Cơ sở dữ liệu - Các mô hình dữ liệu

1Các mô hình dữ liệu
Vũ Tuyết Trinh
trinhvt@it-hut.edu.vn
Bộ môn Các hệ thống thông tin, Khoa Công nghệ thông tin
Đại học Bách Khoa Hà Nội
2
Mô hình dữ liệu
{ Mô hình dữ liệu gồm [Codd, 1980]
z Một tập hợp các cấu trúc của dữ liệu
z Một tập các phép toán để thao tác với các dữ liệu
z Một tập các ràng buộc về dữ liệu
Ví dụ: mô hình mạng, mô hình phân cấp, mô hình
quan hệ, mô hình thực thể-liên kết, mô hình
hướng đối tượng
“A data model is a plan for building a database”*
*
23
Vài nét về lịch sử
1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010
Mô hình
mạng
Mô hình
phân cấp
Mô hình
quan hệ
Mô hình
hướng đối
tượng
Mô hình
quan hệ mở rộng
Mô hình bán
cấu trúc
DMS(65), 
CODASYL (71), 
IDMS, IDS
DMS(65), 
CODASYL (71), 
IDMS, IDS
IMS, 
System 2k,
...
IMS, 
System 2k,
...
System R(81), DB2, 
ORACLE, SQL 
Server, Sybase, ... 
System R(81), DB2, 
ORACLE, SQL 
Server, Sybase, ... 
O2, ORION, 
IRIS, ... 
O2, ORION, 
IRIS, ... 
DB2, 
ORACLE-10i, 
SQL Server 
... 
DB2, 
ORACLE-10i, 
SQL Server 
... 
Lore (97), 
...
Lore (97), 
...
XML
dbXML,natix,
Tamino,...
dbXML,natix,
Tamino,...
Mô hình
Thực thể-liên kết
IRDS(87),
CDD+, ...
IRDS(87),
CDD+, ...
4
Một vài mô hình dữ liệu
{ Mô hình phân cấp
{ Mô hình mạng
{ Mô hình quan hệ
{ Mô hình thực thể - liên kết
{ Mô hình hướng đối tượng
{ Mô hình bán cấu trúc
{ Mô hình dữ liệu của XML
35
Đặt vấn đề
{ Đặc điểm của các mô hình dữ liệu?
{ Sự khác nhau giữa các mô hình dữ liệu?
{ Các mô hình dữ liệu phổ biến ngày nay
6
Mô hình dữ liệu phân cấp
(Hierarchical data model)
{ Sự ra đời
z Khoảng năm 60-65
{ Biểu diễn: bằng cây
z Quan hệ cha/con
z Mỗi nút có một cha duy nhất
z 1 CSDL = tập các cây
{ Các khái niệm cơ bản
z Bản ghi
z Móc nối
{ Các phép toán: GET, GET UNIQUE, GET NEXT, GET 
NEXT WITHIN PARENT, ...
47
Ví dụ
lop
sinh_vien
giao_vien
diem_thi
mon_hoc mon_hoc
8
Nhận xét
{ Ưu điểm
{ Dễ xây dựng và thao tác
{ Tương thích với các lĩnh vực tổ chức phân cấp (vd: 
tổ chức nhân sự trong các đơn vị, ...)
{ Ngôn ngữ thao tác đơn giản (duyệt cây)
{ Nhược điểm
{ Sự lặp lại của các kiểu bản ghi → dư thừa dữ liệu và
dữ liệu không nhất quán
¾ Giải pháp: bản ghi ảo
{ Hạn chế trong biểu diễn ngữ nghĩa của các móc nối
giữa các bản ghi (chỉ cho phép quan hệ 1-n)
59
Mô hình dữ liệu mạng
(Network data model)
{ Sự ra đời
z sử dụng phổ biến từ những năm 60, được định nghĩa
lại vào năm 1971 
{ Biểu diễn: bằng đồ thị có hướng
{ Các khái niệm cơ bản
z Tập bản ghi (record)
{ Kiểu bản ghi (record type)
{ Các trường (field) 
z Móc nối (link)
{ Tên của móc nối
{ chủ (owner) – thành viên (member): theo hướng của
móc nối
{ Kiểu móc nối: 1-1, 1-n, đệ quy
z Các phép toán
{ Duyệt: FIND, FIND member, FIND owner, FIND NEXT
{ Thủ tục: GET
10
Ví dụ
lop
sinh_vien
gom
giao_vien
diem_thico
mon_hoc
giang_day
co_diem
hoc
611
Nhận xét
{ Ưu điểm
{ Đơn giản
{ Có thể biểu diễn các ngữ nghĩa đa dạng với kiểu bản
ghi và kiểu móc nối
{ Truy vấn thông qua phép duyệt đồ thị (navigation)
{ Nhược điểm
{ Số lượng các con trỏ lớn
{ Hạn chế trong biểu diễn ngữ nghĩa của các móc nối
giữa các bản ghi
12
Mô hình dữ liệu quan hệ 
(Relational data model)
{ Sự ra đời
z vào năm 1970[Codd, 1970]
{ Biểu diễn: dưới dạng bảng
{ Các khái niệm cơ bản
z Thuộc tính: một tính chất riêng biệt của một đối tượng
{ Tên
{ Kiểu, miền giá trị
z Quan hệ: được định nghĩa trên một tập các thuộc tính
z Bộ giá trị: các thông tin của một đối tượng thuộc quan
hệ
z Khoá: 
z Các phép toán: hợp, giao, tích đề-các, lựa chọn, 
chiếu, kết nối, ...
713
Ví dụ
86 L. T. N
45 H. B. T
56 Đ. C. V
21 T. Q. B
diachi
IT7
IT6
IT5
IT4
lop
029/2/1980Ng. T. PhươngSV0034
026/3/1982Trần M. QuếSV0067
13/2/1980Ng. Đ. TrungSV0025
01/4/1981Trần T. BìnhSV0011
namngaysinhtenSVmaSV
Ng. T. Phương
Trần M. Quế
Ng. Đ. Trung
Trần T. Bình
loptruong
Ng. V. QuýCNTTTin 7IT7
Ng. T. ThảoCNTTTin 6IT6
Lê A. VănCNTTTin 5IT5
Ng. V. AnhCNTTTin 4IT4
GVCNkhoalopmalop
3Quản lý dự ánHTTT01
4Phân tích và thiết kế hệ thốngCNTT03
4Truyền DL và mạngCNTT02
4Nhập môn CSDLCNTT01
soHTtenmonmaMH
MON_HOC
LOP
SINH_VIEN
14
Nhận xét
{ Ưu điểm
z Dựa trên lý thuyết tập hợp
z Khả năng tối ưu hoá các xử lý phong phú
{ Nhược điểm
z Hạn chế trong biểu diễn ngữ nghĩa
z Cấu trúc dữ liệu không linh hoạt
815
Mô hình dữ liệu thực thể - liên kết
(Entity-Relational data model)
{ Sự ra đời
z Xuất phát từ nhu cầu mô hình hoá ngữ nghĩa dữ liệu và
phát triển phần mềm 
z đề xuất 1975 [Chen, 1976] [Chen, 2002]
{ Biểu diễn: bằng sơ đồ thực thể - liên kết 
{ Các khái niệm cơ bản
z Thực thể: một đối tượng trong thế giới thực
z Thuộc tính: một đặc tính của một tập thực thể
o Khoá:xác định sự duy nhất của 1 thực thể
o Liên kết: mối liên hệ có nghĩa giữa nhiều thực thể
o Mỗi liên kết có thể có các thuộc tính
o 1-1, 1-n, n-m, đệ quy
16
Ví dụ
sinh_viên lop
mon_hoc
gom
diem_thi chuong_trinh
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
malop lop khoa
GVCN
loptruong
maMH tenmon soHT
917
Nhận xét
{ Ưu điểm
z dễ dàng biểu diễn cái mà con người nhận thức từ thế
giới thực
z Biểu diễn ngữ nghĩa phong phú của các thực thể và
quan hệ giữa các thực thể
{ Nhược điểm
z Không dễ dàng ánh xạ vào những cấu trúc lưu trữ
trên máy tính
18
Mô hình dữ liệu hướng đối tượng
(Object-oriented data model)
{ Sự ra đời
z Khoảng đầu những năm 90
{ Biễu diễn: sơ đồ lớp
{ Các khái niệm cơ bản
z Đối tượng: một đối tượng trong thế giới thực, được xác
định bởi một định danh duy nhất
z Thuộc tính: biểu diễn một đặc tính của đối tượng,
z Phương thức : thao tác được thực hiện trên đối tượng. 
{ Tất cả các truy nhập vào thuộc tính của đối tượng đều phải
được thực hiện thông qua các phương thức này.
z Lớp: một cách thức để khai báo một tập các đối tượng có
chung một tập thuộc tính và phương thức
10
19
Ví dụ
class sinh_vien {
string maSV; 
string tenSV;
date ngaysinh;
boolean nam; 
string diachi; 
string lop; 
string ten();
string ngay_sinh();
string dia_chi();
string lop();
void gan_DC(string DC_moi);
void gan_lop(string lop);
}
20
Nhận xét
{ Ưu điểm
z Cho phép định nghĩa kiểu đối tượng phức tạp
z Tính chất: bao đóng (encapsulation), kế thừa
(heritage), đa hình (polymorphism)
{ Nhược điểm
z Cấu trúc lưu trữ phức tạp và có thể sử dụng nhiều
con trỏ
z Khả năng tối ưu hoá các xử lý bị hạn chế trong nhiều
trường hợp
11
21
So sánh và đánh giá
Mô hình
HĐT
Mô hình TT-
LK
Mô hình
quan hệ
Mô hình
phân cấp
Mô hình
mạng
hiệu quả của
truy vấn
khả năng truy
vấn
lưu trữ DL
biểu diễn ngữ
nghĩa DL
Nhắc lại: Mô hình dữ liệu là một tập hợp các khái niệm dùng
để mô tả cấu trúc của một CSDL
22
Phân loại các mô hình
Phân cấp
Mạng
Quan hệ
Thực thể-liên kết
ngữ nghĩa
Đối tượng - Quan hệ Hướng đối tượng
Thế hệ 1
Thế hệ 2
Thế hệ 3
Các mô hình
dựa trên 
bản ghi
Các mô hình
dựa trên 
đối tượng
12
23
Biến đổi giữa các mô hình dữ liệu
{ Yêu cầu
z Chuyển một sơ đồ dữ liệu từ một mô hình dữ liệu
sang một mô hình khác
z Đảm bảo tính « tương đương » của sơ đồ dữ liệu
nguồn và đích
{ Các biến đổi tương đương giữa các mô hình
z Thực thể/liên kết - mạng
z Thực thể/liên kết - hướng đối tượng
z Quan hệ - hướng đối tượng
24
Các bước xây dựng một CSDL
Mô hình hoá DL (vd: Sơ đồ thực thể-liên kết)
Mô tả DL logic với 1 mô hình DL cụ thể
(vd: Sơ đồ quan hệ)
Mô tả ứng dụng
1: PHÂN TÍCH
2: THIẾT KẾ
Cài đặt với 1 hệ quản trị CSDL 
(vd: ORACLE)
3: CÀI ĐẶT
13
Mô hình hoá dữ liệu với mô
hình thực thể - liên kết
26
Đặc điểm
{ Thích hợp để mô hình hoá dữ liệu cho CSDL
z Gần gũi với nhận thức của con người → dễ sử dụng
z dễ chuyển đổi sang mô hình quan hệ
z Dựa trên các khái niệm chính
{ Thực thể: một đối tượng trong thế giới thực
{ Tập thực thể: các thực thể có cùng các tính chất
{ Thuộc tính: một đặc tính của một tập thực thể
o Khoá:xác định sự duy nhất của 1 thực thể
o Liên kết: mối liên hệ có nghĩa giữa nhiều thực thể
{ Tập liên kết: tập hơpự các liên kết cùng kiểu
{ Được biểu diễn bởi sơ đồ thực thể - liên kết
14
27
Thực thể và thuộc tính
{ Thực thể: một đối tượng
trong thế giới thực
{ Tập thực thể: gồm các thực
thể có tính chất giống nhau
{ Thuộc tính: một đặc tính của
một tập thực thể
z Miền giá trị ~ tập các giá trị
có thể
z Khoá ~ xác định sự duy nhất
của 1 thực thể
•sv1
•sv2
•sv3
sinh_viên
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
28
Kiểu thuộc tính
{ Thuộc tính đơn giản
(thuộc tính nguyên tố)
z có kiểu dữ liệu nguyên
tố
{ Thuộc tính phức
z có kiểu phức, định nghĩa
bởi các thuộc tính khác
tenSV = ‘‘Trần T. Bình’’
tenSV = ‘‘Ng. Đ. Trung’’
sinh_viên
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
so_pho quan thanh_pho
15
29
Kiểu thuộc tính (2)
{ Thuộc tính đa giá trị
z tương ứng với mỗi thực
thể, có thể nhận nhiều
giá trị
{ Thuộc tính suy diễn
z có thể tính toán được từ
(các) thuộc tính khác
mon_hoc
maMH
tenmon
soHT
giao_vien
sinh_viên
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
tuoi
30
Liên kết
{ Đ/n: là sự kết hợp giữa một số thực thể
{ Thuộc tính
sinh_viên mon_hocdiem_thi
maMH
tenmon
soHT
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
ket_qua
16
31
Ràng buộc của kết nối
{ 1-1: Liên kết 1 thực thể của
một tập thực thể với nhiều
nhất 1 thực thể của tập thực
thể khác
{ 1-n: Liên kết 1 thực thể của
một tập thực thể với nhiều
thực thể của tập thực thể
khác
{ n-m: Liên kết 1 thực thể của
một tập thực thể với nhiều
thực thể của tập thực thể
khác và ngược lại
{ đệ quy: Liên kết giữa các
thực thể cùng kiểu
sinh_viên mon_hocdang_ky
n m
lop_hoc sinh_viengom
1 m
mon_hoc
dieu_kien
lop_hoc giao_vienchu_nhiem
1 1
32
Lập sơ đồ thực thể - liên kết
{ B1: Xác định các thực thể
{ B2: Xác định các liên kết giữa các thực thể
z Bậc của liên kết
z Ràng buộc (1-1, 1-n, n-m, đệ quy)
17
33
Bài tập
{ Bài toán: phân tích và thiết kế 1 CSDL gồm các thông tin trong
1 công ty (nhân viên, phòng ban, dự án
z Công ty được tổ chức bởi các phòng ban. Mỗi phòng ban có 1 tên
duy nhất, 1 số duy nhất và 1 người quản lý (thời điểm bắt đầu 
công tác quản lý của người này cũng được lưu lại trong CSDL). 
Mỗi phòng ban có thể có nhiều trụ sở làm việc khác nhau
z Mỗi phòng điều phối một số dự án. Mỗi dự án có 1 tên và 1 mã số
duy nhất, thực hiện tại một địa điểm duy nhất
z Các thông tin về nhân viên cần được quan tâm gồm: tên, số bảo
hiểm, địa chỉ, lương, giới tính, ngày sinh. Mỗi nhân viên làm việc
tại một phòng ban nhưng có thể tham gia nhiều dự án khác nhau. 
Những dự án này có thể được điều phối bởi các phòng ban khác
nhau. Thông tin về số giờ làm việc trong từng dự án (theo tuần) 
cũng như người quản lý trực tiếp của các nhân viên cũng được 
lưu trữ
z Thông tin về con cái của từng nhân viên: tên, giới tính, ngày sinh
34
18
Mô hình dữ liệu quan hệ
36
Đặc điểm
{ Dựa trên lý thuyết tập hợp
{ dễ dàng ánh xạ đến cấu trúc lưu trữ vật lý
{ Các khái niệm cơ bản
z Thuật ngữ toán học: quan hệ, bộ và thuộc tính
z Thuật ngữ hướng dữ liệu: bảng, bản ghi và trường
{ Được biểu diễn bởi lược đồ quan hệ
19
37
Thuộc tính - trường
{ Đ/n: là một tính chất riêng biệt của một đối 
tượng cần được lưu trữ trong CSDL để phục vụ 
cho việc khai thác dữ liệu về đối tượng
z Ký hiệu: A
{ Tên thuộc tính: 
z maSV, tenSV,ngaysinh,nam,diachi,lop
{ Kiểu dữ liệu, miền giá trị (Dom(A))
z text, number, boolean, date/time, memo
z maSV: text(10)
tenSV: text(30)
ngaysinh: date
nam: boolean
...
38
Quan hệ - bảng
{ Đ/n: được xác định 
trên một tập các 
thuộc tính Ai
{ Ký hiệu: 
R(A1,A2,  An) 
{ R(A1,A2,  An) ⊆
Dom(A1) x  x Dom(An)
{ Tân từ: quy tắc để
xác định mối quan hệ
giữa các thuộc tính
Ai
SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh,
nam, diachi,lop)
LOP(malop,ten,khoa)
∀lop ∈ SINH_VIEN[lop], 
∃malop ∈ LOP[malop]:
lop = malop
20
39
Bộ - bản ghi
{ Đ/n: các thông tin của một đối tượng thuộc
quan hệ
{ Ký hiệu
t(a1,a2,  an)
{ t(a1,a2,  an) ∈ Dom(A1) x  x Dom(An)
86 L. T. N
45 H. B. T
56 Đ. C. V
21 T. Q. B
IT7
IT6
IT5
IT4
029/2/1980Ng. T. PhươngSV0034
026/3/1982Trần M. QuếSV0067
13/2/1980Ng. Đ. TrungSV0025
01/4/1981Trần T. BìnhSV0011
40
Lược đồ quan hệ
{ Lược đồ quan hệ (S): là sự trừu tượng hoá của 
quan hệ ở mức độ cấu trúc của một bảng 2 
chiều
z S = {Ri}
z SINH_VIEN(maSV,tenSV, ngaysinh, nam, diachi,malop)
LOP(malop,lop, khoa, GVCN, loptruong)
MON_HOC(maMH,tenmon,soHT)
...
{ Thể hiện của quan hệ: tập hợp các bộ giá trị
của quan hệ R vào một thời điểm
21
41
Khoá
{ Đ/n
z Cho R(A1,A2,  An), K ⊆ {Ai}, 
z K là khoá nếu với ∀t1, t2 ∈R, ∃Ai ∈K: t1.K≠t2.K
SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh,nam, diachi,lop)
{ T/c:
z K ⊆ K’ ⊆ {Ai} là khoá ⇒ K’ cũng là khoá
SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, nam, diachi,lop)
SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, nam, diachi,lop)
42
Phân loại khoá
{ Khoá tối thiểu
z Cho R(A1,A2,  An), 
K ⊆ {Ai}, 
z K là khoá tối thiểu nếu
K là khoá và !∃K’ ⊆ K
mà K’ là khoá
{ Khoá ngoài
z Cho R(A1,A2,  An), 
R’(A’1,A’2,  A’m), K ⊆ {Ai}, 
z K là khoá ngoài của R 
tham chiếu đến quan hệ
R’ nếu K là khoá chính
của R’
SINH_VIEN (maSV,tenSV,ngaysinh, 
nam, diachi,malop)
LOP(malop,lop, khoa, GVCN, 
loptruong)
22
43
Biến đổi: Sơ đồ thực thể - liên kết
→ Sơ đồ quan hệ
{ Biến đổi tập các thực thể
{ Biến đổi các liên kết
{ Các khoá của các sơ đồ quan hệ
{ Các sơ đồ quan hệ với khoá chung
44
Biến đổi các tập thực thể
B1: 1 tập thực thể
¾ 1 quan hệ, 
z thuộc tính → thuộc tính (trường), 
z 1 thực thể→ 1 bộ
z khoá của tập thực thể→ khoá của quan hệ, 
•sv1
•sv2
•sv3
86 L. T. N
45 H. B. T
56 Đ. C. V
21 T. Q. B
diachi
IT7
IT6
IT5
IT4
malop
029/2/1980Ng. T. PhươngSV0034
026/3/1982Trần M. QuếSV0067
13/2/1980Ng. Đ. TrungSV0025
01/4/1981Trần T. BìnhSV0011
namngaysinhtenSVmaSV
SINH_VIEN
•sv1
•sv2
•sv3
•sv4
maSV tenSV ngaysinh nam diachi malop
sinh_viên
23
45
Biến đổi các tập thực thể (2)
B2: 1 tập thực thể xác định từ tập thực thể khác
(E) qua 1 liên kết
¾ 1quan hệ chứa khoá cuả E
LOPTRUONG(maSV)
sinh_viên lop_truongla_mot
46
Biến đổi các liên kết
B3: Liên kết 1-1
¾ Dùng khoá ngoài
LOP_HOC(malop,lop,khoa,maGV)
lop_hoc giao_vienchu_nhiem
1 1malop
lop
khoa
maSV
ngaysinh
trinhdo
khoa
24
47
Biến đổi các liên kết (2)
B4: Liên kết 1-n
¾ Dùng khoá ngoài: thêm khoá chính của quan hệ
bên 1 vào quan hệ bên n làm khoá ngoài
SINH_VIEN(maSV,tenSV,ngaysinh,nam, diachi, malop)
lop_hoc sinh_viengom
1 nmalop
lop
khoa
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
48
Biến đổi các liên kết (3)
B5: Liên kết n-n
¾ Thêm 1 quan hệ mới xác định bởi các thuộc
tính nằm trong khóa của các thực thể có liên
quan và các thuộc tính của liên kết
DANG_KY(maSV,maMH, diem)
sinh_viên mon_hocdang_ky
n m
maSV
tenSV
ngaysinh
nam
diachi
maMH
ten
soHT
diem
25
49
Thuộc tính đa trị
B6: Với mỗi thuộc tính đa trị
¾ Thêm 1 quan hệ mới xác định bởi thuộc tính đa 
trị và khoá của tập thực thể tương ứng
MH_GV(maMH,giao_vien)
mon_hoc
maMH
tenmon
soHT
giao_vien
50
Bài tập
{ Biến đổi sơ đồ thực thể/liên kết → sơ đồ quan
hệ
26
51
52
Kết luận
{ Điểm khác nhau của các mô hình dữ liệu
z khả năng biểu diễn dữ liệu về mặt ngữ nghĩa
z khả năng biểu diễn truy vấn dữ liệu
z hiểu quả của cài đặt trong máy tính
{ Mô hình thực thể-liên kết cho phép biểu diễn dữ
liệu gần với nhận thức của con người
{ Mô hình quan hệ
z Cho phép biểu diễn logic dữ liệu
z dễ ánh xạ sang cấu trúc lưu trữ vật lý
z Dựa trên nền tảng toán học cho phép tối ưu hoá các
truy xuất dữ liệu
“More than 90% of current database applications are built on 
relational database systems which utilise relational model
as its underlying data model”*
* R. Elmasri and S. Navathe. Fundamentals of Database Systems
27
53
Các điểm cần lưu ý
{ Khái niệm chung về mô hình dữ liệu
{ Các mô hình dữ liệu
{ Mô hình thực thể - liên kết
{ Mô hình dữ liệu quan hệ
{ Các bước xây dựng một CSDL
{ Biến đổi từ sơ đồ thực thể - liên kết sang lược đồ quan
hệ
54