Bài giảng Cơ sở dữ liệu - Chương 2: Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ - Nguyễn Việt Cường

1Mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ (The Relational Database Model) Chương 3 2 Giới thiệu  Mô hình Cơ sở dữ liệu Quan hệ (gọi tắt là Mô hình Quan hệ) do E.F Codd đề xuất năm 1971  Mô hình Quan hệ thể hiện dữ liệu dưới góc độ logic  Mô hình này bao gồm:  Các khái niệm nhằm mô tả dữ liệu dưới dạng dòng và cột như quan hệ, bộ, thuộc tính, khóa chính, khoá ngoại, ...  Các phép toán thao tác với dữ liệu_ Đại số quan hệ  Ràng buộc toàn vẹn quan hệ  Các Hệ quản trị CSDL quan hệ (RDBMS) được xây dựng dựa trên lý thuyết mô hình quan hệ. 3 Các khái niệm  Quan hệ / bảng  Thuộc tính  Bộ  Lược đồ quan hệ  Khóa 4 Quan hệ  Dữ liệu lưu trữ trong CSDL Quan hệ được tổ chức thành các Quan hệ (relation)  Quan hệ (relation) thể hiện ra như là bảng (table)  Một quan hệ có :  Một tên  Tập hợp các thuộc tính (attribute), có tên và kiểu dữ liệu  Tập hợp các bộ (tuple), có thể thay đổi theo thời gian 5 Quan hệ và bảng MASV MAMH MAKHOA DIEMTHI 99001 CSDL CNTT 3.0 99002 CSDL CNTT 8.0 99001 THVP CNTT 6.0 99005 THVP AV 5.0 Thuật ngữ tương đương : • Quan hệ, bộ, thuộc tính (Relation, tuple, attribute) • Bảng, dòng, cột (Table, row, column) 6 Thuộc tính Một thuộc tính bao gồm :  Tên thuộc tính  Tên phân biệt  Giúp diễn giải ý nghĩa thuộc tính (thuộc tính của thực thể, hay mối kết hợp)  Kiểu dữ liệu thuộc tính  Số nguyên, số thực, văn bản, logic,  Miền giá trị xác định  Có thể bị áp đặt bởi qui tắc nghiệp vụ, hay ràng buộc dữ liệu  Có thể NULL 7Bộ và quan hệ  Mỗi bộ (dòng) là một tổ hợp các giá trị tương ứng với các thuộc tính của quan hệ  mô tả về một thực thể , hay một mối kết hợp có trong thế giới thực  Một tập các bộ xác định tại một thời điểm, gọi là một thể hiện của lược đồ quan hệ (hay quan hệ)  Ký hiệu: r(Ketqua)  Không có 2 bộ trùng nhau trong một quan hệ  khóa  Trật tự của các bộ (và các thuộc tính) là không quan trọng đối với DBMS. 8 Lược đồ Quan hệ  Lược đồ quan hệ - relation schema  Mô tả cấu trúc của quan hệ  Các thuộc tính và Mối liên hệ giữa các thuộc tính  Mỗi lược đồ quan hệ luôn kèm một tân từ để diễn tả ý nghĩa của nó. Vd, tân từ: Mỗi Sinh viên thuộc một khoa, học một môn học thì có kết quả thi môn học đó.  Ký hiệu: Ketqua( MASV, MAMH, MAKHOA, DIEMTHI)  Lược đồ CSDL  Tập hợp các lược đồ quan hệ trong cùng một CSDL 9 Khóa (Key hay candidate key)  Gọi S là một tập các thuộc tính của lược đồ quan hệ R  S được gọi là một siêu khóa (superkey) của lược đồ quan hệ R, nếu với hai bộ bất kỳ trong R thì giá trị của các thuộc tính trong S là khác nhau  Siêu khoá có ít thuộc tính nhất được gọi là khóa (key) hay khóa dự tuyển (candidate key)  Một lược đồ quan hệ có thể có nhiều khóa (khóa dự tuyển)  Một khóa được chọn để cài đặt gọi là khóa chính (primary key)  Không chứa giá trị NULL  khóa ngoại (foreign key) là thuộc tính của LĐQH này nhưng lại là khóa chính của LĐQH khác  Khóa phức (composite key) là khóa có nhiều hơn một thuộc tính  Thuộc tính khóa và thuộc tính không khóa 10 Khóa _ ví dụ 1  Monhoc(Mamon, Tenmon, Sotiet) rMonhoc Mamon Tenmon Sotiet THVP Tin hoc văn phòng 30 LTC Lập trình C 60 CSDL1 Co so du lieu 45 CSDL2 Co so du lieu 45 Siêu khóa : {Mamon}, {Mamon, Tenmon}, {Mamon, Sotiet}, {Mamon, Tenmon, Sotiet} Khóa (khóa dự tuyển, khóa chính) : {Mamon} 11 Khóa _ ví dụ 2  Ketqua(MaSV, MaMH, Makhoa, Diemthi) rKQ MASV MAMH MAKHOA DIEMTHI 99001 CSDL CNTT 3.0 99002 CSDL CNTT 8.0 99001 THVP CNTT 6.0 99005 THVP AV 5.0 Siêu khóa: {MaSV, MaMH}, {MaSV,MaMH,MaKhoa}, Khóa (khóa dự tuyển, khóa chính , khóa phức): {MaSV, MaMH} Khóa ngoại : {Makhoa} 12 Khóa _ ví dụ 3  Sinhvien(MaSV, Hoten, Phai, soCMND) rSV MaSV Hoten Phai soCMND 99001 Nguyen van anh Nam 01245012 99002 Tran Le Tuan Nam 02209875 99003 Nguyen Thi Hong Nu 04563711 99004 Do van Thuan Nam Siêu khóa : {MaSV} , {MaSV, Hoten}, , {soCMND} , {soCMND, Hoten}, Khóa (khóa dự tuyển): {MaSV} , {soCMND} Khóa chính : {MaSV} 13 Đại số quan hệ  Khái niệm  Các phép toán đại số quan hệ  Ví dụ 14 Giới thiệu  Đại số quan hệ (và phép tính quan hệ) được định nghĩa bởi Codd 1971  được xem như là nền tảng của các ngôn ngữ quan hệ khác như SQL  Là ngôn ngữ thủ tục bậc cao  Được dùng để chỉ ra cách xây dựng một quan hệ mới từ một hay nhiều quan hệ trong DB  Bao gồm tập các phép toán thao tác trên các quan hệ 15 Các phép toán (operation)  5 phép toán cơ bản  Phép chọn (selection)  Phép chiếu (projection)  Phép hợp (union)  Phép trừ (set difference)  Phép tích Descartes (Cartesian product)  3 phép toán suy dẫn*  Phép kết (Join)  Phép giao (Intersection)  Phép chia (Division) (*Có thể được biểu diễn dưới dạng các phép toán cơ bản) 16 Ký hiệu  Quan hệ r là một thể hiện của lược đồ quan hệ R(A1, A2, , Am)  Điều kiện F là 1 biểu thức luận lý có giá trị true/false. F bao gồm:  Các toán hạng là hằng hoặc tên thuộc tính  Các phép toán so sánh =, , ,   Các phép toán luận lý not (), and (), or () 17 Phép chọn (selection) Phép chọn trên quan hệ r(R) theo điều kiện F, ký hiệu là r(F) hay r:F , cho kết quả là 1 quan hệ bao gồm các bộ của r thỏa mãn điều kiện F r(F) = r:F = { t |t r và F(t) = true } 17* Phép chọn và phép chiếu là phép toán một toán hạng 18 Phép chọn (selection) – ví dụ 1 Relation r A B C D         1 5 12 23 7 7 3 10 r(A=B ^ D>5) A B C D     1 23 7 10 r(A=B) A B C D       1 12 23 7 3 10 19 Phép chiếu (Projection) Cho quan hệ r trên R(A1, A2,..,Am) và tập con các thuộc tính X={Aj1, Aj2, , Ajn} với j1, j2,.., jn là các số nguyên phân biệt nằm trong khoảng từ 1 đến m Phép chiếu r trên tập thuộc tính X cho kết quả là 1 quan hệ r[X] = r.X = {t |  u r sao cho t = u[X]} Phép chiếu loại bỏ những bộ trùng nhau 19 20 Phép chiếu (Projection) – ví dụ 1 Relation r A B C     10 20 30 40 1 1 1 2 A C     1 1 1 2 A C    1 1 2 r[A,C] 21 Phép hợp (union)  Phép hợp của 2 quan hệ r và s r + s = r  s = { t | t  r  t  s} trong đó: r và s là hai quan hệ khả hợp r + s 22 Phép hiệu (Set Difference)  Phép hiệu của 2 quan hệ r và s r - s = { t | t  r  t  s } trong đó: r và s là hai quan hệ khả hợp r - s 23 Phép giao (Intersection)  Phép giao của 2 quan hệ r và s r * s = r  s = {t | t  r  t  s} trong đó: r và s là hai quan hệ khả hợp Hai quan hệ r và s là khả hợp ( union-compatible) khi : •Có cùng số thuộc tính •Các thuộc tính tương ứng có cùng miền giá trị r * s 24 Bài tập  Cho 2 quan hệ định nghĩa trên 2 lược đồ Quan hệ : Customer( Cuscode, cusName, cusPhone, City) Supplier ( SupCode, SupName, SupPhone, City)  Hiển thị danh sách các thành phố có khách hàng và đồng thời có nhà cung cấp?  Hiển thị danh sách các thành phố có khách hàng và không có nhà cung cấp? 25 Phép tích Descartes Cho quan hệ r trên lược đồ R(A1, A2,..,Am) và s trên lược đồ S(B1,B2,,Bn) Nếu R và S có các thuộc tính trùng tên, thì phải đổi tên. Phép tích Descartes của r và s là 1 quan hệ trên lược đồ T(A1, A2,.., Am, B1, B2, .,Bn) r x s ={ t |  tr  r và ts  s với t[A1, A2,.., Am] = tr và t[B1, B2, .,Bn] = ts } 25 26 Phép tích Descartes – ví dụ 1  Relations r, s: r x s MASV MAMH DIEM 99001 CSDL 5.0 99002 FOX 2.0 99003 MANG 8.0 MAMH TENMH CSDL COSO DULIEU FOX FOXPRO MASV MAMH DIEM MAMH TENMH 99001 CSDL 5.0 CSDL COSO DULIEU 99001 CSDL 5.0 FOX FOXPRO 99002 FOX 2.0 CSDL COSO DULIEU 99002 FOX 2.0 FOX FOXPRO 99003 MANG 8.0 CSDL COSO DULIEU 99003 MANG 8.0 FOX FOXPRO 27 Phép tích Descartes  ứng dụng : phép tích Descartes là một phép tính vô nghĩa nếu đứng riêng. Tuy nhiên, nếu kết hợp sau phép toán này một phép chọn phù hợp , kết quả sẽ có nghĩa : kết hợp các bộ có liên quan từ hai quan hệ. Vd : Hiển thị bảng điểm của các sinh viên. Bao gồm MaSV, MaMH, Diem, TenMH => Viết biểu thức đại số quan hệ ? (r x s) ( r.MaMH = s.MaMH) 27 28 Phép kết (join)  thay thế phép (r x s) (F) với F là biểu thức điều kiện có dạng r.A  s.B  Bao gồm :  Theta join (-join)  Equijoin  Natural join  Outer join 29 Phép kết  - Theta join Cho r và s là hai quan hệ tương ứng trên các lược đồ R(A1, A2,..,Am) và S(B1,B2,,Bn) Gọi Q(A1, A2,.., Am, B1, B2, .,Bn)   là 1 phép so sánh Ai  R và Bj  S là 2 thuộc tính có thể so sánh với nhau bởi phép  Phép kết  của r và s trên 2 thuộc tính Ai và Bj ký hiệu , cho kết quả là 1 quan hệ q trên lược đồ quan hệ Q, bao gồm các bộ t q(Q) = {t |  tr  r và ts  s với t[R] = tr và t[S] = ts và t[Ai]  t[Bj] } 29 r s Ai  Bj 30 Phép kết  - Theta join Ví dụ : Hiển thị ứng với mã mỗi môn học và các môn học tiếp sau nó ? MONHOC ( MaMon, TenMon, SoTC, Hocky) 30 MaMon TenMon SoTC Hocky A Aaaa 3 1 B Bbbb 4 1 C Cccc 3 2 D Dddd 2 3 Chú ý : Sử dụng phép gán để tạo ra một biến quan hệ tạm: s  r [MaMon, Hocky] , với r  MONHOC 31 Phép kết  - Theta join MaMon Hocky A 1 B 1 C 2 D 3 MaMon Hocky A 1 B 1 C 2 D 3 r s r.Hocky < s.Hocky MaMon MaMonsau A C A D B C B D C D 32 Phép kết bằng và kết tự nhiên Phép kết Theta với  là phép so sánh bằng , thì được gọi là phép kết bằng _ Equijoin Phép kết Theta với  là phép so sánh bằng được thực hiện trên các thuộc tính chung (cùng tên) của R và S , thì được gọi là phép kết tự nhiên – Natural join. Ký hiệu  Quan hệ kết quả q không lặp lại các thuộc tính chung của R và S VD: Hiển thị danh sách các khách hàng và nhà cung cấp ở cùng một thành phố Customer( Cuscode, cusName, cusPhone, City) Supplier ( SupCode, SupName, SupPhone, City) 32 r s 33 Phân biệt các phép join Phép so sánh Áp dụng trên Tập kết quả Theta join Tất cả Trên 2 thuộc tính cùng kiểu dữ liệu Equijoin phép bằng Trên 2 thuộc tính cùng kiểu dữ liệu Natural join phép bằng Trên 2 thuộc tính chung Không lặp lại thuộc tính chung 34 Phép kết ngoài - Outer join Bao gồm : Left/Right Outer Join, Full Outer Join Phép kết Left Outer Join giữa r và s, cho phép các bộ của r không kết được với các bộ của s cũng được xuất hiện trong quan hệ kết quả  Những giá trị tương ứng với các bộ trong quan hệ bị thiếu sẽ được gán trị Null  Ưu điểm : giữ được thông tin mà lẽ ra bị mất trong phép kết  Ký hiệu : 34 r s 35 r s MASV MAMH DIEM 99001 CSDL 5.0 99002 FOX 2.0 99003 MANG 8.0 MAMH TENMH CSDL COSO DULIEU FOX FOXPRO MASV MAMH DIEM MAMH TENMH 99001 CSDL 5.0 CSDL COSO DULIEU 99002 FOX 2.0 FOX FOXPRO 99003 MANG 8.0 Phép kết ngoài - Outer join 36 Phép chia - Division  Cho quan hệ r định nghĩa trên R với tập thuộc tính A  Cho quan hệ s định nghĩa trên S với tập thuộc tính B , với B  A  Gọi C = A - B , là tập thuộc tính chỉ có trong tập thuộc tính A của R  Phép chia r  s cho kết quả là một quan hệ với tập thuộc tính C và bao gồm các bộ sao cho đối với mọi bộ của s , thì tồn tại bộ thuộc r 37 Phép chia – Division r  s A   B 1 2 A B            1 2 3 1 1 1 3 4 6 1 2 s s r 38 Phép chia – Division  Ví dụ : cho lược đồ CSDL SV( MaSV, HoSV, TenSV, Phai) Monhoc( MaMon, TenMon, SoTC ) KetQua( MaSV, MaMon, Diem) Hiển thị danh sách các Sinh viên (MaSV) đã có kết quả học tập của tất cả các môn học ? KetQua[MaSV, MaMon]  Monhoc[MaMon] 39 Ràng buộc toàn vẹn  Ràng buộc tòan vẹn là gì  Các loại ràng buộc toàn vẹn  Biểu diễn ràng buộc toàn vẹn 40 Khái niệm  Ràng buộc toàn vẹn (integrity constraint) là qui tắc mà tất cả các dữ liệu trong CSDL phải thỏa mãn  Nguồn gốc : xuất phát từ các qui tắc nghiệp vụ trong thế giới thực và những đặc tính của mô hình quan hệ  đảm bảo dữ liệu phản ánh đúng thế giới thực, đảm bảo những đặc trưng của mô hình quan hệ  Các dạng :  Ràng buộc toàn vẹn thực thể (ràng buộc khóa chính)_ Entity integrity  Ràng buộc toàn vẹn tham chiếu (ràng buộc phụ thuộc tồn tại / ràng buộc khóa ngọai)_ Referential integrity  Ràng buộc toàn vẹn miền giá trị _ Domain integrity  Ràng buộc toàn vẹn do người dùng định nghĩa _ User- defined integrity 41 Mô tả một ràng buộc toàn vẹn (RBTV): thông qua 3 yếu tố Bối cảnh : nêu ra tên một hay một số quan hệ mà RBTV đó có hiệu lực Biểu diễn : nội dung của một RBTV được biểu diễn bằng ngôn ngữ tự nhiên hoặc bằng một ngôn ngữ hình thức Bảng tầm ảnh hưởng: xác định thời điểm (cập nhật dữ liệu) cần phải tiến hành kiểm tra RBTV Khái niệm 42 Ràng buộc toàn vẹn thực thể  Ràng buộc khóa chính  Thể hiện: giá trị của khóa chính là duy nhất và NOT NULL  Mục tiêu: mỗi dòng sẽ được nhận diện duy nhất  VD: cho Sinhvien(MaSV, Hoten, Phai, Ngaysinh) Tân từ : Mỗi sinh viên có một Mã sinh viên duy nhất, xác định một họ tên, phái và ngày sinh. Mô tả R1 ”Mỗi sinh viên có một Mã sinh viên duy nhất” như sau Bối cảnh : Sinhvien Biểu diễn : rSV  SINHVIEN, t1,t2  rSVt1.MASV  t2.MASV Bảng tầm ảnh hưởng R1 Theâm Söûa Xoùa rSV + + (MASV) - 43 Ràng buộc tòan vẹn tham chiếu  Ràng buộc khóa ngoại  Thể hiện: gía trị của khóa ngoại có thể NULL, hoặc phải là một trong những giá trị của khóa chính của một bảng khác  Mục tiêu : duy trì tính nhất quán (consistency) giữa các bộ của 2 quan hệ.  Được thể hiện thông qua 3 quy tắc sau:  Không thể thêm các bản ghi vào bảng quan hệ nếu không có bản ghi tương ứng trong bảng chính.  Không thể thay đổi giá trị trong bảng chính nếu làm cho các bản ghi tương ứng trong bảng quan hệ bị mất tham chiếu  Không thể xóa các bản ghi trong bảng chính nếu nó được tham chiếu bởi 1 số bản ghi trong bảng quan hệ 44 Ràng buộc tòan vẹn tham chiếu  VD: cho lược đồ CSDL , bao gồm Khoa(Makhoa, Tenkhoa) Tân từ : Mỗi khoa có một mã khoa duy nhất, một tên khoa Sinhvien(MaSV, Hoten, Phai, Ngaysinh, Makhoa) Tân từ : Mỗi sinh viên có một Mã sinh viên duy nhất, xác định một họ tên, phái và ngày sinh. Mỗi sinh viên thuộc một khoa Mô tả R2 “Mỗi sinh viên thuộc một khoa” như sau Bối cảnh: Khoa, Sinhvien Biểu diễn : rSV  SINHVIEN , rKhoa  KHOA rSV[MAKHOA]  rKHOA[MAKHOA] Bảng tầm ảnh hưởng : R2 Theâm Söûa Xoùa rSV + + - rKhoa - + + 45 Ràng buộc toàn vẹn miền giá trị  Thể hiện : giá trị của một thuộc tính phải nằm trong một miền giá trị xác định  Mục tiêu : tuân thủ các qui tắc nghiệp vụ trong thế giới thực  VD: Hocbong(MaSV, Namhoc, Xeploai, Sotien) Tân từ : Hàng năm, nếu đạt kết quả học tập lọai khá trở lên thì sinh viên được học bổng. Học bổng có 2 mức: loại khá được 500 , loại giỏi được 700. Mô tả R3 “học bổng có 2 mức: loại khá được 500 , loại giỏi được 700 ” như sau Bối cảnh : Hocbong Biểu diễn : rHbong  HOCBONG, t  rHbong , t.Sotien = 500 or t.Sotien = 700 Bảng tầm ảnh hưởng R3 Theâm Söûa Xoùa rHocbong + + (Sotien) - 46 Ràng buộc do user định nghĩa  Bao gồm các ràng buộc không thuộc các loại trên , như :  ràng buộc liên bộ / liên thuộc tính trong một quan hệ;  ràng buộc liên thuộc tính giữa các quan hệ;  ràng buộc do thuộc tính tính toán,  VD1: cho lược đồ quan hệ Hoadon(MaHD, MaKH, Điachi, Ngaylap, NgayXuat ) Tân từ : Mỗi hóa đơn có một mã Hóa đơn duy nhất, bán cho một khách hàng có Mã KH, có địa chỉ. Ngày lập HD phải trước hoặc trùng ngày xuất hàng Bối cảnh : Hoadon Biểu diễn: R4 :  t  rHoaDon t.NGAYLAP <= t.NGAYXUAT Bảng tầm ảnh hưởng : R4 Theâm Söûa Xoùa rHoaDon + + - 47 Ràng buộc do user định nghĩa  VD2: R5 “Ngày đặt hàng phải trước ngày giao hàng” Hoadon(MaHD, MaKH, Điachi, NgayLap, NgayGiao, SoDH ) Dathang(SoDH, MaKH, NgayDH) Bối cảnh: Hoadon, Dathang Biểu diễn: R5:  t1  rDatHang, t2  rHoaDon Nếu t1.SODH = t2.SODH Thì t1.NGAYDH <= t2.NGAYGIAO Bảng tầm ảnh hưởng : R5 Theâm Söûa Xoùa rDatHang + + - rHoaDon + + - 48 Ràng buộc do user định nghĩa  VD3 : R6 “ Mỗi lớp học chỉ có tối đa 100 sinh viên” Sinhvien(MaSV, Hoten, Phai, Malop) Lop(Malop, Tenlop, Siso) Bối cảnh: Sinhvien Biểu diễn: rSV  Sinhvien, rSV’  rSv t  rSV, t’  rSV’ , D  thì Count t  D t.MaSV <= 100 Bảng tầm ảnh hưởng: rSV rSV’ t.Malop = t’.Malop R6 Theâm Söûa Xoùa rSV + + - 49 Hỗ trợ của các DBMS  SQL server 2000 hỗ trợ cài đặt các loại ràng buộc sau :  Default  Check  NULL / NOT NULL  Unique  Primary key  Foreign key Domain integrity Entity integrity Referential integrity