GIÁO TRÌNH CƠ SỞ DỮ LIỆU.TS. Đặng Thị Thu Hiền

LỜI MỞ ĐẦU 2 * GT CSDL TS Đặng Thị Thu Hiền CƠ SỞ DỮ LIỆU Hà Nội, tháng 3 năm 2013 GT CSDL * 3 LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin là lĩnh vực đang phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là những ứng dụng của nó đã[.]

TS Đặng Thị Thu Hiền CƠ SỞ DỮ LIỆU Hà Nội, tháng năm 2013 * GT CSDL LỜI MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin lĩnh vực phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ứng dụng trở thành cơng cụ đắc lực phục vụ cho hoạt động người lĩnh vực Một hỗ trợ phổ biến máy tính quản lý thơng tin Mọi thơng tin quản lý máy tính phải thể liệu lưu trữ sở liệu định Lý thuyết sở liệu phát triển nhanh chóng theo tốc độ phát triển công nghệ thông tin Cơ sở liệu “linh hồn” ứng dụng công nghệ thông tin sống Đánh giá tầm quan trọng này, sinh viên ngành công nghệ thơng tin lý thuyết sở liệu mơn học khơng thể thiếu Với mục đích xây dựng giáo trình Cơ sở liệu dùng cho sinh viên đại học, cao đẳng tìm hiểu lý thuyết sở liệu Nhằm cung cấp khái niệm lý thuyết sở liệu Điều khơng ngồi mục đích đổi giáo trình – giảng nhằm nâng cao chất lượng đào tạo Nội dung giáo trình chia làm chương: Chƣơng 1: Các khái niệm bản: Giới thiệu khái niệm sở liệu nói chung, khái niệm sở liệu, hệ quản trị sở liệu, mơ hình sở liệu Chƣơng 2: Mơ hình sở liệu quan hệ: Trình bày chi tiết mơ hình sở liệu quan hệ, khái niệm, phép toán đại số tập hợp đại số quan hệ Chƣơng 3: Ngôn ngữ truy vấn liệu: Trình bày ngơn ngữ truy vấn liệu SQL, lệnh truy vấn thông tin, lệnh cập nhật, phân quyền Chƣơng 4: Ràng buộc toàn vẹn, phụ thuộc hàm khóa: Trình bày tổng quan ràng buộc toàn vẹn, khái niệm phụ thuộc hàm khái niệm khóa thuật tốn tìm khóa Chƣơng 5: Dạng chuẩn chuẩn hóa: Trình bày dạng chuẩn, thuật tốn chuẩn hóa lược đồ sở liệu Chƣơng 6: Tối ƣu hóa câu hỏi: Trình quy tắc để tối ưu hóa câu hỏi truy vấn, số thuật tốn ví dụ minh họa GT CSDL * Trong trình biên soạn giáo trình tác giả nhận giúp đỡ tạo điều kiện toàn thể giảng viên khoa Công nghệ Thông tin – Đại học Giao Thông Vận tải Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể giảng viên góp ý q báu Cuốn giáo trình khơng thể hồn thành thiếu lời nhận xét đóng góp bạn bè đồng nghiệp Trường, Viện khác Tác giả xin ghi nhận cảm ơn tới người bạn Trong trình biên soạn, tác giả cố gắng để hồn thành tốt giáo trình Tuy nhiên, khơng thể tránh khỏi thiếu xót Tác giả mong nhận góp ý độc giả để giáo trình ngày hồn thiện Hà Nội, tháng 03 năm 2013 Tác giả * GT CSDL CÁC TỪ VIẾT TẮT CSDL Cơ sở liệu Database DBMS Database Management System Hệ quản trị sở liệu SQL Structured Query Language Ngơn ngữ truy vấn liệu có cấu trúc DDL Data Definition Language Ngôn ngữ định nghĩa liệu DML Data Manipulation Language Ngôn ngữ thao tác liệu DCL Data Control Language Ngôn ngữ điều khiển liệu Ràng buộc toàn vẹn RBTV NF Normal Form Dạng chuẩn GT CSDL * Chƣơng CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN Chương trình bày khái niệm hệ Cơ sở liệu (CSDL), hệ quản trị CSDL, mơ hình sở liệu Giúp người đọc có nhìn tổng quan CSDL, hệ quản trị CSDL để tiếp tục tới vấn đề chi tiết chương sau 1.1 MỘT SỐ KHÁI NIỆM 1.1.1 Cơ sở liệu 1.1.1.1 Định nghĩa Cơ sở liệu: Là hệ thống thơng tin có cấu trúc lưu trữ thiết bị lưu trữ thông tin thứ cấp (như băng từ, đĩa từ …) để thỏa mãn yêu cầu khai thác thông tin đồng thời nhiều người sử dụng hay nhiều chương trình ứng dụng với nhiều mục đích khác Hệ sở liệu: Một hệ sở liệu gồm có bốn thành phần là: CSDL, người sử dụng chương trình ứng dụng, phần mềm, phần cứng CSDL Chương trình ứng dụng Người sử dụng Hình 1.1 Sơ đồ hệ sở liệu Qua định nghĩa ta thấy trước hết, CSDL phải tập hợp thông tin mang tính hệ thống khơng phải thơng tin rời rạc, khơng có mối quan hệ với Các thơng tin phải có cấu trúc tập hợp thơng tin phải có khả đáp ứng nhu cầu khai thác nhiều người sử dụng cách đồng thời Đó đặc trưng CSDL * GT CSDL Rõ ràng, ưu điểm bật CSDL là: Giảm trùng lặp thơng tin xuống mức thấp bảo đảm tính qn tồn vẹn liệu Đảm bảo liệu truy xuất theo nhiều cách khác Khả chia sẻ thông tin cho nhiều người sử dụng nhiều ứng dụng khác Tuy nhiên, để đạt ưu điểm trên, CSDL đặt vấn đề cần phải giải Đó là: 1- Tính chủ quyền liệu Do tính chia sẻ CSDL nên tính chủ quyền liệu bị lu mờ làm mờ nhạt tinh thần trách nhiệm, thể vấn đề an toàn liệu, khả biểu diễn mối liên kết ngữ nghĩa liệu, tính xác liệu Điều có nghĩa người khai thác CSDL phải có nghĩa vụ cập nhật thơng tin CSDL 2- Tính bảo mật quyền khai thác thông tin người sử dụng Do có nhiều người phép khai thác CSDL cách đồng thời nên cần phải có chế bảo mật phân quyền hạn khai thác CSDL Các hệ điều hành nhiều người sử dụng hay hệ điều hành mạng cục (Novell Netware, Windows For WorkGroup, WinNT, …) có cung cấp chế 3- Tranh chấp liệu Nhiều người phép truy nhập vào tài nguyên liệu (Data Source) CSDL với mục đích khác nhau: Xem, thêm, xóa sửa liệu Cần phải có chế ưu tiên truy nhập liệu chế giải tình trạng khóa chết (DeadLock) q trình khai thác cạnh tranh Cơ chế ưu tiên thực việc cấp quyền (hay mức độ) ưu tiên cho người khai thác – người cấp quyền hạn ưu tiên cao ưu tiên truy nhập liệu trước; theo biến có loại truy nhập – quyền đọc ưu tiên trước quyền ghi liệu; dựa thời điểm truy nhập – có yêu cầu truy xuất trước có quyền truy nhập liệu trước; theo chế lập lịch truy xuất hay chế khóa… 4- Đảm bảo liệu có cố Việc quản lý liệu tập trung làm tăng khả mát sai lệch thông tin có cố điện đột xuất, phần đĩa lưu trữ CSDL bị hư v.v… Một số hệ điều hành mạng có cung cấp dịch vụ lưu ảnh đĩa cứng (cơ chế sử dụng đĩa cứng dự phòng – RAID), tự động kiểm tra khắc phục lỗi có cố, nhiên, bên cạnh dịch vụ hệ điều hành, để đảm bảo CSDL ln ln ổn định, CSDL thiết phải có chế khôi phục liệu cố bất ngờ xảy 1.1.1.2 Các đối tượng sử dụng CSDL Những người sử dụng CSDL không chuyên lĩnh vực tin học CSDL, CSDL cần có cơng cụ người sử dụng khơng chun sử dụng để khai thác CSDL cần thiết Các chuyên viên tin học biết khai thác CSDL Những người xây dựng ứng dụng khác phục vụ cho mục đích khác CSDL GT CSDL * Những người quản trị CSDL, người hiểu biết tin học, hệ quản trị CSDL hệ thống máy tính Họ người tổ chức CSDL (khai báo cấu trúc CSDL, ghi nhận yêu cầu bảo mật cho liệu cần bảo vệ …) họ phải nắm rõ vấn đề kỹ thuật CSDL để phục hồi liệu có cố Họ người cấp quyền hạn khai thác CSDL, họ giải vấn đề tranh chấp liệu, có 1.1.1.3 Kiến trúc hệ sở liệu Theo kiến trúc ANSI-PARC, hệ CSDL có mức biểu diển: Mức (còn gọi mức vật lý – Physical), mức quan niệm (Conception hay Logical) mức Giữa mức tồn ánh xạ quan niệm trong, án xạ quan niệm Người sử dụng Người sử dụng Mơi trường giới thực Cấu trúc ngồi Cấu trúc ngồi Sơ đồ quan niệm Chương trình ứng dụng Sơ đồ vật lý CSDL Hình 1.2 Kiến trúc tổng quát hệ CSDL a) Mức Đây mức lưu trữ CSDL Tại mức này, vấn đề cần giải là, liệu lưu trữ ? đâu (đĩa từ, băng từ, track, sector … nào) ? Cần mục ? Việc truy xuất (Sequential Access) hay ngẫu nhiên (Random Access) loại liệu Những người hiểu làm việc với CSDL mức người quản trị CSDL (Administrator), người sử dụng (NSD) chuyên môn * GT CSDL b) Mức quan niệm Tại mức giải cho câu hỏi CSDL cần phải lưu giữ loại liệu ? liệu ? Mối quan hệ loại liệu ? Từ giới thực (Real Universe) chuyên viên tin học qua q trình khảo sát phân tích, với người đảm nhận vai trò quản trị CSDL, xác định loại thông tin cho cần thiết phải đưa vào CSDL, đồng thời mô tả rõ mối liên kết thơng tin Có thể nói cách khác, CSDL mức quan niệm biểu diễn trừu tượng CSDL mức vật lý ; ngược lại, CSDL vật lý cài đặt cụ thể CSDL mức quan niệm Ví dụ 1.1 : Người ta muốn xây dựng hệ thống để quản lý nhân viên công ty Môi trường (thế giới thực) công ty gồm có phịng ban (Department) – phịng ban có tên gọi khác nhau, địa trụ sở (Location), số điện thoại (Telephone) để liên lạc, có người làm trưởng phịng ban, hàng năm cấp khoản kinh phí để hoạt động (Expense Budget), phải đạt doanh thu (Revenue Budget) Để tránh viết tên phòng ban dài dễ dẫn đến viết sai, người ta thường đặt cho phòng ban giá trị số (gọi số hiệu phòng ban – Department Number) sử dụng số hiệu để xác định tên thông tin khác Cơng ty có số cơng việc xếp cho nhân viên công ty Để thuận lợi cho việc theo dõi công việc công tác tuyển chọn nhân viên mới, người ta lập thành bảng công việc (JOBS) gồm thông tin : tên tắt công việc (Job), tên công việc (Job Name), mức lương tối thiểu (Min Salary) tối đa (Max Salary) công việc cho biết cơng việc cần có người lãnh đạo khơng Một cơng việc có nhiều người làm Mỗi phịng ban có từ đến nhiều nhân viên (Employee) Mỗi nhân viên có tên gọi, công việc làm (Job), khoản tiền lương hàng tháng (Salary), số hiệu phòng ban mà cơng tác Nếu muốn, người ta theo dõi thêm thông tin khác ngày sinh (Birth Day), giới tính (Sex) v.v… Để tránh viết tên nhân viên dài dễ dẫn đến sai sót, nhân viên gán cho số nhất, gọi mã số nhân viên (EmpNo) Nếu yêu cầu quản lý công ty dừng việc theo dõi danh sách nhân viên phòng ban cơng việc cơng ty cần loại thơng tin : Phịng ban (DEPARTMENT), Cơng việc (JOBS) Nhân viên (EMPLOYEE) với thông tin đủ Có thể cơng ty có thêm u cầu quản lý trình tuyển dụng nâng lương cần có thêm (hoặc số) loại thơng tin trình : Mã số nhân viên, lần thay đổi, thời gian bắt đầu kết thúc thay đổi, mức lương GT CSDL * Từ môi trường giới thực, xuất phát từ nhu cầu quản lý, việc xác định loại thông tin cần lưu trữ mối quan hệ thơng tin … cơng việc mức quan niệm c) Mức ngồi Đó mức người sử dụng chương trình ứng dụng Làm việc mức có nhà chun mơn, kỹ sư tin học người sừ dụng không chuyên Mỗi người sử dụng hay chương trình ứng dụng « nhìn » (View) CSDL theo góc độ khác Có thể « nhìn » thấy toàn hay phần thơng tin tổng hợp từ CSDL có Người sử dụng hay chương trình ứng dụng hồn tồn khơng biết cấu trúc tổ chức lưu trữ thơng tin CSDL, chí tên gọi loại liệu hay tên gọi thuộc tính Họ làm việc phần CSDL theo cách « nhìn » người quản trị hay chương trình ứng dụng quy định, gọi khung nhìn (View) Ví dụ 1.2 Cũng ví dụ trên, Phòng Tổ chức nhân quản lý thêm thông tin chi tiết lý lịch nhân viên cơng ty: q trình đào tạo chun mơn kỹ thuật – kinh tế - trị - quản lý Nhà nước, trình khen thưởng, lần bị kỷ luật, trình hoạt động Cách mạng bị địch bắt – bị tù đày, trình cơng tác, q trình nâng lương, sơ lược tiểu sử cha mẹ - anh chị em ruột – vợ chồng – v.v Rõ ràng rằng, Phòng Kế tốn nhìn thấy CSDL danh sách nhân viên làm công việc cụ thể Phòng ban với mức lương thỏa thuận, mà không thấy lý lịch nhân viên Lãnh đạo cơng ty cần “nhìn” thấy số lượng nhân viên, tổng số lương phải trả người lãnh đạo Phòng ban Trong người Phịng Tổ chức nhân có người xem lý lịch tất cán bộ, công nhân viên cơng ty, có người xem lý lịch cán bộ, công nhân viên với mức lương từ xx đồng trở xuống Như vậy, cấu trúc CSDL vật lý (mức trong) mức quan niệm có một, mức ngồi, mức chương trình ứng dụng người sử dụng trực tiếp CSDL, có nhiều cấu trúc tương ứng 1.1.2 Hệ quản trị sở liệu 1.1.2.1 Hệ phần mềm quản trị CSDL Để giải tốt tất vấn đề đặt cho CSDL nêu trên: tính chủ quyền, chế bảo mật hay phân quyền hạn khai thác CSDL, giải tranh chấp trình truy nhập liệu, phục hồi liệu có cố cần phải có hệ thống phần mềm chuyên dụng Hệ thống phần mềm gọi hệ quản trị CSDL (DataBase Management System – DBMS) Đó cơng cụ hỗ trợ tích cực cho nhà phân tích & thiết kế CSDL người khai thác CSDL Cho đến có nhiều hệ quản trị CSDL mạnh đưa thị trường 10 * GT CSDL như: Visual FoxPro, MicroSoft Access, SQL-Server, DB2, Sybase, Paradox, Informix, Oracle với chất lượng khác Mỗi hệ quản trị CSDL cài đặt dựa mơ hình liệu cụ thể Hầu hết hệ quản trị CSDL dựa mơ hình quan hệ (Xem chương II) Dù dựa mơ hình liệu nào, hệ quản trị CSDL phải có: 1) Ngơn ngữ giao tiếp người sử dụng (NSD) CSDL, bao gồm: Ngôn ngữ mô tả liệu (Data Definition Language – DDL) phép khai báo cấu trúc CSDL, khai báo mối liên kết liệu (Data RelationShip) quy tắc (Rules, Constraint) quản lý áp đặt lên liệu Ngơn ngữ thao tác liệu (Data Manipulation Language – DML) cho phép người sử dụng thên (Insert), xóa (Delete), sửa (Update) liệu CSDL Ngôn ngữ truy vấn liệu, hay ngơn ngữ hỏi đáp có cấu trúc (Structured Query Language – SQL) cho phép người khai thác CSDL (chuyên nghiệp không chuyên) sử dụng để truy vấn thông tin cần thiết CSDL Ngôn ngữ quản lý liệu (Data Control Language – DCL) cho phép người quản trị hệ thống thay đổi cấu trúc bảng liệu, khai báo bảo mật thông tin cấp quyền hạn khai thác CSDL cho người sử dụng 2) Từ điển liệu (Data Dictionary) dùng để mô tả ánh xạ liên kết, ghi nhận thành phần cấu trúc CSDL, chương trình ứng dụng, mật mã, quyền hạn sử dụng v.v 3) Có biện pháp bảo mật tốt có yêu cầu bảo mật 4) Cơ chế giải vấn đề tranh chấp liệu Mỗi hệ quản trị CSDL cài đặt chế riêng để giải vấn đề Một số biện pháp sau sử dụng: - Cấp quyền ưu tiên cho người sử dụng (người quản trị CSDL thực hiện) - Đánh dấu yêu cầu truy xuất liệu, phân chia thời gian, người có yêu cầu trước có quyền truy xuất liệu trước 5) Hệ quản trị CSDL phải có chế lưu (Backup) phục hồi (Restore) liệu có cố xảy Điều thực cách: Định kỳ kiểm tra CSDL, sau thời gian định hệ quản trị CSDL tự động tạo CSDL Cách tốn kém, CSDL lớn Tạo nhật ký (LOG) thao tác CSDL Mỗi thao tác CSDL hệ thống ghi lại, có cố xảy tự động lần ngược lại (RollBack) để phục hồi CSDL 6) Hệ quản trị CSDL phải cung cấp giao diện (Interface) tốt, dễ sử dụng, dễ hiểu cho người sử dụng khơng chun 7) Ngồi ra, hệ quản trị CSDL phải đáp ứng yêu cầu quan trọng, bảo đảm tính độc lập liệu chương trình: Khi có thay đổi liệu (như sửa đổi cấu lưu trữ bảng liệu, thêm mục (Index) ) GT CSDL * 11