Что такое база данных – особенности, принцип работы и выбора системы управления

Что такое база данных? Это инструмент, используемый для управления информацией и ее хранения. Она является основой для многих цифровых приложений, таких как онлайн-банкинг, социальные сети, поисковые системы и сайты электронной коммерции.

В чем преимущества? Прежде всего, базы данных позволяют предприятиям хранить сведения в больших объемах в упорядоченном виде. Кроме того, они безопасны и надежны, а также полезны при анализе эффективности бизнеса, что может помочь скорректировать дальнейшую работу.

Преимущества работы с базами данных

Таблицы упрощают нам жизнь. В табличном виде удобно представлять меню ресторана, создавать квитанции для квартплаты и т. д. Для чтения таблиц не нужны никакие дополнительные инструменты — все данные легко и быстро читаются. Другое дело, когда число строк и столбцов начинает исчисляться сотнями тысяч. В таких случаях с обработкой табличных данных возникают сложности даже при использовании редакторов типа MS Excel.

На помощь приходят разбивка одной крупной таблицы на несколько и организация связей между значениями. Таким образом возникают базы данных. В итоге они представляют собой упорядоченную информацию, которая хранится в цифровом (электронном) виде.

Чтобы разобраться, что такое база данных, рассмотрим в качестве примера двух друзей, решивших открыть кофейню. Стоит задача определить ассортимент напитков. Прежде всего нужно проанализировать меню конкурентов. Результаты заносятся в специально созданную базу данных. Это поможет определить спрос на отдельные напитки, одни из которых обеспечат выручку кофейне, другие — привлекут посетителей уникальным составом.

Далее изучаются поставщики. Здесь также происходит деление. Кто-то поставляет свежие кофейные зерна, кто-то торгует специальным оборудованием, а у кого-то можно закупать посуду. Вся эта информация также заносится в базу. В сравнении с обычными таблицами это более удобный формат по нескольким причинам:

• Имеется возможность хранения, обработки и структурирования гораздо большего объема данных.
• Благодаря встроенному языку запросов и удаленному доступу множество людей могут одновременно выполнять операции с БД. Современные электронные таблицы также подразумевают групповую работу через интернет, но в системах управления базами данных этот процесс более организован, безопасен и оперативен.
• БД могут содержать огромные массивы данных, что никак не влияет на скорость обработки. А, к примеру, таблица Google, состоящая из нескольких сотен строк или столбцов, уже будет загружаться заметно медленнее.

Задачи, которые ставят перед БД

Крупнейшие мировые компании работают с огромными объемами информации, оперативный доступ к которой должен обеспечиваться даже в ответ на сложные запросы. Администраторам баз данных необходимо повышать производительность используемого программного обеспечения с целью:

• эффективного управления непрерывно растущими массивами информации, получаемой от различных источников;
• обеспечения безопасности данных, включая минимизацию риска утечки этой информации и защиту ее от хакерских атак;
• обеспечения быстрого доступа к информации для своевременного принятия важных решений пользователями БД;
• управления базами данных, включая регулярный мониторинг на наличие ошибок, проведение профилактики, обновление ПО и исправление возникающих проблем;
• поиска новых возможностей управления для развития бизнеса.

Современные СУБД усложняются, а объемы обрабатываемых данных возрастают. Это требует привлечения и обучения новых специалистов для решения перечисленных выше задач.

Свойства базы данных

Системы управления базами данных очень удобны в использовании. Это достигается благодаря наличию следующих свойств:

• Быстродействие системы. Система поиска позволяет легко находить нужную информацию даже в больших массивах данных. В обычных электронных таблицах это делать сложнее.
• Простота получения и изменения данных. Для добавления и обновления информации оператору требуется совершить минимальное количество действий.
• Безопасность. Большая часть баз данных настраивается под разные уровни доступа. Возможно разрешение либо запрет просмотра или редактирования записей определенным пользователям.
• Многопользовательский доступ. Современные СУБД поддерживают одновременную работу нескольких пользователей с одной базой.
• Поддержка очень больших объемов данных. В БД можно хранить действительно огромные массивы информации. Далее будет подробно разъяснено, что такое запись. База данных позволяет обрабатывать информацию, содержащуюся в миллионах таких записей.

Система хранения информации в базах данных

БД можно представить в виде трехуровневой структуры. Перечислим данные уровни по порядку от большего к меньшему.

БД

Вся база данных занимает самый верхний уровень, где объединяются абсолютно все данные, хранение которых продиктовано конкретной целью.

Каждый веб-сайт независимо от разновидности и предназначения, как правило, имеет отдельную БД, внутри которой содержится вся необходимая информация.

Таблица

База данных состоит из таблиц, коих в одной БД может насчитываться несколько тысяч.

Разберемся на простом примере, что такое таблица. База данных, допустим, представляет собой большой шкаф. Тогда все содержимое (например, коробки из-под обуви) можно сравнить с таблицами.

Любому пользователю компьютера такой формат знаком. Табличный файл позволяет легко подсчитать количество строк и столбцов, прочитать заголовки, внести нужные данные в таблицу.

Аналогичным образом организован процесс и в базе данных. В системе создается таблица, для которой пользователь определяет вид и структуру.

Запись

Это низший уровень иерархии БД. Запись является частью таблицы, фактически формируя ее наполнение. Данный компонент неделим. К примеру, при заполнении формы на сайте введенная информация вносится в таблицу базы как одна запись, распределяясь по столбцам и строкам этой таблицы. Объем вносимых данных должен быть заранее определен.

В качестве примера разберем процесс создания онлайн-дневника. С точки зрения системы БД выполняются следующие действия:

• Создание новой базы данных сайта с именем «private diary»
• Создание таблицы с именем «diary log»
• Задание столбца «День недели» с типом данных «текст»
• Задание столбца «День» с типом данных «дата»
• Задание столбца «Номер записи» с типом данных «число»
• Задание столбца «Настроение» с типом данных «число» и ограничением от 0 до 5 (от плохого до отличного соответственно)
• Задание столбца «Комментарий» с типом данных «текст»
• Добавление новой записи с заполнением соответствующих полей в таблице каждый раз при сохранении формы

Сформированная таким образом база данных позволит хранить всю вводимую пользователями информацию и предоставит быстрый доступ к ней.

Проектирование баз данных

Проектирование БД включает в себя не только создание таблиц, определение имен столбцов и указание типов данных. Этот процесс в целом намного сложнее. Он требует наличия специальных навыков и знаний. Под типами данных здесь понимается в числе прочего способ записи этих данных (символы, строки, числа, даты, пустые данные NULL и т. д.).

Скачать файл

Основная проблема проектирования БД заключается в ограниченной вычислительной мощности оборудования. Малый объем данных обрабатывается относительно быстро. Но со временем количество информации растет, а это ведет к снижению быстродействия компьютера. Соответственно, запросы обрабатываются медленнее. Здесь стоит вкратце упомянуть, что такое реляционная база данных.

Новые записи в эти СУБД добавляются весьма быстро, а вот выборка определенной информации тратит достаточно много ресурсов. Впрочем, скорость обработки запросов зависит и от конкретных настроек системы.

Требования к проектированию БД

Ранее мы разобрались, в чем заключаются главные особенности реляционных баз данных. Теперь стоит поговорить о проблемах, возникающих при проектировании этих БД. Весь процесс начинается с постановки задач в зависимости от требований, сферы использования проектируемой базы, а также плюсов и минусов выбранной СУБД. В качестве примера рассмотрим популярную систему MySQL.

Формируем структуру базы, исходя из следующих требований:

• Необходимо обеспечить простую обработку данных.
• БД должна быть максимально компактной и лаконичной, но с сохранением всей функциональности.

В роли специалиста, занимающегося проектированием, обычно выступает профессиональный серверный администратор или опытный архитектор БД. В этой работе важно понимать, какого результата необходимо достичь. Требуется также знать, что такое структура базы данных, и насколько сложной она может быть. Иные БД состоят из сотен таблиц, которые могут быть весьма замысловато связаны друг с другом. В грамотном создании структуры и состоит основная трудность проектирования.

В результате должна получиться подробная диаграмма или схема, где определены все типы хранимых данных, указаны количество и типы столбцов в таблицах, показаны взаимосвязи этих таблиц и т. д. Грамотно выполненное проектирование обеспечит стабильную работу базы. В противном случае возникнут весьма серьезные проблемы. Нужно помнить, что самые грубые ошибки рождаются как раз на этапе построения архитектуры конечного продукта.

Виды баз данных

Мы разобрались, что такое база данных. Виды БД, количество которых сегодня исчисляется десятками, можно структурировать по степени популярности. Ниже перечислим наиболее популярные разновидности:

• Реляционные БД. Стали активно распространяться, начиная с 1980-х годов. Главной особенностью этого вида баз данных является организация структуры. Элементы реляционной БД представлены в виде таблиц, содержащих строки и столбцы. Благодаря этому максимально упрощается доступ к структурированным данным.
• Объектно-ориентированные БД. Здесь данные по аналогии с современными языками программирования рассматриваются как объекты.
• Хранилища данных. Служат для оперативного анализа и выполнения запросов.
• Распределенные БД. Состоят из нескольких файлов, находящихся на разных компьютерах. Одна такая база физически может как располагаться на одном узле, так и распределяться по нескольким сетям.
• Графовые БД. Данные здесь представлены как определенным образом взаимосвязанные друг с другом сущности.
• Иерархические БД. В качестве формы представления используется древовидная структура.
• Нереляционные БД. Также называются NoSQL. Предназначаются для хранения и обработки неструктурированной информации и данных со слабо выраженной структурой.
• Аналитические БД. Другое название — OLTP. Используются разными пользователями для выполнения множества операций.

Стремительное развитие сектора ИТ привело к появлению принципиально новых разновидностей баз данных:

• автономные БД;
• облачные БД;
• БД с открытым исходным кодом;
• документные БД (или JSON);
• многомодельные БД.

Примеры использования баз данных

Любая компания использует информацию, которую необходимо структурировать, где-то хранить и каким-то образом обновлять.

Показания счетчиков

Если организация располагается в отдельном помещении, она потребляет электричество и воду. Расходы этих ресурсов учитываются счетчиками. Автоматические приборы сами передают показания в управляющие компании, на основании чего потребителю выставляется счет.

Успешная оплата отображается в базе данных, где также указывается, что задолженность отсутствует. Каждая управляющая компания обслуживает огромное количество абонентов. Для хранения такого массива показаний и нужны базы данных, позволяющие сортировать счетчики по различным критериям (номера квартир, задолженности и пр.). Средствами обычных электронных таблиц эту задачу решить не получится.

Сведения о персонале

Если штат сотрудников небольшой, информацию о них можно фиксировать в обычной таблице. Но для обеспечения безопасности нужно ограничить доступ к этим данным, что легко реализуется с помощью СУБД. Персональные сведения о каждом сотруднике включают в себя конфиденциальную информацию, например, касающуюся заработной платы.

База потенциальных клиентов

В различных кафе часто практикуется предложение клиентам поучаствовать в программах лояльности. Для этого собираются контактные данные покупателей. Хранение этой информации и ее обработка также невозможны без организации БД.

Налоги

Налоговые службы обрабатывают огромный массив информации о налогоплательщиках. Здесь в любом случае требуется использование СУБД. Возможностей Excel было бы недостаточно для ежемесячного оповещения всех резидентов о начисленных налогах.

Заказы в кофейне

Безусловно владельцу заведения можно лишь приблизительно оценивать посещаемость по дням недели. Однако это дает незначительный результат. Гораздо больший позитивный эффект обеспечивает работающая база данных, содержащая всю информацию о заказах и посетителях.

Анкета

Сайт

Любой полноценный веб-сайт строится на основе БД. В базе хранятся абсолютно все данные, которые необходимы для нормальной работы ресурса, включая изображения, сведения о зарегистрированных пользователях, статистику посещений и т. д.

Системы управления базами данных

Физически БД являются обычными файлами на компьютере и служат местом хранения структурированной информации. Добавлять в себя данные, изменять их эти файлы сами не могут. Для этого требуется система управления (СУБД). Именно с ее помощью пользователи управляют таблицами и записями.

Итак, что такое система управления базой данных и как она организована? Фактически это набор программных средств, позволяющих добавлять, удалять, сортировать, фильтровать и искать определенные элементы БД. Также данные инструменты необходимы для изменения структуры базы и создания резервных копий.

Ядро этой системы отвечает за хранение базы, обслуживает ее и фиксирует изменения. Обработкой запросов пользователя занимается процессор или компилятор специального языка программирования. Как правило, в качестве последнего в реляционных и объектно-ориентированных БД используется SQL. В отдельных СУБД могут иметься внутренние языки запросов.

Также частью данных систем являются сервисные утилиты, поставляемые зачастую в большом количестве для выполнения конкретных задач обслуживания базы. В большинстве случаев имеется поддержка дополнительно подключаемых пользовательских модулей.

Виды СУБД по способу доступа

Для хранения БД используется сервер, который может либо располагаться на одном компьютере, либо находиться на разных устройствах, соединенных в единую сеть. В первом случае говорят о локальной СУБД, во втором — о распределенной СУБД. Базой данных, размещенной локально на компьютере, можно пользоваться лишь с этого компьютера.

Хранение информации и обеспечение к ней доступа могут организовываться тремя способами.

• Клиент-серверная архитектура подразумевает размещение базы и СУБД на одном удаленном сервере.

К этой БД могут подключаться пользователи, являющиеся в данном случае клиентами. В частности, таким образом делается запрос сведений об определенном сайте.

Обработка клиентских обращений осуществляется исключительно сервером. Клиенты же не должны напрямую взаимодействовать с базой. Иными словами, конечному пользователю не нужно устанавливаться специализированное ПО, чтобы, к примеру, получить доступ к сайту. Эта работа выполняется серверной частью, строго отделенной от клиентской.

Такая архитектура применяется наиболее часто. Она обеспечивает базам данных высокую надежность и доступность.

• Файл-серверная архитектура организует хранение базы на специальном файл-сервере, системы управления при этом располагаются на клиентских компьютерах.

Таким образом, доступ к БД имеют лишь те клиенты, на устройствах которых установлена СУБД.

В настоящее время данная архитектура используется в очень редких случаях, связанных главным образом с обеспечением работы приложений в локальных сетях. Для реализации крупных проектов файл-серверные СУБД практически не применяют.

• Встраиваемая архитектура реализуется в виде небольшой локальной системы управления, настроенной под потребности конкретного программного обеспечения.

Фактически СУБД встраивается в программу в качестве модуля. Необходимость в такой архитектуре возникает при разработке локального ПО. Система обладает малым размером и полностью устанавливается на одно устройство вместе с приложением.

Популярные системы управления базами данных

MySQL

Эта популярнейшая СУБД используется многими мировыми корпорациями (Twitter, Amazon, LinkedIn и т. д.). Она относится к реляционным системам и распространяется по принципам свободного ПО.

Перечислим характерные особенности.

• Пользователям предоставляется для работы большой выбор типов таблиц, включая такие редко используемые, как MERGE и HEAP.
• Система регулярно обновляется. Разработчики продолжают добавлять в нее поддержку новых типов таблиц.
• MySQL поддерживает многопользовательский режим, оставаясь при этом одной из самых быстрых систем. На скорость также не влияет и огромное количество строк в таблицах, достигающее 50 млн.
• Благодаря сравнительно малому количеству функций работа с данной системой не вызовет особых затруднений у новичков.

MySQL может работать как в графическом, так и в текстовом режимах. А c использованием программы phpMyAdmin администрирование БД возможно и через обычный браузер. Знать команды запросов SQL при этом необязательно.

Итак, система MySQL удобна и проста в использовании. Она обладает гибкостью и вполне пригодна в работе с крупными и средними проектами.

Oracle

Данная СУБД относится к объектно-реляционному типу. Название системе дала одноименная компания-разработчик. Взаимодействие с базой данных осуществляется посредством языка Java и расширения PL/SQL.

Приведем главные особенности системы.

• База легко восстанавливается после произошедшего сбоя. Реализована надежная система резервного копирования. Также присутствуют множество других полезных функций.
• Хранящиеся пользовательские данные надежно защищены.
• Перед использованием систему следует активировать. Это весьма дорогостоящая операция, поэтому данная СУБД может быть недоступна для начинающих администраторов и небольших компаний.

PostgreSQL

Эта СУБД также является объектно-реляционной, но в отличие от предыдущей распространяется свободно. От системы MySQL отличается более широким функционалом с внедрением инноваций. Работа с PostgreSQL осуществляется посредством языка SQL.

Перечислим главные особенности данной СУБД.

• В системе можно выполнять перегрузку функций и наследовать таблицы.
• Поддерживается множество типов данных, среди которых — JSON, XML, форматы «ключ-значение», пространственные данные и др.;
• Система легко расширяется за счет общедоступных и пользовательских модулей.

Используя PostgreSQL, можно хранить и обрабатывать сложными запросами очень большие массивы данных. Благодаря широкой поддержке форматов имеется возможность хранения геоданных , выстраивания Data Warehouse (DWH), работы с мобильными и веб-приложениями, выполнения многих других задач.

MongoDB

Данная СУБД предназначена для работы с документами. Она имеет открытый исходный код и причисляется к классу NoSQL. Собственный формат хранящихся данных BSON аналогичен JSON. Работа осуществляется с использованием языка запросов. Выборка нужной информации доступна в трех форматах — текстовом, географическом и графовом. В системе внедрено горизонтальное масштабирование, благодаря чему она легко справляется с повышенными нагрузками.

Приведем отличительные особенности СУБД.

• Описывать схемы таблиц, как это требуется в реляционных БД, здесь не нужно. Как уже указывалось, используется формат хранения BSON, являющийся аналогом JSON.
• В отличие от реляционных СУБД с их сложно связанными таблицами здесь нет сложных взаимосвязей между коллекциями. Данные соединяются непосредственно в процессе их сохранения.
• Коллекции могут отличаться друг от друга своей структурой (например, типом и количеством полей). Поддерживается хранение данных в формате JSON.

MongoDB отлично подойдет для работы с высоконагруженными проектами — мобильными приложениями, играми, CMS, программами для интернет-коммерции. Однако эта система используется достаточно редко в случаях, когда планируется создание жестко структурированных БД.

Redis

СУБД разработана по схеме NoSQL специально для хранения информации в формате «ключ-значение».

Перечислим главные особенности Redis.

• Скорость обработки данных достигает нескольких сотен тысяч операций в секунду за счет использования механизма In-Memory.
• При необходимости информация записываться на накопитель либо в память.
• Среди поддерживаемых форматов — списки, наборы, геоданные, растровые изображения.

Elasticsearch

Данная система относится к типу распределенных СУБД. Разрабатывалась она на основе Java-библиотеки Lucene. Имеется поддержка структурированных и полуструктурированных данных. Elasticsearch признана одной из лучших систем с точки зрения масштабируемости. Является частью группы Elastic Stack.

Приведем характерные особенности этой СУБД.

• Поисковый сервер, написанный на Java, имеет открытый исходный код.
• Реализовано безсхемное распределенное хранилище данных.
• Пользователи имеют доступ к данным через веб-интерфейс REST API с выводом JSON.
• Имеется встроенный анализатор текстов.
• Реализован полнотекстовый поиск данных.
• Поддерживается поиск в реальном времени (NRT).
• Имеется поддержка нескольких языков и геолокации.

Этот вариант оптимален для обработки в реальном времени больших массивов структурированной информации. Например, Elasticsearch стоит применять при разработке поисковой системы интернет-магазинов, при создании сервисов по выявлению мошеннических и шпионских программ, для хранения и мониторинга лог-файлов, взятых из множества источников.

SQLite

Эта реляционная система имеет вид библиотеки, написанной на языке C.

Основные особенности данной СУБД приведены ниже.

• Система полностью встраивается в саму программу или мобильное приложение в виде отдельного файла. Работа выполняется на конкретном устройстве без разделения на клиентскую и серверную часть.
• ПО поставляется с готовой конфигурацией, не требующей дополнительной настройки.
• Система имеет небольшой размер.
• Работает полностью автономно.

В процессе обработки данных обеспечиваются полная совместимость с ACID и безопасный доступ к различным выполняемым потокам.

Оптимальнее всего использовать СУБД SQLite при разработке мобильных приложений и сайтов, где предполагается небольшое количество посетителей. Также система хорошо себя показывает в работе с локальным кэшем, настольными программами и сервисами «интернета вещей».

Если же планируется отделять сетью данные от приложения, SQLite не подойдет. Также лучше использовать другие СУБД для сервисов с высоким трафиком и при работе с множеством параллельных операций или с большими массивами информации. Максимальный размер БД, с которой может работать SQLite, составляет 281 ТБ.

Neo4j

Данная система принадлежит к типу графовых СУБД. Основное ее предназначение — хранение и обработка наборов взаимосвязанных данных. Вся обрабатываемая информация рассматривается здесь как совокупность узлов, отношений и свойств описания. Пользователь в процессе работы изменяет структуру графа в реальном времени.

Перечислим характерные особенности Neo4j:

• Система отличается высокой производительностью и масштабируемостью.
• Поддерживаются все правила ACID: атомарность, согласованность, изоляция, долговечность.
• Работа выполняется с использованием декларативного языка запросов Cypher.
• В систему встроено веб-приложение Neo4j Browser.

Если же данные в базе связаны между собой слабо (хотя и имеют продуманную структуру), лучше сделать выбор в пользу других типов СУБД. С помощью Neo4j также крайне нежелательно работать с большим количеством двоичных или текстовых данных. Данная система плохо себя показывает и в случае преобладания записи информации над чтением. Наконец, для проектов, предполагающих массовое сканирование данных и не учитывающих начальную точку поиска, Neo4j также не подойдет.

Сравнение SQL и NoSQL

Схема SQL нашла гораздо большее применение. Пользователи прежде всего доверяют надежности этих систем. Наибольшую популярность приобрела СУБД MySQL. Наглядно сравнить обе разновидности поможет представленная ниже таблица.

Как видно из таблицы, простота и надежность свойственны в большей степени SQL-системам. Тем не менее NoSQL-решения активно развиваются, их популярность постепенно растет.

На что ориентироваться при выборе базы данных

Тенденция такова, что требования к скорости и производительности различных систем ужесточаются из года в год. Непрерывно увеличиваются и объемы данных, с которыми работают мировые компании. Это стимулирует разработчиков не только к развитию существующих БД, но и к созданию новых типов. Пользователям же важно тщательнее делать выбор в пользу той или иной системы управления.

Выбирать БД для конкретных задач необходимо исходя из:

• типа данных и их сложности;
• характера связей между данными;
• скорости операций чтения и записи, а также структуры БД;
• опыта разработчиков;
• этапа разработки продукта;
• предполагаемого объема информации;
• специфики запросов при обращении к БД.

Итак, базы данных охватывают практически все сферы, связанные с информационными технологиями. Без СУБД никакая работа в этом направлении была бы невозможна.

Знать, что такое база данных, необходимо для разработчиков приложений и сайтов. Любые объекты разработки предполагают взаимодействие с пользовательскими данными. И здесь без грамотной системы управления никак не обойтись.