Giáo trình thiết kế cơ sở dữ liệu

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

VŨ ĐỨC THÁI

GIÁO TRÌNH

THIÉT KẾ Cơ SỞ DỮ LIỆU

NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

NĂM 2016

. 01-42 MÃ SO:-----—----------

ĐHTN-2016

2

MỤC LỤC

Lòi nói đầu 06

Bảng thuật ngữ 08

Chương 1: Hệ thống thông tin

1.1. Hệ thống và hệ thống kinh doanh 10

1.2. Hệ thống thông tin 13

1.3. Vai trò của hệ thống thông tin và cơ sở dũ liệu 15

1.4. Kết luận 16

Câu hỏi và bài tập chương 1 17

Chương 2. Mô hình liên kết thực thể

2.1. Hệ cơ sờ dữ liệu 18

2.2. Mô hình hóa dữ liệu 18

2.3. Thục thể (entity) 22

2.4. Thuộc tính (attribute) 24

2.5. Miền trị của thuộc tính 26

2.6. Liên kết thực thể (relationship) 27

2.7. Các ký hiệu trong sơ đồ quan hệ thực thể 29

2.8 Mối quan hệ giữa thuộc tính và liên kết thục thể 35

2.9. Kết luận 35

Câu hỏi và bài tập chương 2 36

Chương 3. Thiết kế mô hình liên kết thực thê

3.1. Xác định thực thể 39

3.2. Xác định thuộc tính 41

3.3. Tên thực thể và tên thuộc tính 47

3.4. Kiểu thục thể con (subtype) 47

3 .5. Xác định liên kết thực thể 51

3

3.6. Dư thừa liên kết 59

3.7. Phân tách thuộc tính và liên kết thục thể 59

3.8. Phân rã liên kết n-n 61

3.9. Cung (Arc) 64

3.10. So sánh cung và kiểu con 67

3.11. Kết luận 70

Câu hỏi và bài tập chương 3 71

Chưoug 4. Một số kỹ thuật xử lý nâng cao trong mô hình

liên kết thực thể

4.1. Ràng buộc trong cơ sờ dữ liệu 76

4.2. Mô hình theo thời gian thực 82

4.3. Kết luận. 90

Câu hỏi và bài tập chương 4 91

Chương 5. Chuyển đổi sơ đồ liên kết thực thể

5.1. Chuyển đổi sơ đồ liên kết thực thề sang mô hình dữ liệu quan hệ 94

5.2. Một số mô hình mẫu 105

5 .3 . Kỹ thuật xử lý nâng cao 111

5.4. Kỹ thuật phá chuẩn 114

5.5. Chuyển đổi sơ đồ sang dạng dữ liệu bán cấu trúc 120

5.6. Mô hình xử lý song song và phân tán 124

5.7. Kết luận 128

Câu hỏi và bài tập chương 5 129

Tài liệu tham khảo 133

PHỤ LỰC 134

Phụ lục 1. Tối UTI các câu lệnh xử lý

1. Vấn đề tối ưu trong xù lý 135

2. Nguyên nhân các xử lý chua hiệu quả 135

3. Một số chiến lược tối ưu 136

4

4. Các tniờng hợp và giải pháp 137

5. Câu hỏi và bài tập 143

Phụ lục 2. Hướng dẫn giải một số bài tập

Chương 1 145

Chương 2. 145

Chương 3. 147

Chương 4 151

Chương 5. 154

5

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện tại có nhiều giáo trình được viết về lĩnh vực cơ sờ dữ liệu (CSDL)

và phần lớn các giáo trình đi vào lý thuyết khái quát, trừu tượng hóa và các

dạng bài tập có tính học thuật và lý luận tổng quát. Người học được trang bị

kiến thức và khả năng trao đổi học thuật, cài đặt thuật toán, giải bài tập rất hiệu

quả. Tuy nhiên khi đi vào phân tích triển khai cho một hệ thống trong thực tế

thì người học thiếu kỹ năng, kinh nghiệm và mò hình ứng dụng nên gặp nhiều

lúng túng.

Việc đào tạo chương trình cao học hiện nay cũng đang chuyển hướng

sang trang bị kỹ thuật, kỹ năng vận dụng các mô hình, thiết bị công nghệ vào

giải quyết bài toán trong thực tế. Do vậy, giáo trinh “Thiết kế cơ sở dữ liệu”

nhằm đáp ứng mục tiêu đào tạo mới góp phần đổi mới toàn diện nền giáo dục

và việc giảng dạy đại học, sau đại học nói riêng.

Với sự tham khảo nhiều giáo trình từ các cơ sở đào tạo trên thế giới nhất

là các chuyên gia triển khai dự án tin học hóa. Giáo trinh đã đưa ra nội dung

hoàn toàn theo hướng ứng dụng cho người học để có thể dễ dàng, vận dụng

triển khai phân tích xây dựng CSDL cho một tổ chúc doanh nghiệp.

Nhũng vấn đề trình bày trong giáo trình kèm theo các ví dụ, CASE

STUDY minh họa thực tế dễ hiểu, dễ vận dụng và có hẳn một số mô hình mẫu

để người học có thể chọn lựa sử dụng cho từng dạng bài toán. Giáo trinh gồm 5

chương, Chương 1 giới thiệu về hệ thống kinh doanh để thấy các chức năng

kinh doanh cần có các dữ liệu tác nghiệp. Dữ liệu tổ chức nhằm phục vụ cho

các chức năng theo quan điểm “cần gì phải có nấy”. Chương 2 nêu các khái

niệm, thuật ngữ cơ bản sử dụng trong việc xây dụng một CSDL. Các khái niệm

như thực thể, thuộc tính, liên kết thực thể... là vấn đề cần xác định chuẩn xác

đảm bảo cho hệ thống làm việc ổn định lâu dài và có khả năng phát triền.

Chương 3 trình bày các bước, các kỹ năng, công cụ, sơ đồ được sử dụng trong

phân tích xây dựng nên các thực thể và mối liên kết thực thể xuất phát tứ nhu

cầu quản lý. Chương 4 đưa ra kỹ thuật phân tích các khía cạnh xuất phát từ các

6

bài toán thực tế và các kinh nghiệm phân tích các tính huống xảy ra và giải

pháp xử lý đảm bảo sự nhất quán, chặt chẽ trong hệ thống. Chương 5 trinh bày

các bước chuyển đổi từ mô hình thiết kế sang mô hình cài đặt; các kỹ thuật xử

lý; các dạng mô hinh mẫu có thể áp dụng triển khai dễ dàng trong thực tế. Phần

Phụ lục giói thiệu một số bài toán mẫu và kỹ thuật tối ưu các thao tác dữ liệu là

kiến thức, kỹ năng rất hữu ích cho nguời làm thực tế.

Giáo trình có hệ thống các bài tập đa dạng giúp kiểm ừa đánh giá kết quả

học tập và cũng nhiều hướng mờ cho giáo viên nghiên cứu sâu hơn. Trong sụ

phát triển các mô hình dữ liệu khác sẽ tiếp tục đuợc nghiên cứu phát triển để

đáp ứng nhu cầu quản lý cùa các doanh nghiệp lớn ừong nền kinh tế toàn cầu.

Do khả năng có hạn giáo trinh không thể tránh khỏi những nhược điểm

(một số ví dụ chưa điển hình, diễn đạt chua hấp dẫn người đọc..). Tác giả rất

mong đuợc các nhà nghiên cứu, đồng nghiệp góp ý kiến đề có thể bổ sung

hoàn thiện hơn.

Tác giả trân ừọng cám ơn các nhà khoa học thuộc Viện Công nghệ thông

tin thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam; Viện Công nghệ

thông tin thuộc Đại học Quốc gia Hà Nội; các giảng viên ừong Đại học Thái

Nguyên đã có ý kiến góp ý quý báu để tác giả hoàn thành giáo trinh này.

Thái Nguyên, tháng 4 năm 2016

Tác giả

7

BẢNG THUẬT NGỮ

Tiếng Anh/Viết tắt Giải nghĩa

Modeling Mô hình hóa

Conceptual Model Mô hình khái niệm

Physical Model Mô hình vật lý

Entity - E Thực thể

Attribute - A Thuộc tính

Instance - 1 Thể hiện

Domain Miền trị

Relationship - RS Liên kết

Entity Relation - ER Liên kết thực thể

Entity Relation Model - ERM Mô hình liên kết thực thể

Entity Relation Diagram- ERD Sơ đồ liên kết thực thể

Primary key Khóa chính

Foreign key Khóa ngoài

Nontransferability Không thay đồi

Madantory - M Bắt buộc

Optionality - 0 Tùy chọn (không bắt buộc)

Many - n Nhiều

One - 1 Một

Tiếng Anh/Viết tắt Giải nghĩa

Primaiy Unique IdentiSer - PUID Đinh danh cơ sờ

Supertype Kiểu cha

Subtype Kiểu con

Arc Cung

Data Design Model-DDM Mô hình thiết kế dữ liệu

Normal -1NF, 2NF, 3NF, BCNF Chuần hóa

Denormalisation Phá chuẩn

9

Chưong 1

HỆ THỐNG THÔNG TIN

1.1. Hệ thống và hệ thống kinh doanh

Hệ thống là tập hợp gồm nhiều phần tử có các mối quan hệ ràng buộc lẫn

nhau và cùng hoạt động hướng tới một mục đích chung, (ví dụ một cỗ máy là

một hệ thống các chi tiết liên kết với nhau thực hiện chức năng của cỗ máy...)-

Nghiên cứu hệ thống là nghiên cứu xem hệ thống biến đổi cái gì, biên đôi như

thế nào, hay nói cách khác phải làm rõ chức năng cùa hệ thống là làm như thế

nào và được mục tiêu gì.

Hệ thống có những thuộc tính cơ bản sau:

- Hệ thống luôn có mục tiêu, các phần tử trong hệ thống hoạt động phải

hướng về một mục đích chung là hoàn thành mục tiêu cùa hệ thống.

- Phần tử trong hệ thống bao gồm các phuơng tiện, vật chất và nhân lực, mỗi

phần tử đều có thuộc tính đặc trưng quyết định vai trò cùa nó trong hệ thống.

- Hệ thống có giới hạn xác định những phần tù trong và ngoài hệ thống,

tính giới hạn mang tính chất mở. Trong một hệ thống còn có thể có những hệ

thống con tuy nhiên không nên quá nhiều mức.

- Giữa các phần tử luôn có mối quan hệ, mối quan hệ này có thề là bàn

chất vật lý hoặc thông tin. Mỗi khi thêm bớt phần tử sẽ làm biến đồi các mối

quan hệ.

- Hệ thống có tính kiểm soát (cân bằng và tự điều chinh) điều đó đảm bảo

tính thống nhất, ổn định và để theo đuổi mục tiêu của mình.

- Hệ thống nằm trong một môi trường, trong đó có một số phần từ của hệ

tương tác với môi trường bẽn ngoài. Để phân biệt môi trường với hệ thống ta

cần phải xác định giới hạn của hệ thống.

Trong một số trường hợp, không dễ xác định ranh giới cùa một hệ thống

(như hệ thống giáo dục quốc dân, hệ thống giao thông) đó là các phần từ cùa hệ

10

thông có những ranh giới mờ về không gian, thời gian, tính chất. Do vậy, để

xác định hệ thống ta đưa ra khái niệm môi trường. Môi trường của một hệ

thống là các phần tử không thuộc hệ thống nhưng có liên hệ với hệ thống bằng

cách nào đó. Ờ đây không phải phép loại trừ nghĩa là những phần tò không

thuộc hệ thống thì chưa hẳn là môi trường. Trong phạm trù xét hệ thống và môi

ttường là chi mối tương quan với nhau, những phần tủ không thuộc hệ thống

nhung cũng có thể không là môi trường đối với hệ thống đó. Các phần từ cùa

môi trường tuy có mối quan hệ với hệ thống nhưng tồn tại có tính độc lập

không ảnh hưởng đến sự tồn tại vận động và mục tiêu của hệ thống. Ví dụ, độc

giả là môi trường của hệ thống Quản lý thư viện, độc giả là những nguời có

làm thẻ thư viện, có quan hệ với thu viện thông qua việc mượn trả sách. Nếu

thẻ của độc giả nào đó hết hạn, độc giả đó không gia hạn, nghĩa là không có thẻ

sử dụng sách thi thư viện vẫn tồn tại phục vụ cho độc giả khác. Độc giả trên

không được gọi là môi trường của hệ thống quản lý thư viện.

Hình 1.1. Minh hoạ hệ thống và môi trường

Hệ thống kinh doanh (có thé viét ngằn gọn là hệ kinh doanh, hay thông

thướng ta gọi chung là doanh nghiệp) xét về cấu trúc là một hệ thống nhằm

mục tiêu kinh doanh đem lại lợi nhuận. Hệ thống kinh doanh gồm con người,

cơ sờ vật chất, tài chính, phương tiện đảm bảo cho hoạt động sản xuất, cung

cấp dịch vụ, để thu lợi nhuận. Hệ thống kinh doanh ở đây hiểu theo nghĩa mọi

tổ chức kinh tế xã hội như một công ty, nhà máy, cửa hàng, siêu thị, một trung

tâm dịch vụ, một trường học, bệnh viện, một tồ chức xã hội như một sờ, phòng

chức năng... vi xét cho cùng các tồ chức trên đều có cấu trúc hệ thống có nhiều

bộ phận nham thực hiện chức năng, nhiệm vụ nào đó mang lại lợi ích cho tập

thể, xã hội cho dù lợi ích đó có thể là cụ thể, trước mắt hoặc trừu tượng lâu dài

11

(ví dụ mục tiêu của một trường học là đào tạo bồi dưỡng, rèn luyện cho một

luợng trẻ em hình thành nhân cách, tri thức khoa học... phục vụ cho đất nước

trong tương lai). Hệ thống kinh doanh là một hệ thống phức tạp có cấu trúc

nhiều lớp. Các thành phần của hệ thống kinh doanh bao gồm:

• Hệ quyết định: Là hệ chủ đạo của hệ kinh doanh, có quyền lực trong

hệ kinh doanh, là nơi đưa ra các quyết định về chiến lược, các kế hoạch và chi

đạo thực hiện kế hoạch. Hệ quyết định cần thông tin ở nhiều mức (trong hệ

thống lãnh đạo của doanh nghiệp).

• Hệ tác nghiệp: Là nơi thực hiện các nhiệm vụ trực tiếp ưong hệ thống

(sản xuất, dịch vụ, kinh doanh, phục vụ...). Hệ tác nghiệp cần các thông tin về

kế hoạch, quy định, nguồn nguyên, nhiên liệu, sản phẩm, phụ phẩm, kết quả...

để thực hiện nhiệm vụ cụ thể được giao trong toàn hệ thống

• Hệ thống thông tin: Là nơi thu thập, lưu trữ, xử lý kết xuất thông tin cung

cấp cho các hệ khác trong hệ kinh doanh và có thể cung cấp cho môi ữường.

Giữa các phần tử của hệ kinh doanh (thực chất là các hệ thống con) luôn

luôn có sự trao đổi thông tin với nhau để đảm bảo thống nhất hành động trong

hệ kinh doanh, một trong các phần từ trên bị sự cố là ảnh hường đến hiệu quả

cùa hệ thống. Ngoài ra việc trao đổi thông tin với môi truờng (các đối tác kinh

doanh của một doanh nghiệp) cũng rất quan trọng.

Kiến trúc điển hình của một hệ kinh doanh được mô tả trong Hình 1.2, hệ

bao gồm các hệ con và mối quan hệ giữa các hệ ừong sự hoạt động chung của

hệ thống.

12

Thông tin ra

trương

Hình 1.2. Mô hình hệ kinh doanh

1.2. Hệ thống thông tin

Trong hệ kinh doanh thì hệ thống thông tin có vai trò tiung gian không

trực tiếp tham gia vào hoạt động sản xuất, dịch vụ cũng không đóng vai trò chi

đạo nhưng có một vị trí vô cùng quan trọng trong sự tồn tại và phát triển của

doanh nghiệp. Trong thực tế các doanh nghiệp muốn phát triển quy mô lớn thi

không thể xem nhẹ vai trò của hệ thống thông tin. Vói các hệ thống thông tin

hiện đại còn có khả năng trợ giúp ra các quyết định về ra chủ trương, định

hướng, chiến lược kinh doanh. Do vậy, các doanh nghiệp đã và đang đầu tư tài

chính cho hệ thống thông tin chiếm tỉ trọng không nhỏ.

Hệ thống thông tin có chúc năng hỗ trợ cho các nhà quản lý để họ có thể

đưa ra những sách lược, chiến lược trong việc chi đạo. Hỗ trợ cho các bộ phận

tác nghiệp nắm được các thông tin về quá trình sản xuất kinh doanh giúp cho

thực hiện hiệu quả từng nhiệm vụ được giao. Cụ thể:

- Thu thập, cập nhật đầy đủ kịp thòi các thông tin đầu vào để có đủ điều

kiện xử lý theo các luật lệ, quy định cùa doanh nghiệp.

- Lưu trữ đầy đủ, an toàn tin cậy trong hệ thống lưu trữ.

- Cung cấp cho bộ phận quyết định và bộ phận tác nghiệp các thông tin

phản ánh tình trạng nội bộ của cơ quan, tổ chức và tình trạng hoạt động kinh

doanh của hệ thống. Thông tin cần cung cấp tuỳ theo chức năng nghiệp vụ cụ

thể cùa hệ thống hay bộ phận cùa hệ thống. Thông tin phải mềm dẻo thích ứng

13