1. Chương 3 Mô hình dữ lịêu quan hệ

2. Nội dung Các định nghĩa cơ bản của mô hình dữ liệu quan hệ
Lược đồ quan hệ
Quan hệ toán học
Lược đồ quan hệ và quan hệ
Khóa quan hệ
Ràng buộc toàn vẹn

3. Mô hình dữ liệu quan hệ (Relational data model)
Được đề xuất bởi E.F. Codd năm 1970.
Hầu hết các DBMS đều dựa theo mô hình này
Nhưng hiện nay DBMS bắt đầu theo hướng đối tượng

4. Mô hình dữ liệu quan hệ (Relational data model)
Mô hình quan hệ được xây dựng trên 1 cấu trúc toán học tự nhiên và đơn giản: quan hệ (relation)
Các quan hệ (relation) có 1 tập hợp các toán tử mạnh mức cao và các ngôn ngữ tạo dữ liệu (manipulation language) dựa vào nền tảng vững chắc của logic toán học .

5. Mô hình dữ liệu quan hệ (Relational data model)
Theo nguyên lý toán học thì các biểu thức quan hệ có thể phân tích được. Vì vậy, bất kỳ biểu thức nào cũng có thể được chuyển đổi ( bởi DBMS) sang 1 biểu thức tương đương khác có thể thực thi hiệu quả hơn. Quá trình biến đổi này gọi là tối ưu hóa truy vấn (query optimization)
Các lập trình viên ứng dụng không cần phải nghiên cứu kỹ chi tiết bên trong của mỗi CSDL và cũng không cần phải biết bộ đánh giá truy vấn làm việc như thế nào.
Các lập trình viên ứng dụng chỉ cần xây dựng truy vấn (query) theo cách tự nhiên và đơn giản, rồi để cho bộ tối ưu hóa truy vấn tìm truy vấn tương đương để thực thi 1 cách hiệu quả

6. Các khái niệm cơ bản Mô hình quan hệ có 2 khái niệm cơ bản:
Relation instance ( thể hiện quan hệ): thường được gọi tắt là quan hệ ( relation)
Relation Schema ( lược đồ quan hệ)

7. Quan hệ (relation) Quan hệ chính là 1 bảng gồm các hàng và cột
Hàng (row) được gọi là tuple, không thể có 2 tuple giống nhau trong cùng 1 quan hệ, tương tự như các record trong 1 file. Thứ tự các tuple trong 1 quan hệ là không quan trọng.
 Relation instance is a set of unique tuples
Cột (column) hay còn gọi là attribute. Mỗi cột đều có tên gọi riêng. Thứ tự các cột là không quan trọng.

8. Quan hệ (relation) (tt)
Domain : là 1 tập hợp các giá trị cho phép của 1 hay nhiều thuộc tính, thường là 1 tập con cuả kiểu dữ liệu. Ký hiệu dom(A)  miền trị của thuộc tính A
Ví dụ: thuộc tính Address của quan hệ STUDENT có domain là tập hợp các chuỗi. Thuộc tính điểm có domain là các số thực trong phạm vi từ 0 đến 10.

9. STUDENT Table Attribute Values

10. Lược đồ quan hệ (Relation schema)
Lược đồ quan hệ bao gồm:
Tên quan hệ.
Tên các thuộc tính cùng với tên domain tương ứng.
Các ràng buộc bảo toàn ( integrity constraint): là các hạn chế trên các quan hệ của lược đồ này.

11. Cấu trúc dữ liệu quan hệ (tt)
Biểu diễn 1 lược đồ quan hệ:
TÊN_QUAN_HỆ( thuộc tính 1, thuộc tính 2,…)
Ví dụ : lược đồ quan hệ Employee có 3 thuộc tính
EMPLOYEE(Emp_ID, Name, Dept_Name, Salary)
Biểu diễn 1 tuple trong 1 quan hệ:
Ví dụ: Nhân viên Magaret mã NV 100 ở phòng Marketing với mức lương USD
t = (100, ‘Magaret’, ‘Marketing’, 48000)

12. Cơ sở dữ liệu quan hệ (Relational database)
Là 1 tập hợp hữu hạn các quan hệ (relations)
Dữ liệu được lưu trữ trong các quan hệ (bảng)
Có nhiều mối quan hệ giữa các bảng

13. Cấu trúc dữ liệu quan hệ (tt)
Bậc (degree): là số lượng các thuộc tính của quan hệ.
Số thuộc tính
Bậc của quan hệ 1
quan hệ nhất phân (unary relation) 2
quan hệ nhị phân (binary relation) 3
quan hệ tam phân (ternary relation) n
quan hệ n phân (ternary relation)

14. Cấu trúc dữ liệu quan hệ (tt)
Lượng số (cardinality): số lượng các bộ của quan hệ. Lượng số sẽ thay đổi khi thêm hay xoá các tuple (hàng).

15. Quan hệ toán học
Miền (domain): là một tập hợp các giá trị. Tên miền thường bắt đầu bằng chữ D
Tích Descartes (Cartesian product):
D1xD2x..xDn =
{ (d1,d2,..,dn)| di  Di, 1 ≤ i ≤ n}
Quan hệ (relation) là một tập con của tích Descartes

16. Ví dụ về quan hệ và tích Descartes
Cho 2 tập hợp D1={1,3}, D2={2,4,6}
Tích D = D1 x D2 =
{(1,2), (1,4), (1,6), (3,2), (3,4), (3,6)}
Xác định quan hệ r chứa các cặp có thứ tự với thành phần thứ 2 là 6
r={(x,y)| x  D1 và y = 6} = {(1,6), (3,6)}
Xác định quan hệ s có thành phần thứ 2 gấp đôi thành phần thứ 1
s = {(x,y)| x  D1 và y  D2 và y = 2x}
= {(1,2)}

17. Lược đồ quan hệ (relation schema)
Cho A1, A2, .., An là tên các thuộc tính thuộc các miền D1, D2,.., Dn
Lược đồ quan hệ R với 1 tập thuộc tính {A1, A2, .., An}
R(A1, A2, .., An)
Gọi U={A1, A2,.., An} là tập các thuộc tính của lược đồ quan hệ R
Vị từ (predicate) của R(U) là một phát biểu cho biết ngữ nghĩa của R trong thế giới thực, ký hiệu ||R(U)||

18. Lược đồ quan hệ (relation schema)
Ví dụ: vị từ của lược đồ quan hệ Employee là:
“Một nhân viên có các thuộc tính gồm mã nhân viên Emp_ID duy nhất, tên nhân viên Name, làm tại phòng Dept_Name và có tiền lương Salary”

19. Quan hệ (Relation) Gọi D = D1  D2 … Dn
Quan hệ r trên lược đồ quan hệ R được ký hiệu r(R) là một tập hữu hạn các ánh xạ {t1,t2,..,tp} từ R vào D với điều kiện mọi ánh xạ t  r thì t[Ai] Di, 1 ≤ i ≤ n
Quan hệ r là một thể hiện quan hệ (relation instance) của R tại 1 một thời điểm
Mỗi ánh xạ của quan hệ là 1 bộ của quan hệ và được ký hiệu (A1:d1, A2: d2,…,An:dn) với di  Di, 1 ≤ i ≤ n
Thành phần Ai của bộ t được ký hiệu là t[Ai] hoặc t.Ai

20. Khoá quan hệ (Relational Keys)
Siêu khoá ( superkey) là một thuộc tính hoặc một tập các thuộc tính dùng để xác định duy nhất một bộ của quan hệ
Một siêu khoá có thể chứa thêm các thuộc tính không cần thiết để xác định duy nhất một bộ
Siêu khoá hiển nhiên là tập tất cả các thuộc tính của quan hệ

21. Khoá quan hệ (Relational Keys)
Khoá dự tuyển (candidate key): là một siêu khoá K mà không có một tập con thực sự bất kỳ K’  K lại là một siêu khoá
Tính duy nhất ( uniqueness): các giá trị của K trong các bộ của r là duy nhất
Tính tối giản (irreducibility hay minimality) không có tập con thực sự K’  K lại có tính duy nhất.

22. Khoá quan hệ (Relational Keys)
Thuộc tính khoá ( key attribute, prime attribute): là thuộc tính tham gia vào khoá dự tuyển
Thuộc tính không khóa (non-key attribute): là thuộc tính không tham gia vào khóa dự tuyển
Khóa phức hợp (composite key): là khóa có nhiều hơn một thuộc tính

23. Khoá quan hệ (Relational Keys)
Khóa chính (primary key): là một khóa dự tuyển được chọn để xác định duy nhất một bộ của quan hệ. Khóa chính có thể chỉ có 1 thuộc tính hay khóa phức hợp.

24. Khoá quan hệ (Relational Keys)
Định nghĩa khóa theo quan hệ toán học:
Khóa (key) của R(U) với U={A1, A2,. . ,Am} là một tập con K= {Aj1, Aj2,…, Ajn} với j1, j2,..jn là các số nguyên phân biệt nằm trong khoảng từ 1 đến m, phải thỏa mãn đồng thời 2 điều kiện sau:
r(R),  t1, t2 r, nếu t1 t2 thì t[K1]  t[K2]
Không tồn tại K’  K sao cho K’ thỏa mãn điều kiện (1)

25. Khoá quan hệ (Relational Keys)
Các khóa dự tuyển (candidate key) còn lại sau khi chọn khóa chính được gọi là khóa khác (alternate key)
Khóa ngoại ( foreign key): là 1 thuộc tính hay 1 tập thuộc tính của 1 quan hệ tham chiếu đến khóa dự tuyển của 1 quan hệ khác hay của cùng 1 quan hệ.
Khóa mượn (borrowed key): là 1 khóa dự tuyển có chứa khóa ngoại

26. Ví dụ Xét lược đồ quan hệ sau:
Employee(Emp_ID, Name, Dept_Name, Salary)
Training(Emp_ID, Course, Date_Completed)
Department(Dept_Name, Location,Fax)

27. Các ràng buộc toàn vẹn (Integrity constraints)
Một số ràng buộc dựa vào các quy tắc nghiệp vụ. Các ràng buộc này thường nằm trong phần requirement Document của ứng dụng.
Nhân viên không thể có lương cao hơn giám đốc
Sinh viên phải thỏa mãn các điều kiện tiên quyết mới được đăng ký môn học đó
Các ràng buộc khác thường là ràng buộc type và domain, xuất hiện trong sơ đồ thiết kế và được thiết kế bởi nhà thiết kế CSDL.

28. Các ràng buộc toàn vẹn (Integrity constraints)
Ngay khi các ràng buộc đã được xác định trong lược đồ thì trách nhiệm của các DBMS là phải bảo đảm sao cho chúng không bị vi phạm khi có bất kỳ giao dịch (transaction) nào được thực thi trong CSDL đó.

29. Toàn vẹn dữ liệu (Data integrity)
Mục đích của ràng buộc (constraint): để duy trì tính chính xác (accurary) và toàn vẹn dữ liệu (data integrity) trong CSDL.
Các loại toàn vẹn dữ liệu :
Entity integrity
Domain integrity
Referential integrity
User-defined integrity

30. Bảo toàn thực thể (Entity Integrity)
Bảo toàn thực thể dùng để bảo đảm tính duy nhất của mỗi hàng trong bảng.
Để bảo toàn thực thể thì mỗi quan hệ có 1 khóa chính và giá trị của khóa chính phải luôn hợp lệ.
“Trong một quan hệ cơ sở, mọi thuộc tính khóa chính không được có giá trị rỗng (null)”
Được thể hiện trong SQL server thông qua các ràng buộc sau:
Ràng buộc khóa chính (primary key)
Ràng buộc duy nhất (unique)
Chỉ mục (index)
Thuộc tính identity

31. Giá trị Null Dùng để chỉ: Giá trị null khác số 0 hay chuỗi rỗng “”
Giá trị chưa biết của thuộc tính
Giá trị đã biết nhưng đang bị thiếu
Giá trị null khác số 0 hay chuỗi rỗng “”

32. Bảo toàn miền (Domain Integrity)
Bảo toàn miền để bảo đảm tính hợp lệ của dữ liệu trong 1 thuộc tính
“Tất cả giá trị xuất hiện trong 1 thuộc tính của 1 quan hệ phải cùng 1 miền trị”
Được thể hiện trong SQL server thông qua các ràng buộc sau:
Kiểu dữ liệu (Data types)
Ràng buộc CHECK
Định nghĩa RULE, DEFAULT, NOT NULL.

33. Toàn vẹn tham chiếu Referential integrity
Toàn vẹn tham chiếu dùng để xác định mối quan hệ giữa các bảng khi thêm hay xóa các hàng trong bảng.
Mục đích: duy trì tính nhất quán (consistency) giữa các bộ của 2 quan hệ.
Trong SQL server, thì toàn vẹn tham chiếu dựa vào mối quan hệ giữa khóa ngoại và khóa chính của các bảng.
Bảng chứa khóa chính: được gọi là bảng chính (primary table)
Bảng chứa khóa ngoại: được gọi là bảng quan hệ (related table)
Nó bảo đảm giá trị khóa phải thống nhất (consistent) giữa các bảng. Không thể tham chiếu đến 1 giá trị không tồn tại và nều giá trị khóa thay đổi thì tất cả tham chiếu đến giá trị khóa này cũng phải đồng loạt thay đổi theo.

34. Toàn vẹn tham chiếu Referential integrity
Tính toàn vẹn tham chiếu 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

35. Toàn vẹn tham chiếu (Reference Integrity)
Mục đích: duy trì tính nhất quán (consistency) giữa các bộ của 2 quan hệ
“ Nếu tồn tại 1 khóa ngoại trong 1 quan hệ, thì mỗi giá trị khóa ngoại phải tương ứng với 1 giá trị khóa chính trong một quan hệ khác (hoặc trong cùng quan hệ này) hoặc giá trị khóa ngoại phải là giá trị rỗng”

36. Ví dụ về khóa ngoại

37. Tính toàn vẹn do người dùng xác định (User-defined integrity)
Tính toàn vẹn do người dùng xác định cho phép xác định các quy tắc nghiệp vụ của tổ chức mà không thuộc vào các loại toàn vẹn khác.
Mức độ hỗ trợ cho các toàn vẹn do người dùng xác định phụ thuộc vào mỗi DBMS.
Được thể hiện trong SQL server thông qua:
Các ràng buộc mức bảng
Stored procedure
Trigger
Ví dụ: “ Mỗi văn phòng chi nhánh chỉ có tối đa 20 nhân viên”

38. Quan hệ có cấu trúc tốt (Well-structured relation)
Là một quan hệ có dư thừa dữ liệu là tối thiểu và cho phép người sử dụng thêm, xóa hay sửa đổi các bộ của quan hệ mà không bị sai hay mâu thuẩn dữ liệu ( data inconsistency)

39. Bất thường dữ liệu (Data anomaly)
Bất thường là 1 lỗi sai hay sự không nhất quán xảy ra khi dư thừa dữ liệu
Ba loại bất thường:
Bất thường khi thêm vào
Bất thường khi xóa bỏ
Bất thường khi sửa đổi

40. Ví dụ về bất thường dữ liệu
Xét quan hệ:
Employee(Emp_ID, Name, Dept_Name, Salary, Course, Date_Completed)
Khi thêm 1 nhân viên mới mà nhân viên này không tham gia bất kỳ khóa học nào
Khi 1 nhân viên tham gia nhiều khóa học, xuất hiện nhiều lần trong quan hệ, nếu nhân viên này được tăng lương
Nếu 1 nhân viên chỉ tham gia 1 khóa học và khóa học này chỉ có duy nhất 1 nhân viên, nếu nhân viên này bị xóa
 Employee có phải là quan hệ cấu trúc tốt???