Что такое база данных: принципы работы, лучшие СУБД

Что значит бд

История появления первых БД

В широком значении этого термина «базы данных» появились очень давно, тысячи лет назад. Сразу, как только человек изобрел способ создавать документы — с помощью письма, клинописи, узелковой письменности и т.д. Царям и знати приходилось вести учет своей казны, сборщикам податей — фиксировать объемы налогов и т.д. Все эти данные составляли некоторый массив информации, который был прообразом современных баз данных. Массивы становились все больше, а средства для их описания все сложнее. Возникла необходимость оперативно записывать и считывать информацию, появились первые устройства-табуляторы.

Еще в 1804 году Жозеф Мари Жаккар придумал использовать для хранения информации перфокарты — с их помощью ткацкий станок легко мог бы быть перепрограммирован на определенный узор. В 1890 году Бюро переписи США использовало схожие перфокарты и табуляторы для автоматизации подсчетов при переписи населения.

С появлением электронно-вычислительных машин возникла необходимость в программном обеспечении для устройств обработки записей на основе файловой структуры прообраз современных СУБД — систем управления базами данных. Именно тогда и появился термин «база данных» в том контексте, котором мы привыкли его сегодня понимать.Одна из старейших компаний, которая начала заниматься разработкой баз данных, — Oracle. Хотя свое название она приобрела в 1980-х, фактически команда специалистов начала свою работу еще в 1977 году. В то время будущий основатель американской компании Ларри Эллисон (Lawrence Ellison) работал в компании Ampex, которая была вовлечена в проект для ЦРУ под названием Oracle. Когда в военном ведомстве свернули этот проект, Ларри решил продолжить работу в собственной фирме и даже взял для нее исходное название проекта. Кстати, интересный факт: Ларри Эллисон был крупным акционером Apple и способствовал продвижению карьеры самого Стива Джобса.

С середины 1950-х годов стали разрабатываться основные подходы и требования к базам данных. В 1972 году вышел труд британского ученого Тедда Кодда, в котором автор описал основную идею реляционной технологии. Он сформулировал несколько правил для «настоящей» базы данных.

Во-первых, она должна включать в себя элементы, своего рода строительные кирпичики — коллекции типов объектов данных. Во-вторых, структура выборки данных должна подчиняться правилам целостности, ограничивающим набор экземпляров массива информации. И, наконец, к элементам выборки можно применять различные операции. Эти идеи заинтересовали Ларри Эллисона, и вскоре была выпущена самая первая база данных.

Забавно, что первая версия БД, выпущенная Oracle, уже имела версию «v2». На эту маленькую хитрость пошли из маркетинговых соображений.

Второй номер версии должен был подчеркнуть отрыв от конкурентов (например, IBM, в которой и работал Тедд Кодд) и стимулировать спрос на продукт. СУБД Oracle создавалась на ассемблере, однако, впоследствии от ассемблера отказались в пользу языка С, лицензия на который стоила значительно меньше.

SQL

В 1970-х годах был создан язык структурированных запросов или сокращенно SQL (Structured Query Language). Первое название этого языка — SEQUEL. Это был простой и легкий в изучении язык, который применялся для записи и чтения информации из базы данных. Несложный синтаксис позволял создавать таблицы данных, редактировать структуру БД и объединять данные.

Сегодня этот язык является стандартом для оптимизации и обслуживания реляционных баз данных. Язык SQL оказался очень живучим, он актуален и по сей день. Запрос SQL зачастую более производителен чем написание кода. В разных базах данных синтаксис SQL почти не отличается.

Практически в каждом запросе присутствуют ключевые слова SELECT, FROM и WHERE — фундаментальные аспекты построения запросов к базе. Более сложные запросы являются надстройками над ними. SQL применяют сегодня даже с Deep Learning!

Также существуют так называемые диалекты SQL. Например, в Microsoft SQL Server — Transact-SQL или T-SQL, в Microsoft Access — Jet SQL, в Oracle Database — PL/SQL, в IBM DB2 — SQL PL.

3аключение

База данных является главной и сложной частью современных информационных систем. Однако в одной статье уместить всю информацию о современных БД и СУБД очень сложно. Мы постарались дать начальное представление о том, как устроены современные базы данных, рассказали о принципах их функционирования и их классификации, преимуществах и архитектуре.

В заключение рекомендуем вам посмотреть видео в котором разъясняется язык запросов SQL на примере СУБД MySQL:

СУБД — интерфейс для управления БД

Предположим, перед разработчиками стоит задача создать приложение — электронную базу рецептов. Сформулируем требования для нее.

Первое требование — стрессоустойчивость при работе с внештатными ситуациями. Всем хорошо знаком форс-мажор, когда, например, пропадает электричество и текстовый файл оказывается поврежден. При работе с файловой системой результат такого сбоя может быть непредсказуем и решение проблемы носит весьма нетривиальный характер.

Следующее требование — высокая производительность. Наверняка найдется пользователь, который захочет занести в эту базу все рецепты мира, после чего мы получим проблемы с ограничением оперативной памяти и файлом подкачки и головную боль по оптимизации кеша.

Далее — желательно организовать многопользовательский режим. Периодически необходимо делать резервную копию всей информации без остановки основного приложения. Задача по разработке такого ПО может быть реализована с помощью СУБД. Большинство используемых сегодня СУБД являются кроссплатформенными решениями и способны функционировать на компьютерах с разной архитектурой, под разными операционными системами.

При этом, чтобы избежать ошибок, влияющих на эффективность работы кода, мы должны понимать, как работает такой механизм управления базами данных.

ACID: залог стабильной работы СУБД

Работая с БД, мы ожидаем надежную и предсказуемую работу. В конце 1970-х годов еще один ученый — Джим Грей — вывел формулу, которая определяет безотказность СУБД. У него получился акроним ACID:

• A (Atomicity) — Атомарность
• С (Consistency) — Согласованность
• I (Isolation) — Изолированность
• D (Durability) — Прочность

Требования к СУБД удобно объяснить на примере денежных транзакций. Допустим, вы отправляете перевод. Атомарность гарантирует, что каждая транзакция будет выполнена полностью или не будет выполнена совсем. Это означает, что два запроса: запрос по списанию денег с первого счета и запрос пополнения второго счета — должны быть выполнены оба. При наличии ошибки в одном из запросов транзакция должна быть отменена. То есть либо есть факт перевода денег, либо нет.

До проведения транзакции и после ее проведения БД у нас согласована. Мы не можем допустить неконсистентности базы, например, добавив атрибут без клиента и не связав его при помощи foreign key.

При задействовании многопользовательской системы возникает проблема изолированности операций. Если два человека проводят одновременно операции с одним денежным счетом, возникает масса проблем. Например, когда один из них видит устаревшую информацию, по причине того, что текущая транзакция, проводимая другим пользователем, не была закрыта. Для борьбы с этими проблемами используется блокировка данных в базе и версифицирование после каждого изменения.

Ну и последнее требование к реляционным СУБД очевидно: они должны быть надежными, транзакция должна оставаться неизменной при любых сбоях и нештатных ситуациях.

БД по способу доступа к данным

БД также можно разделить по способу доступа к данным. Различают файл-серверную архитектуру СУБД и клиент-серверную архитектуру СУБД. В первом случае данные хранятся на файловом сервере, а сама СУБД развертывается на рабочей станции и обращается к БД через локальную сеть. При этом синхронизация доступа к данным и обновления информации синхронизируются файловыми блокировками.

Эта технология считается морально устаревшей, но до сих пор используется такими продуктами, как Microsoft Access, Paradox, dBase, FoxPro, Visual FoxPro. В случае клиент-серверной архитектуры СУБД и база данных, и само программное обеспечение находятся на сервере. При этом доступ к базе у программного обеспечения происходит в монопольном режиме, а клиентские запросы осуществляются централизованно.

По такому принципу работают все современные СУБД: Oracle Database, Firebird, Interbase, IBM DB2, Informix, MS SQL Server, Sybase Adaptive Server Enterprise, PostgreSQL, MySQL и прочие.

Mongodb

Данный тип СУБД в первую очередь направлен на хранение иерархических структур данных. Также ее называют документоориентированной. По-другому, MongoDB – это документное хранилище без использования таблиц или схем, которое имеет открытый исходный код.

Высокую скорость работы обеспечивает несколько факторов. Во-первых, использование идентификатора, что позволяет производить быстрые операции над объектом. Во-вторых, так как MongoDB относится к классу нереляционных баз данных, значит она использует объектный язык запросов. Поэтому одинаковые на первый взгляд приложения будут отличаться производительностью в зависимости от использованной СУБД.

В отличие от более сложных СУБД, MongoDB имеет множество ограничений в функционале. Поэтому этот вариант следует выбирать при хранении баз данных несложных проектов.

Составьте четкие требования для выбора системы управления базой данных. Отталкивайте от того, что необходимо вам в первую очередь. Попробуйте несколько моделей баз данных и решите, что для вас наиболее удобно и выгодно.

Oracle

Эта система управления данными относится к объектно-реляционному типу. Своим название она восходит к компании, создавшей эту систему – фирма Oracle. Также как и в SQL, здесь используется процедурное расширение под названием PL/SQL, а также язык Java.

Oracle зарекомендовала себя как надежная и стабильно работающая система, которая обеспечивает высокую защиту базы данных организаций и гарантирует безопасностью. Ей отдают предпочтение крупные корпорации, которые в первую очередь обращают внимание на возможность быстрого восстановления данных после сбоев, отлаженная процедура бэкапа, возможность масштабирования и другие ценные возможности.

Но цена за использование данной СУБД намного выше, чем у других. Поэтому ее пользователи преимущественно большие фирмы, а не маленький или средние предприятия. Несмотря на все свои плюсы и опережение конкурентов по функционалу и характеристикам, цена на доступ и дальнейшее обслуживание Oracle опускает ее в рейтинге 2022 года в России на 6-е место.

Postgresql

Данный тип СУБД – объектно-реляционный. PostgreSQL есть в свободном доступе. Ее работа основана на языке SQL, однако, в отличие от MySQL, PostgreSQL поддерживает стандарт SQL-2022. Большим преимуществом данной системы управления баз данных является неограниченное количество записей в таблице и неограниченный размер базы данных.

Выбирая СУБД, обратите внимание, что PostgreSQL обеспечивает надежность транзакций и репликаций, возможность наследования и легкую расширяемость. PostgreSQL поддерживает различные расширения и варианты языков программирования, такие как PL/Perl, PL/Python и PL/Java, в том числе и C-совместимые модули.

В сравнении с MySQL СУБД PostgreSQL может похвастаться доскональным описанием всех функций и возможностей в официальной документации.

На данный момент PostgreSQL считается одной из самых продвинутых систем управления базами данных. По своему функционалу она весьма обширная и встает наравне с такой мощной СУБД, как Oracle.

Sqlite

Если вы ищите компактную и встраиваемую СУБД, то обратите внимание на реляционную SQLite.

SQLite отличается быстротой работы, что достигается за счет хранения всех данных в одном файле и минимальному объему занимаемой памяти. Структура SQLite значительно отличается от более мощных СУБД, таких как MySQL и PostgreSQL. Из-за того, движок и интерфейс SQLite находятся в одной библиотеке, запросы и анализ информации производится очень быстро.

Однако несмотря на плюсы данной СУБД, она имеет свои недостатки: отсутствие системы пользователей и невозможность увеличения производительности.

База данных

База данных — это высокоуровневое понятие, которое означает объединение совокупности данных, хранимых для выполнения одной цели.

Для большинства современных сайтов создаются отдельные базы данных, внутри которых будет храниться вся информация. Для нашего примера личного онлайн-дневника также понадобится определенная база данных.

Библиографический список

• 1. Коннолли Т., Бегг К., Страчан А. Базы данных: проектирование, реализация, сопровождение. Теория и практика. — 2-е изд.: Пер. с англ.: Уч. пос. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2004. — 1120 с.
• 2. Дейт К. Введение в системы баз данных: Пер. с англ. — 6-е изд. — Киев: Диалектика, 1998. — 784 с.
• 3. Ревунков Г.И., Самохвалов Э.Н., Чистов В.В. Базы и банки данных и знаний: Учеб. для вузов / Под ред. Четверикова В.Н. — М.: Высш. шк., 1999. — 367 с.
• 4. Мейер Д. Теория реляционных баз данных: Пер. с англ. — М.: Мир, 1987. — 608 с.
• 5. Тиори Т., Фрай Дж. Проектирование структур баз данных: В 2-х кн. / Пер. с англ. — М.: Мир, 2005.
• 6. Грабер М. Введение в SQL. — М.: 1998.
• 7. Бобровски С. Oracle8: Архитектура: Пер. с англ. — М.: Изд-во «ЛОРИ», 1998. — 210 с.
• 8. Проектирование реляционной базы данных: Метод. указания к курсовому проектированию по курсу «Базы данных» / Московский государственный институт электроники и математики; Сост.: Карпова И.П. — М., 2007. — 28 с.
• 9. Изучение языка SQL: Метод. указания к лабораторным работам по курсу «Базы данных» / Московский государственный институт электроники и математики; Сост.: И. П. Карпова. М., 2008. — 32 с.

Взамен требований acid для нереляционных субд выдвигается набор свойств base:

1. базовая доступность (basic availability) — когда каждый запрос гарантированно завершается (успешно или безуспешно);
2. гибкое состояние (soft state) — состояние системы может изменяться со временем, даже без ввода новых данных, для достижения согласования данных;
3. согласованность в конечном счете (eventual consistency) — данные могут быть некоторое время рассогласованы, но приходят к согласованию через некоторое время.

Запись

Запись — меньший уровень из всей системы. Это часть таблицы, то есть ее содержимое. Запись нельзя разбить на части. Например, если пользователь заполняет электронную форму на сайте, то вся его информация уходит в базу данных как одна отдельная запись, которая занимает место в одной из таблиц. Запись может состоять из множества столбцов и их значений, который заранее определяются.

Попробуем рассмотреть, как бы выглядела база данных пользователей онлайн-дневника, приведенного в пример выше.

Благодаря этой базе данных все материалы, внесенные пользователями, сохраняться в неизменном виде и будут всегда в быстром доступе.

Пример использования базы данных в web-разработке

Использование базы данных в сфере веб-программирования необходимо только в некоторых случаях. Задайтесь вопросами:

• Какую информацию и зачем будете хранить?
• В каком виде и как планируете хранить эту информацию?
• Как и каким способом можно получить доступ к содержимому базы данных?

Рассмотрим сайт с ведением дневника. Здесь необходимо предусмотреть хотя бы один вид формы для заполнения с несколькими полями: дата, настроение, описание дня, главные мысли и так далее.

Пользователь будет каждый день записывать свои мысли в онлайн-дневник, значит должен иметь возможность вернуться к первым страницам через день или год. В этом случае разработчики должны предусмотреть, как и где будут сохраняться все эти данные, чтобы в любой момент можно было получить к ним доступ.

Это может быть краткий обзор по дням, либо что-то более сложное и изобретательное.

В отличие от своих бумажных аналогов, электронные варианты дневников могут иметь множество функций. Например, простого анализа: можно увидеть, какой день был самым веселым, самым грустным, в какой день было больше всего записей и так далее.

Для того чтобы не просто хранить данные и иметь доступ к ним, но и анализировать их, обрабатывать и делать определенные расчеты, были созданы базы данных.

Реляционные базы данных

Этот вид базы данных представлен связанными между собой таблицами, в которых каждая строка подразумевает собой запись. Название «реляционные» происходит из взаимосвязи объектов в базе данных.

Предположим, что у вас имеется таблица с данными об учащихся и таблица с успеваемостью целого курса, которая включает в себя номер курса, полученную оценку и идентификационный номер студента. В этом случае каждая строка с оценками будет соотносится с данными студента.

Для запроса информации из реляционных баз данных используются SQL-подобные языки. Они имеют встроенную поддержку операции объединения. Сами по себе для упрощения работы реляционные базы могут индексировать столбцы. Организованная система строения базы позволяет определять схемы до момента ввода данных, что ускоряет работу базы и доступ к информации.

Система хранения информации в базах данных

Структура база данных представлена тремя уровнями от большего к меньшему:

• база данных;
• таблица;
• запись.

Список используемых сокращений

АБД — администратор базы данных

АИС — автоматизированная информационная система

БД — база данных

ВЗУ — внешнее запоминающее устройство

ВТ — вычислительная техника

ИМД — иерархическая модель данных

ИПС — информационно-поисковая система

ИС — информационная система

КБД — ключ базы данных

ОП — оперативная память

ОС — операционная система

ПО — предметная область

РБД — реляционная база данных

РМД — реляционная модель данных

СМД — сетевая модель данных

СОД — системы обработки данных

ССД — словарь-справочник данных

СУБД — система управления базами данных

DDL — data definition language, язык определения данных

DML — data manipulation language, язык модификации данных

Суть базы данных

Что же такое база данных? База данных – это хранилище определенной информации. Она используется во многих сферах, где необходимо собирать и сохранять большой объем материала. Например, в различные веб-разработки, интернет-магазины, сайты покупки билетов и так далее.

База данных включает все, что содержит информацию о вашей организации и о ваших клиентах. Для интернет-магазинов это каталоги, прайс-листы, данные покупателей, указанные в их профиле.

Все, что хранится в базе данных доступно для изменения и извлечения при необходимости.

Система базы данных представляет собой хранилище, куда приложение заносит полученную информацию. У небольших приложений она встроенная, но для сохранения объема памяти рекомендуется пользоваться отдельной.

Все материалы в базе данных взаимодействуют определенным образом: за изменением одной строчки следуют изменения других данных. Это упрощает работу с большим объемом информации.

Но база данных требуется не для всего. Если у вас одностраничный сайт (лэндинг), который предназначен для рекламы и ознакомления с товаром или услугой, то создание базы данных вовсе не требуется.

Таблица

Таблица – часть базы данных. Это один из ее компонентов. В одной БД может храниться огромное количество таблиц.

Если представить, что большой шкаф – это база данных, то все, что лежит внутри, например, куча коробок – это таблицы.

Таблицы предназначены для укомплектовки одного типа информации, например, списка городов, пользователей сайта или библиотечного каталога.

Она может быть представлен в виде обычного Exсel-файла, или простого набора строк и столбцов.

Каждый из пользователей ПК уже умеет обращаться с такими файлами и представляет, как они выглядят. Вы самостоятельно можете определить количество строк и столбцов, заголовки и внести необходимую информацию для хранения.

Тот же процесс и в системе базы данных. При создании таблицы внутри системы, пользователь так же самостоятельно определяет ее вид и структуру.