Chương 1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 CƠ SỞ DỮ LIỆU QUAN HỆ Các cơ sở dữ liệu và các hệ quản trị cơ sở dữ liệu đã trở thành một thành phần chủ yếu trong cuộc sống hàng ngày của xã hội hiện đại. Trong vòng một ngày con người có thể có nhiều hoạt động cần có sự giao tiếp với cơ sở dữ liệu như: đến ngân hàng để rút tiền và gửi tiền, đăng ký chỗ trên máy bay hoặc khách sạn, truy cập vào thư viện đã tin học hoá để tìm sách báo, đặt mua tạp chí ở một nhà xuất bản… Tại các ngân hàng, các cửa hàng, người ta cũng cập nhật tự động việc quản lý tiền bạc, hàng hoá. Tất cả các giao tiếp như trên được gọi là các ứng dụng của cơ sở dữ liệu truyền thống. Trong các cơ sở dữ liệu truyền thống, hầu hết các thông tin được lưu giữ và truy cập là văn bản hoặc số.
Những năm gần đây, những tiến bộ về kỹ thuật đã đưa đến những ứng dụng mới của cơ sở dữ liệu. Các cơ sở dữ liệu đa phương tiện bây giờ có thể lưu trữ hình ảnh, phim và tiếng nói. Các hệ thống thông tin địa lý có thể lưu trữ và phân tích các bản đồ, các dữ liệu về thời tiết và các ảnh vệ tinh. Kho dữ liệu và các hệ thống phân tích trực tuyến được sử dụng trong nhiều công ty để lấy ra và phân tích những thông tin có lợi từ các cơ sở dữ liệu rất lớn nhằm đưa ra các quyết định.
Các kỹ thuật cơ sở dữ liệu động và thời gian thực được sử dụng trong việc kiểm tra các tiến trình công nghiệp và sản xuất. Các kỹ thuật tìm kiếm cơ sở dữ liệu đang được áp dụng cho World Wide Web để cung cấp việc tìm kiếm các thông tin cần thiết cho người sử dụng bằng cách duyệt qua Internet. Để hiểu được các cơ sở kỹ thuật của cơ sở dữ liệu chúng ta phải bắt đầu từ những khái niệm cơ bản về cơ sở dữ liệu. Mục đích của chương này là định nghĩa cơ sở dữ liệu quan hệ, các phép toán trên cơ sở dữ liệu quan hệ và cơ sở dữ liệu phân tán.1 Khái niệm về CSDL quan hệ Trong cơ sở dữ liệu quan hệ, dữ liệu được lưu trữ dưới dạng các bảng, gọi là các quan hệ.
Mỗi một dòng trong bảng biểu thị một sự kiện tương ứng với một thực thể TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 13 hoặc một liên kết của thế giới thực. Tên bảng và tên cột dùng để giải thích ý nghĩa của các giá trị trong mỗi hàng. Mọi giá trị trong cùng một cột có cùng một kiểu dữ liệu. Theo thuật ngữ mô hình quan hệ hình thức, mỗi hàng được gọi là một bộ, mỗi cột được gọi là thuộc tính và bảng được gọi là một quan hệ.
Số lượng các thuộc tính có trong một quan hệ gọi là mức(grade), số lượng các bộ gọi là lực lượng(cardinality) của quan hệ đó. Để hiểu rõ hơn các khái niệm nêu trên chúng ta xét ví dụ sau đây: Bảng 1-1 biểu diễn quan hệ EMP (NHÂN VIÊN) gồm 4 thuộc tính: EMPNUM (Mã số nhân viên), NAME (Tên nhân viên), AGE (Tuổi), DEPTNUM (Mã số phòng ban) và 5 bộ, ví dụ (18, Mary, 31, 1) là một bộ. Quan hệ này có 4 thuộc tính do vậy mức của quan hệ này là 4 và lực lượng của quan hệ này là 5. EMPNUM NAME AGE DEPTNUM 3 Jones 23 1 7 Smith 45 2 11 Bob 18 1 15 Jane 27 3 18 Mary 31 1 Bảng 1-1 Quan hệ EMP Một lược đồ quan hệ được tạo nên từ tên một quan hệ và danh sách các thuộc tính của nó, kí hiêu một lược đồ quan hệ như sau: <Tên quan hệ>(<danh sách các thuộc tính>).
Ví dụ: EMP(EMPNUM, NAME, AGE, DEPTNUM) là lược đồ quan hệ của quan hệ EMP ở trên. Tập hợp các giá trị có thể có của một thuộc tính gọi là miền của thuộc tính. Ví dụ, EMPNUM lấy giá trị từ miền mã số nhân viên, là các số nguyên dương, AGE có miền giá trị từ tuổi, giá trị từ 0 tới 100. Có thể tồn tại những giá trị giống nhau giữa hai miền nhưng về bản chất nó thuộc về hai miền hoàn toàn khác nhau, do vậy không thể so sánh các giá trị của những miền khác nhau.
Ví dụ, thật vô nghĩa khi so sánh tuổi với mã số nhân viên. TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 14 Một số khía cạnh quan trọng định nghĩa cơ sở dữ liệu quan hệ: 9 Không bao giờ có hai bản ghi giống hệt nhau trong một quan hệ. 9 Không có quy định về thứ tự các bản ghi trong một quan hệ. Một quan hệ được định nghĩa như một tập hợp các bộ.
Các phần tử trong một tập hợp không có thứ tự, vì vậy các bộ trong một quan hệ không có một thứ tự cụ thể. Trong thực tế, không phải tất cả hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ nào cũng tuân thủ chặt chẽ quy định này. Vì vậy, trong một số hệ quan trị cở sở dữ liệu vẫn tồn tại các bản ghi nhân bản và vẫn đưa ra một thứ tự sắp xếp ngầm nào đó để thuận tiện trong quá trình xử lý. Người ta cũng đưa ra một định nghĩa khác về quan hệ dựa trên khái niệm về miền.
Trong định nghĩa này, người ta cho tập hợp các miền D1, D2,…, Dn có gán thứ tự ưu tiên, quan hệ mức n của các miền này là tập con của tích Đề Các của chúng. Chính xác hơn, quan hệ R là tập hợp các bản ghi có thứ tự (d1, d2,…, dn) trong đó d1 thuộc miền D1, d2 thuộc miền D2,…, dn thuộc miền Dn. Định nghĩa này rất hữu dụng trong việc phân tích các tính chất của mô hình quan hệ và đại số. Trong tài liệu này, chúng ta coi thứ tự các cột trong một quan hệ là không quan trọng.
Điều này có nghĩa chúng ta coi quan hệ là ánh xạ từ tập tên của các thuộc tính tới tập giá trị tương ứng. Vì vậy, quan hệ EMP1 dưới đây cũng giống quan hệ EMP ở hình 1-1. EMPNUM AGE DEPTNUM NAME 3 23 1 Jones 7 45 2 Smith 11 18 1 Bob 15 27 3 Jane 18 31 1 Mary Bảng 1-2 Quan hệ EMP1 TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.1 Khóa Một quan hệ được định nghĩa như một tập hợp các bộ. Theo định nghĩa, các phần tử của một tập hợp là khác nhau, vì vậy, mọi bộ trong một quan hệ phải khác nhau.
Điều đó có nghĩa là không có hai bộ có cùng một tổ hợp giá trị cho tất cả các thuộc tính của chúng. Thông thường, tồn tại tập con của các thuộc tính của một quan hệ có tính chất: không có hai bộ nào có cùng một tổ hợp giá trị cho các thuộc tính của nó. Giả sử chúng ta ký hiệu tập con như vậy là SK, khi đó với hai bộ khác nhau bất t1 và t2 trong quan hệ R chúng ta có ràng buộc là t1[SK] # t2[SK]. Tập hợp SK như vậy gọi là siêu khóa của lược đồ quan hệ R.
Mỗi quan hệ có ít nhất một siêu khóa mặc định, đó là tập hợp tất cả các thuộc tính của nó. Một khóa K của lược đồ quan hệ R là một siêu khóa của R với tính chất nếu bỏ đi bất kì thuộc tính nào ra khỏi K thì sẽ còn lại một tập K không phải là siêu khóa của R. Như vậy, một khóa là một siêu khóa tối thiểu, nghĩa là đó là một siêu khóa mà ta không thể vứt bỏ thuộc tính nào rời khỏi nó mà vẫn giữ được ràng buộc về tính duy nhất. Tính chất quan trọng của khóa là duy nhất về mặt ngữ nghĩa, chúng ta không coi một thuộc tính là khóa chỉ vì nó thỉnh thoảng mới định danh cho một bản ghi nào đó.
Trong bảng 1-1, EMPNUM(mã số nhân viên) là khóa của quan hệ EMP, bởi vì không có hai bộ nhân viên có cùng một giá trị cho EMPNUM(mã số nhân viên). Mọi tập hợp thuộc tính có chứa EMPNUM(mã số nhân viên), ví dụ {EMPNUM, AGE}, đều là một siêu khóa. Tuy nhiên, siêu khóa {EMPNUM, AGE} không phải là khóa vì nếu bỏ thuộc tính AGE đi thì nó vẫn còn là một siêu khóa. Một khóa được xác định từ ý nghĩa của thuộc tính và tính chất là bất biến, tính chất đó phải thỏa mãn khi chúng ta chèn một bộ mới vào quan hệ.
Ví dụ: chúng ta không thể và không được chỉ định thuộc tính NAME(Tên nhân viên) làm khóa vì không có gì đảm bảo rằng không tồn tại hai nhân viên có cùng họ tên. Nói chung, một lược đồ quan hệ có thể có nhiều hơn một khóa. Trong trường hợp đó, mỗi khóa được gọi là một khóa dự tuyển. Thông thường ta phải chỉ định một trong TIEU LUAN MOI download : skknchat@gmail.com 16 các khóa dự tuyển làm khóa chính của quan hệ.
Khóa chính là một khóa dự tuyển mà các giá trị của chúng được dùng để xác định các bộ trong quan hệ. Chú ý rằng, khi một lược đồ quan hệ có nhiều khóa dự tuyển thì việc lựa chọn khóa chính là tùy ý, tuy nhiên tốt nhất là chọn khóa chính gồm một thuộc tính hoặc có số thuộc tính ít nhất.2 Các phép toán đại số quan hệ Ngoài việc định nghĩa cấu trúc cơ sở dữ liệu và các ràng buộc, một mô hình dữ liệu phải chứa một tập hợp các phép toán để thao tác dữ liệu. Tập hợp cơ sở các phép toán mô hình quan hệ tạo nên đại số quan hệ. Các phép toán này giúp cho người sử dụng xác định rõ yêu cầu lấy tin cơ bản.
Kết quả của phép lấy tin là một quan hệ mới, có thể được tạo ra từ một hoặc nhiều quan hệ. Các phép toán quan hệ đại số chia làm hai nhóm. Một nhóm bao gồm các phép toán tập hợp lấy từ lý thuyết tập hợp toán học. Các phép toán đó là phép hợp, phép giao, phép trừ tập hợp và phép tích Đề Các.
Nhóm kia bao gồm những phép toán được xây dựng đặc biệt cho các cơ sở dữ liệu quan hệ. Các phép toán đó là phép chiếu, phép chọn, phép nối và một số phép khác.1 Phép chọn Phép chọn được sử dụng để chọn ra một tập hợp các bộ thỏa mãn điều kiện chọn từ một quan hệ. Ta có thể xem phép chọn như bộ lọc, nó chỉ giữ lại những bộ thỏa mãn điều kiện đặt ra. Phép chọn được kí hiệu như sau: σ< điều kiện chọn>( R) Trong đó σ được dùng để kí hiệu phép chọn, <điều kiện chọn> là một biểu thức logic được chỉ ra trên các thuộc tính của R.