Những cách tiếp cận một cơ sở dữ liệu

Mô hình dữ liệu quan hệ (Relational Data Model) - còn được gọi tắt là mô hình quan hệ (Relational Model) do E.F.Codd [2] đề xuất năm 1970. Nền tảng cơ bản của nó là khái niệm lý thuyết tập hợp trên các quan hệ, tức là tập của các bộ giá trị (Value Tuples). Trong mô hình dữ liệu này những khái niệm sẽ được sử dụng bao gồm thuộc tính (Attribute), quan hệ (Relation), lược đồ quan hệ (Relation Schema), bộ (Tuple), khóa (Key).  

Mô hình dữ liệu quan hệ là mô hình được nghiên cứu nhiều nhất, và cho thấy rằng nó có cơ sở lý thuyết vững chắc nhất. Mô hình dữ liệu này cùng với mô hình dữ liệu thực thể kết hợp đang được sử dụng rộng rãi trong việc phân tích và thiết kế CSDL hiện nay. Chúng ta sẽ nghiên cứu chi tiết mô hình dữ liệu này ở các chương sau.

Mô hình dữ liệu thực thể - kết hợp (Entity - RelationShip Model) do P.P.Chen đề xuất vào năm 1976. Các khái niệm chủ yếu được sử dụng trong lý thuyết của mô hình này là: 

Loại thực thể (Entity Type): Là một loại đối tượng cần quản lý trong CSDL, chẳng hạn, KHOA, LỚP-HỌC, MÔN-HỌC, GIẢNG-VIÊN, HỌC-VIÊN, tức là, cũng tương tự như khái niệm về loại mẫu tin trong mô hình mạng và mô hình phân cấp. 

Thực thể (Entity): Là một thể hiện hoặc một đối tượng của một loại thực thể. Khái niệm này tương tự như khái niệm mẫu tin trong mô hình dữ liệu mạng và mô hình dữ liệu phân cấp. 

Thuộc tính của loại thực thể (Entity Attribute): Là các đặc tính riêng biệt cơ bản của loại thực thể, tương tự khái niệm thuộc tính (Attribute) trong mô hình dữ liệu quan hệ sẽ trình bày trong Chương III. Ví dụ, loại thực thể KHOA có các thuộc tính Mã-Khoa, Tên-Khoa. Loại thực thể LỚP-HỌC có một số thuộc tính Mã-Lớp, Tên-Lớp, Niên-Khóa, Số-Học-Viên. Loại thực thể MÔN-HỌC có một số thuộc tính Mã-Môn, Tên-Môn, Số-Đv-Học-Trình. Loại thực thể HỌC-VIÊN có một số thuộc tính Mã-Học-Viên, Tên-Học-Viên, Ngày-Sinh, Quê-Quán. Loại thực thể GIẢNG-VIÊN có một số thuộc tính Mã-Giảng-Viên, Tên-Giảng-Viên, Cấp-Học-Vị, Chuyên-Ngành. v.v... 

Khóa của loại thực thể (Entity Key): Đó là các thuộc tính nhận diện của loại thực thể. Căn cứ vào các giá trị của các thuộc tính nhận diện này người ta có thể xác định một thực thể duy nhất của một loại thực thể. Ví dụ, khóa của loại thực thể LỚP-HỌC có thể là Mã-Lớp; khóa của loại thực thể HỌC-VIÊN có thể là Mã-Học-Viên; khóa của loại thực thể MÔN-HỌC có thể là Mã-Môn-Học ... Khái niệm này cũng tương tực như khái niệm khóa (Key) trong mô hình dữ liệu quan hệ sẽ trình bày trong Chương III. 

Loại mối kết hợp (Entity Relationship): Tương tự như loại mối liên hệ trong mô hình dữ liệu mạng. Trong đồ thị biểu diễn của mô hình này người ta cũng sử dụng hình elíp để thể hiện một mối kết hợp giữa các thực thể. Giữa 2 loại thực thể có thể tồn tại nhiều hơn một mối kết hợp. 

Số ngôi của mối kết hợp (RelationShip Degree): Là tổng số loại thực thể tham gia vào mối kết hợp. Ví dụ, giữa loại thực thể SINH-VIÊN và KHOA tồn tại mối kết hợp "trực thuộc" - đó là mối kết hợp 2 ngôi. KẾT-QUẢ-THI (hoặc KIỂM-TRA) của sinh viên là mối kết hợp giữa 3 thực thể SINH-VIÊN, MÔN-THI và ĐIỂM-THI - đó là mối kết hợp 3 ngôi. 

Thuộc tính của mối kết hợp (RelationShip Attribute): Mối kết hợp có thể có các thuộc tính của riêng nó. Thông thường mối kết hợp có các thuộc tính là khóa của các loại thực thể tham gia vào mối kết hợp, ngoài ra còn có thêm những thuộc tính bổ sung khác. Ví dụ, trong mối kết hợp 3 ngôi kể trên, thuộc tính của mối kết hợp này có thể bao gồm Mã-Học-Viên, Mã-Môn-Học, Điểm-Thi; và có thể có thêm các thuộc tính bổ sung khác như Lần-Thi-Thứ, Ngày-Thi, Ghi-Chú v.v... 

Bản số của mỗi nhánh của mối kết hợp (RelationShip Cardinal): Mỗi nhánh (hay mỗi chiều) của mối kết hợp là mối kết hợp nối một loại thực thể với một mối kết hợp. Trong nhánh này cần xác định số lượng tối thiểu và số lượng tối đa các thực thể của nhánh đó sẽ tham gia vào một thực thể của mối kết hợp. Hai đại lượng này - đặt trong cặp dấu ngoặc tròn - được gọi là bản số của mối kết hợp. Ví dụ, trong mối kết hợp 3 ngôi nêu trên, tại nhánh nối loại thực thể HỌC-VIÊN với mối kết hợp KẾT-QUẢ-THI là (1,n), bởi vì sẽ có ít nhất một học viên tham gia kỳ thi và nhiều nhất là tất cả số học viên học môn đó cùng dự thi. 

Vào khoảng năm 1980, mô hình dữ liệu thực thể-kết hợp đã được mở rộng thêm một số khái niệm mới như "loại thực thể chuyên biệt hóa" (Specialized Entity) và "mối kết hợp đệ quy" (Recursive RelationShip). Mô hình này cùng với mô hình dữ liệu quan hệ và mô hình hướng đối tượng được sử dụng khá phổ biến trong việc thiết kế các CSDL hiện nay, bởi sự kết hợp này làm cho mô hình dữ liệu thể hiện được nhiều ngữ nghĩa của những loại dữ liệu trong CSDL hơn. 

 Hình 2.4.1 Mô hình dữ liệu thực thể - kết hợp của CSDL quản lý học viên.

 Hình 2.4.1 trình bày một mô hình thực thể - kết hợp cho CSDL quản lý học viên gồm các loại thực thể KHOA, LỚP-HỌC, MÔN-HỌC, GIẢNG-VIÊN, HỌC-VIÊN. Mối kết hợp HỌCVIÊN¸LỚPHỌC giữa 2 loại thực thể HỌC-VIÊN và LỚP-HỌC. Tại nhánh HỌC-VIÊN bản số của nó là (1,1), điều này nhà phân tích và thiết kế đã khẳng định tình trạng thực tế là một học viên phải theo học (hay có tên trong danh sách) ít nhất là một lớp và cũng chỉ thuộc tối đa một lớp. Bản số của nhánh LỚP-HỌC là (1,n) nghĩa là một lớp (nếu đã có tên trong danh sách lớp học) thì có ít nhất 1 học viên và tối đa có thể là nhiều (n) học viên theo học.    

 Hình 2.4.2. Mô hình thực thể kết hợp với các thực thể chuyên biệt hóa.

Nếu yêu cầu quản lý đòi hỏi phải phân tích rạch ròi thành 2 loại lớp học chính quy và tại chức, và các lớp học tại chức có thể sẽ không phải học một số môn học hoặc số đơn vị học trình ít hơn so với các lớp chính quy, khi đó mô hình dữ liệu thực thể - kết hợp được thể hiện như trong sơ đồ 2.4.2. Thực thể chuyên biệt hóa được thể hiện trong mô hình bằng hình chữ nhật có khung (Frame) đôi; một đường kết hợp bằng nét đôi có dấu gạch ngang thể hiện mối quan hệ là chuyên biệt hoá thành các loại thực thể con chi tiết hơn. Các tên trong các hình hộp chữ nhật thể hiện các thuộc tính của loại thực thể đó.

Mô hình dữ liệu hướng đối tượng (Object Oriented Data Model) ra đời từ cuối những năm 80 và đầu những năm 90. Đây là loại mô hình tiên tiến nhất hiện nay dựa trên cách tiếp cận hướng đối tượng đã quen thuộc trong các phương pháp lập trình hướng đối tượng, nó sử dụng các khái niệm như lớp (class), sự kế thừa (inheritance), kế thừa bội (tức là kết thừa từ nhiều lớp cơ sở multi-inheritance). Đặc trưng cơ bản của cách tiếp cận này là tính đóng gói (encapsulation), tính đa hình (polymorphism) và tính tái sử dụng (Reusability).  

Lớp là một kiểu dữ liệu có cấu trúc bao gồm các thành phần dữ liệu và các phương thức xử lý thao tác trên cấu trúc dữ liệu đó. Nó là một kiểu (hay cấu trúc) dữ liệu được trừu tượng hóa, bởi vì các tác động (còn gọi là các phương thức - method) là để phục vụ hoặc thao tác trên kiểu dữ liệu này. Dữ liệu và phương thức hòa quyện vào nhau thành một thể thống nhất: dữ liệu cần có những cách thức xử lý thỏa đáng, và phương thức xử lý được đưa vào trong kiểu dữ liệu đó là để phục vụ cho các đối tượng có cấu trúc như thế. Người ta gọi sự thống nhất đó là sự đóng gói. 

Ví dụ, trong việc định nghĩa phép cộng (+) hai số phức c1 và c2 để cho một số phức kết quả là:

COMPLEX (c1.Real+c2.Real, c1.Image+c2.Image)

để người ta có thể sử dụng phép cộng (+) một cách tự nhiên như việc gán kết quả đó cho biến phức c = c1 + c2, hoàn toàn tự nhiên và trong sáng hơn rất nhiều so với việc phải viết một thủ tục Add_COMPLEX (COMPLEX &c1, COMPLEX &c2, COMPLEX &c) để cộng hai số phức và kết quả được gán vào tham đối thứ 3 của hàm thông qua tham chiếu địa chỉ của biến c theo cách lập trình hướng thủ tục trước đó. Và, hiển nhiên rằng, cách thức cộng như trên là chỉ được áp dụng cho các đối tượng số phức. 

Tương tự, cũng có thể định nghĩa phép toán cộng (+) trong lớp ma trận (MATRIX) để cộng hai ma trận có cùng bậc. Khi đó giả sử A và B là hai ma trận m * n; Phép gán tổng hai ma trận A và B cho biến ma trận C có thể được viết:

C = A + B

rõ ràng là tự nhiên và dễ hiểu hơn đối với các ứng dụng lớp ma trận so với việc gọi thủ tục Add_MATRIX (MATRIX  &A, MATRIX  &B, MATRIX  &C, int m, int n) ... 

Phương pháp tiếp cận hướng đối tượng trong mô hình dữ liệu mặc dù còn mới mẻ nhưng hiện nay đang được nhiều người quan tâm nghiên cứu phát triển và áp dụng. Các hệ quản trị CSDL hướng đối tượng hiện nay vẫn chưa nhiều, một số còn chưa thuần nhất (nghĩa là việc lập trình là hướng đối tượng nhưng CSDL vẫn chủ yếu dựa trên mô hình quan hệ.