu và giải thuật trước khi tham gia học môn học này. Đây là một môn học tính điểm trung bình sau khi kết thúc cuối kỳ học, trong đó kiểm tra cuối kỳ chiếm 70%, bài tập lớn làm theo nhóm (khoảng 3 hoặc 4 người/nhóm) chiếm 20%, quá trình tham dự trên lớp chiếm 10%. Tổng số gồm 4 đơn vị học trình trong đó 48 tiết lý thuyết giảng trên lớp, 6 tiết cho việc giảng viên giải đáp thắc mắc về bài tập và bài tập lớn và 6 tiết cuối cùng dùng để sinh viên thuyết trình bài tập lớn trên lớp và trao đổi với giảng viên. Yêu cầu đọc sách để chuẩn bị bài và làm bài tập lớn theo hướng dẫn của giảng viên trước mỗi buổi tham gia lớp học. Nói chung sinh viên được khích đặt các câu hỏi và phát biểu ý kiến riêng với những vấn đề đặt ra trong quá trình nghe giảng trên lớp, tránh thái độ thụ động ngồi nghe. Nội dung của môn học sẽ được trình bày trong 16 bài học với nội dung được thể hiện trong mục lục của bài giảng. Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 MỤC LỤC GIỚI THIỆU ................................................................................................................................................ 1 MỤC LỤC .................................................................................................................................................... 3 Bài 1: Khái niệm chung về cơ sở dữ liệu-phần 1 ..................................................................................... 11 Khái niệm về cơ sở dữ liệu .................................................................................................................. 11 Khái niệm về hệ quản trị cơ sở dữ liệu ............................................................................................... 11 Các hệ thống cơ sở dữ liệu truyền thống ........................................................................................... 12 Tổng quan các thành phần của một hệ quản trị cơ sở dữ liệu .......................................................... 14 Kiến trúc của một hệ quản trị cơ sở dữ liệu ....................................................................................... 15 Khái niệm dữ liệu và thông tin ............................................................................................................. 16 Dữ liệu phái sinh và dữ liệu vật lý ................................................................................................... 17 Bài 2: Khái niệm chung về cơ sở dữ liệu-phần 2..................................................................................... 19 Sự cần thiết của việc thiết kế cơ sở dữ liệu ....................................................................................... 19 Các vai trò cần thiết trong một môi trường cơ sở dữ liệu ............................................................. 19 Các ưu điểm của hệ quản trị cơ sở dữ liệu ................................................................................... 20 Mô hình trừu tượng 3 lớp ................................................................................................................... 20 Mức bên ngoài .................................................................................................................................. 21 Mức khái niệm.................................................................................................................................. 22 Mức trừu tượng bên trong .............................................................................................................. 22 Mức trừu tượng vật lý ..................................................................................................................... 22 Khái niệm lược đồ, ánh xạ và thể hiện của cơ sở dữ liệu .............................................................. 22 Sự độc lập dữ liệu ............................................................................................................................ 24 Các ngôn ngữ cơ sở dữ liệu ................................................................................................................. 25 Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 Ngôn ngữ định nghĩa dữ liệu ........................................................................................................... 25 Ngôn ngữ thao tác dữ liệu ............................................................................................................... 26 Ngôn ngữ truy vấn ........................................................................................................................... 26 Các ngôn ngữ thế hệ thứ tư ............................................................................................................ 26 Bài 3: Các mô hình dữ liệu ........................................................................................................................ 27 Giới thiệu chung ................................................................................................................................... 27 Quá trình thiết kế một cơ sở dữ liệu .................................................................................................. 28 Bước 1. Phân tích yêu cầu của bài toán ........................................................................................... 28 Bước 2. Thiết kế cơ sở dữ liệu mức khái niệm .............................................................................. 28 Bước 3. Thiết kế cơ sở dữ liệu ở mức logic ................................................................................... 28 Bước 4. Cải thiện các lược đồ ......................................................................................................... 29 Bước 5. Thiết kế cơ sở dữ liệu vật lý .............................................................................................. 29 Bước 6.Thiết kế an toàn bảo mật cho hệ thống ............................................................................. 29 Mô hình thực thể liên kết .................................................................................................................... 29 Các ký pháp cho mô hình E-R được thể hiện trong hình vẽ dưới đây ............................................ 31 Một ví dụ về lược đồ E-R (ERD) được thể hiện trong hình vẽ dưới đây ........................................ 33 Một ví dụ khác về lược đồ E-R- phức tạp hơn ................................................................................ 33 Các thuộc tính trong mô hình E-R ..................................................................................................... 33 Các liên kết trong mô hình E-R ......................................................................................................... 34 Các ràng buộc ánh xạ lực lượng liên kết (mapping cardinality) trong mô hình E-R ........................ 35 Các ràng buộc tham gia trong mô hình E-R ...................................................................................... 37 Khóa của một tập thực thể .............................................................................................................. 37 Tập các mối quan hệ ........................................................................................................................ 38 Một số vấn đề cần quan tâm khi thiết kế mô hình E-R ...................................................................... 39 Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 Ảnh hưởng của ràng buộc ánh xạ lực lượng liên kết lên các khóa ................................................ 39 Vấn đề đặt vị trí cho các thuộc tính của mối quan hệ ..................................................................... 41 Các vấn đề thiết kế khác cần xem xét ............................................................................................. 43 Vấn đề tập thực thể hay các thuộc tính .......................................................................................... 43 Việc coi một đối tượng là một tập thực thể hay tập mối quan hệ ................................................ 44 Việc coi một đối tượng là tập thực thể yếu hay tập thực thể mạnh ............................................. 45 Bài 5: Giới thiệu về mô hình hóa dữ liệu-phần 2 .................................................................................... 47 Mô hình thực thể liên kết mở rộng ..................................................................................................... 47 Cụ thể hóa (Specializations) ............................................................................................................. 47 Tổng quát hóa ................................................................................................................................... 48 Sự kế thừa thuộc tính ...................................................................................................................... 49 Các ràng buộc trên việc tổng quát hóa ............................................................................................ 50 Tích hợp ............................................................................................................................................ 52 Các mối quan hệ nhiều ngôi. ............................................................................................................ 54 Lược đồ E-R với các chỉ thị vai trò .................................................................................................... 56 Giới thiệu về ngôn ngữ tạo mô hình thống nhất UML ........................................................................ 56 Sự liên quan giữa lược đồ lớp của UML và lược đồ E-R ................................................................. 56 Ràng buộc toàn vẹn tham chiếu .......................................................................................................... 58 Bài 6: Mô hình dữ liệu quan hệ ................................................................................................................ 60 Mô hình dữ liệu quan hệ ...................................................................................................................... 60 Quan hệ là gì? ................................................................................................................................... 62 Các lược đồ quan hệ và Các thể hiện của quan hệ ......................................................................... 63 Thiết kế logic .................................................................................................................................... 64 Việc ánh xạ mô hình thực thể liên kết sang mô hình quan hệ ............................................................ 65 Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 Bước 1: dùng cho việc ánh xạ các thực thể thông thường (thực thể khỏe) .................................. 65 Bước 2: Ánh xạ các thực thể yếu .................................................................................................... 67 Bước 3: Ánh xạ các quan hệ hai ngôi ............................................................................................... 68 Bước 4: Ánh xạ các thực thể liên kết (hay thực thể kết hợp) ........................................................ 70 Bước 5: Ánh xạ các quan hệ một ngôi (đệ quy) .............................................................................. 72 Bước 6: Ánh xạ các quan hệ nhiều ngôi .......................................................................................... 73 Bước 7: Ánh xạ các mối liên kết lớp cha/lớp con ........................................................................... 75 Bài 7 Ngôn ngữ truy vấn ........................................................................................................................... 79 Ngôn ngữ đại số quan hệ ..................................................................................................................... 79 Năm phép toán cơ bản của đại số quan hệ .................................................................................... 80 Phép chọn ......................................................................................................................................... 80 Phép chiếu ........................................................................................................................................ 81 Phép hợp .......................................................................................................................................... 82 Phép trừ ............................................................................................................................................ 83 Phép tích đề các ................................................................................................................................ 84 Biểu thức đại số quan hệ ................................................................................................................. 85 Bài 8 Ngôn ngữ truy vấn quan hệ - phần 2 .............................................................................................. 89 Các toán tử bổ sung trong đại số quan hệ ........................................................................................... 89 Phép giao .......................................................................................................................................... 90 Phép kết nối ...................................................................................................................................... 91 Phép kết nối ngoài ............................................................................................................................ 93 Phép nửa kết nối .............................................................................................................................. 94 Phép chia .......................................................................................................................................... 95 Tính hữu ích của các toán tử dư thừa (mở rộng) ........................................................................... 96 Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 Một số các truy vấn sử dụng chỉ năm phép toán cơ bản ............................................................... 96 Toán tử đặt lại tên ........................................................................................................................... 97 Các truy vấn để thực hành việc sử dụng tất cả các toán tử của đại số quan hệ ........................... 98 Bài 9: Giới thiệu về Phụ thuộc hàm ......................................................................................................... 99 Mục đích của sự chuẩn hóa và phụ thuộc hàm ................................................................................... 99 Dư thừa dữ liệu và dị thường khi cập nhật .................................................................................. 100 Thuộc tính kết nối không tổn thất thông tin ..................................................................................... 101 Bảo toàn các phụ thuộc hàm ............................................................................................................. 102 Định nghĩa phụ thuộc hàm ............................................................................................................. 102 Xác định các phụ thuộc hàm .......................................................................................................... 103 Tóm tắt về các đặc tính của phụ thuộc hàm ................................................................................. 105 Các luật suy diễn cho các phụ thuộc hàm ...................................................................................... 105 Tính toán bao đóng ............................................................................................................................. 106 Định nghĩa bao đóng ....................................................................................................................... 106 Thuật toán Closure {trả về X+ trên F} ............................................................................................ 107 Ví dụ sử dụng thuật toán tính Bao đóng Closure........................................................................... 107 Phủ và sự tương đương của tập phụ thuộc hàm ......................................................................... 108 Phủ không dư thừa ........................................................................................................................ 109 Các thuộc tính dư thừa .................................................................................................................. 111 Tập phụ thuộc hàm tối giản trái và tối giản phải .......................................................................... 111 Phủ đơn vị và Phủ tối thiểu ........................................................................................................... 113 Bài 10: Giới thiệu về chuẩn hoá ............................................................................................................. 115 Chuẩn hoá dựa trên khoá chính ......................................................................................................... 115 Xác định khoá cho một lược đồ quan hệ ....................................................................................... 115 Học viện Công nghệ Bưu Chính Viễn thông- Khoa Công nghệ thông tin I Hà nội 5/2010 Chuẩn hoá dựa trên khoá chính ..................................................................................................... 116 Các yêu cầu chuẩn hoá ....................................................................................................................... 117 Dạng chưa phải chuẩn 1 (Non-first normal form-N1NF) ............................................................. 117 Dạng chuẩn 1 (First Normal Form-1NF) ......................................................................................... 118 Dạng chuẩn hai (2NF) ..................................................................................................................... 118 Bài 11: Giới thiệu về chuẩn hoá-phần 2 ................................................................................................ 119 Dạng chuẩn 3NF ............................................................................................................................. 119 Tại sao cần chuẩn 3NF ...........................................