Что такое база данных: принципы работы, лучшие субд

SQL vs. NoSQL

Как известно любому администратору базы данных, первый вопрос, который вы должны задать себе, — это приложение использует базы данных SQL или NoSQL. Какая разница между двумя?

База данных SQL

База данных SQL также называется реляционной базой данных, основанной на языке структурированных запросов (SQL) для определения данных и управления ими. База данных SQL — это наиболее часто используемая база данных, которая очень полезна для обработки структурированных данных. Структурированные данные относятся к организации элементов данных и стандартизации отношений между ними и с различными атрибутами.

База данных NoSQL

Базы данных NoSQL также известны как нереляционные базы данных, что позволяет использовать динамический режим для хранения и извлечения неструктурированных данных. NoSQL широко используется из-за своей гибкости для создания уникальных структур. Он может организовывать документы, графики, столбцы и даже ключевые значения в структуры данных.

На протяжении десятилетий базы данных SQL опережали нереляционные базы данных, но с ростом популярности таких баз данных, как MongoDB, Redis и Cassandra, NoSQL быстро сокращает разрыв. Хотя многие организации предпочитают переход с устаревших баз данных (например, Oracle), не все организации принимают подход NoSQL. Согласно нашему исследованию, поскольку спрос на PostgreSQL и другие системы продолжает расти, на SQL по-прежнему приходится 60% доли рынка.

Уровень использования базы данных SQL: 60,48%Уровень использования базы данных NoSQL: 39,52%

Какая из СУБД лучшая?

Вообще сложно определить какая из вышеупомянутых СУБД – лучшая база данных. Программирование – вещь довольно субъективная, так что каждый разработчик может самостоятельно определить для себя, какая система ему подходит лучше всего.

Разработка приложений разного типа требует помощи разных баз, кому-то подойдёт более лёгкая в использовании, а кому-то будет нужна СУБД со сложными алгоритмами и схемами.

По отзывам большинства и, исследуя спрос в интернете, программисты склонны использовать СУБД Oracle, так как она самая «опытная» система из всех, да и репутация у неё выше других. Её стоимость окупает себя и многие довольны работой с этой системой.

Создание приложений на базе Oracle проводится качественно, и они редко лагают. Но при других требованиях разработчики могут использовать менее брендированные системы.

В любом случае стоит пробовать и искать самую подходящую СУБД для каждого задания отдельно ведь если при одних условиях подойдёт одна система, то при других подойдёт совершенно другая.

Многое зависит и от самого программиста, ведь умение работать со всеми СУБД – показатель профессионализма.

MS SQL-сервер

Являясь полностью коммерческим инструментом, Microsoft SQL Server является одной из самых популярных реляционных СУБД. Он хорошо справляется с эффективным хранением, изменением и управлением реляционными данными. Для взаимодействия с базами данных SQL Server инженеры баз данных обычно используют язык Transact-SQL (T-SQL), который является расширением стандарта SQL.Плюсы MSSQL1) Разнообразие версий. Microsoft SQL Server предоставляет широкий выбор различных опций с различными функциональными возможностями. Например, Express edition с бесплатной базой данных предлагает инструменты начального уровня, идеально подходящие для обучения и создания настольных или небольших серверных приложений, управляемых данными. Опция разработчиков позволяет создавать и тестировать приложения, включая некоторые корпоративные функции, но без лицензии на производственный сервер. Для более крупных проектов существуют также веб-версии, стандартные и корпоративные версии с различными административными возможностями и уровнями обслуживания.2) Комплексное решение для обработки бизнес-данных. Ориентируясь в основном на коммерческие решения, MSSQL предоставляет множество дополнительных функций для бизнеса. Дополнительный выбор компонентов позволяет создавать ETL-решения, формировать базу знаний и осуществлять очистку данных. Кроме того, он предоставляет инструменты для общего администрирования данных, онлайн-аналитической обработки и интеллектуального анализа данных, дополнительно предоставляя возможности для создания отчетов и визуализации.3) Внушительная документация.4) Поддержка облачных решений. Являясь частью согласованной экосистемы Microsoft, MSSQL может быть интегрирован с Microsoft cloud, базой данных SQL Azure или SQL Server на виртуальных машинах Azure. Эти решения позволяют перенести администрирование баз данных в облако, если ваша база данных бизнес-программного обеспечения становится действительно огромной и сложной в администрировании.Минусы MSSQL1) Привязка к платформе Microsoft Windows. Выбирая MSSQL, на практике приходится автоматически выбирать ОС Windows. Несмотря на недавнее появление версий под Linux, такая связка остаётся экзотикой. 2) Высокая стоимость. Будучи в основном используемым в масштабах предприятия, MSSQL-сервер остается одним из самых дорогих решений. Говоря о цифрах, издание Enterprise в настоящее время стоит более 14 000 долларов за ядро, продаваемое в виде 2 основных пакетов.3) Высокая требовательность к аппаратным ресурсам.4) Неясные и плавающие условия лицензии. Еще одна проблема – постоянно меняющийся процесс лицензирования. Ценовую стратегия трудна для понимания.5) Сложный процесс настройки. Для тех новичков, которым приходится работать с массивными наборами данных, работа с оптимизацией запросов и настройкой производительности может оказаться проблематичной. Поскольку этот процесс не столь очевиден, он может создать существенные узкие места на ранней стадии.6) Восстановление данных после аварийного отключения питания обязательно требует участия специалиста.Сервер MSSQL является разумным вариантом для компаний с уже имеющимися подписками на продукты Microsoft. Поскольку Microsoft создает устойчивую экосистему с хорошо интегрированными сервисами, MSSQL здесь с его доступом к облаку и мощными инструментами поиска данных пригодится.

Типы СУБД

Набор данных обычно подчиняется определенным правилам. Например, если вы удаляете из базы данных пользователя, вместе с его именем должны быть удалены все его параметры – адрес электронной почты, телефонный номер, информация про год рождения и т.д. По такому принципу работают реляционные базы данных.

Реляционная база данных – это информация, где данные упорядочены, то есть связаны между собой особыми определенными отношениями. По сути, такая база представляет собой таблицу, в которой размещены все данные. Физически базы данных – это файлы в особом формате, для работы с которыми используется специальное программное обеспечение. Этот софт называется СУБД – система управления базами данных. Поскольку СУБД неразрывно связана с базами данных, часто эти термины используются как синонимы, что, строго говоря, некорректно.

База данных может принадлежать онлайн-хранилищу (например, использоваться для упорядочивания информации на сайте) или какой-то программе (скажем, для каталогизации электронных книг). В любом случае обращение к базе данных происходит через программный интерфейс (API), который принимает команды пользователя (или приложения) и направляет их к СУБД.

Существует огромное количество СУБД, платных и бесплатных, отличающихся между собой по функциональности.

Помимо реляционных СУБД, различают также следующие типы, в зависимости от модели БД:

Иерархические – при которых информация в базе данных хранится в виде объектов, объединенных в древовидную структуру. По сравнению с другими типами СУБД, иерархическая СУБД обладает относительно небольшим арсеналом операций по манипулированию данными (которого, впрочем, достаточно для решения большинства задач).
Сетевые – СУБД, которые как и иерархические имеют древовидную структуру, но отличаются от иерархических СУБД тем, что любая запись-потомок может иметь сразу несколько предков. Сложность построения такой БД компенсируется хорошими показателями скоростью доступа и низким расходом оперативной памяти.
Объектно-ориентированные (объектные) СУБД – базы данных, где каждая запись рассматривается как отдельный объект с некоторым набором свойств, взаимодействующий с другими объектами БД. В языке запросов реализована парадигма ООП – объекты, классы, наследование.
Объектно-реляционные СУБД – в которых объединены свойства реляционных и объектных СУБД.

ПО для работы с базами данных может быть локальным или распределенным. Локальные СУБД размещают все свои компоненты на одном компьютере, распределенные СУБД могут располагаться на нескольких рабочих станциях.

Для общения с БД используется специальный синтаксис, который называется структурированным языком запросов SQL (Structured Query Language). Для нереляционных БД применяется иной синтаксис, который называется NoSQL. Такие СУБД применяются для хранения больших данных или для БД с большим количеством внутренних связей. Иногда вместо стандартного языка запросов используется какой-нибудь язык программирования, например JavaScript.

Основные недостатки

Помимо невысокой эффективности, о которой было сказано ранее, к недостаткам традиционных реляционных СУБД можно отнести факт того, что в качестве основного и, часто, единственного механизма, обеспечивающего быстрый поиск и выборку отдельных строк таблице (или в связанных через внешние ключи таблицах), обычно используются различные модификации индексов, основанных на B-деревьях. Такое решение оказывается эффективным только при обработке небольших групп записей и высокой интенсивности модификации данных в базах данных.

Реляционные СУБД все еще доминируют в системах обработки финансовых транзакций, но сегодня компании все шире применяют СУБД новой архитектуры NoSQL — горизонтально масштабируемые, распределенные и разрабатываемые в открытых кодах. Примеры таких систем — Hadoop, MapReduce и VoltDB. По оценкам аналитиков Forrester, около 75% данных на предприятиях это либо полуструктурированная информация (XML, электронная почта и EDI), либо неструктурированная (текст, изображения, аудио и видео), и лишь 5% от этих данных хранится в реляционных СУБД, а остальное — в базах других типов или в виде файлов, и неподвластно обработке реляционными системами.

По мнению Блора, реляционные СУБД «могут умереть так, что этого никто не заметит» — например, если Oracle в своей СУБД попросту заменит SQL-механизм на NoSQL. Таким механизмом, считает аналитик, могла бы стать одна из существующих сегодня столбцовых СУБД.

Автоформы

В отличие от таблиц и запросов, формирующихся ручным способом, формы удобнее готовить автоматизировано. Автома¬тическими в полном объеме являются средства, которые называют автоформами.

Различают 3 вида автоформ:

«в столбец» — предназначена для отображения всех полей одной записи, удобна для ввода и редактирования данных;
«ленточная» — используется для отображения одновременно группы записей, ее удобно использовать при оформлении вывода данных;
табличная автоформа внешне схожа с таблицей, на которой она основана.

Автоформа, как правило, основана лишь на 1 объекте. Другие средства создания форм позволяют строить форму на основе нескольких таблиц или запросов. Если форма основана лишь на одном объекте, ее называют простой формой. Если форма основана на полях из нескольких связанных таблиц, то ее называют сложной.

Форма имеет 3 основных раздела, это области заголовка, данных и примечания. Линии между разделами можно перетаскивать по вертикали, используя мышь, что позволит изменить размеры разделов.

Замечание 2

Разделы заголовка и примечания используются в основном для оформления. В разделе данных представлены элементы управления, с помощью которых выполняется отображение данных или их ввод. Разработчик формы может размещать в этом разделе дополнительные элементы управления, способствующие автоматизации ввода данных.

Базы данных и системы управления базами данных

Как базы данных, так и программы для работы с электронными таблицами, такие как Microsoft Excel, упрощают организацию и доступ к данным в структурированном стиле. В основном они отличаются друг от друга по нескольким параметрам:

Механизмы хранения и обработки данных
С кем они могут поделиться
Количество информации, которое можно сохранить

Они ориентируют функции электронных таблиц на одного пользователя, как и предполагалось изначально. Они сияют, когда используются одним или несколькими людьми, которым не нужно выполнять чрезвычайно сложные манипуляции с данными. С другой стороны, базы данных могут хранить огромные объемы данных и оптимизированы для крупномасштабной организации данных. Базы данных обеспечивают одновременный доступ и безопасный запрос данных несколькими пользователями с помощью сложной логики и языка.

Обзор самых популярных СУБД

Самыми популярными при решении задач Data Mining являются СУБД:

MySQL — реляционная СУБД, имеющая открытый исходный код, позволяющая поддерживать табличные БД с простой структурой и сложными условиями запросов. Она отличается гибкостью и высокой скоростью обработки информации, простотой интерфейса и способностью синхронизации с другими БД и используется для построения прогностических моделей в e-commerce, IT и финтехе (то есть в сферах, где наиболее активно применяется Data Mining);
Microsoft SQL Server. Эта фирменная разработка Microsoft, подходящая к установке в ОС Windows и Linux. Ее характеризуют простой интерфейс, надежность сохранности данных и совместимость с с различными программными продуктами Windows. В интеллектуальном анализе данных эти СУБД используются главным образом для обработки данных из Microsoft Excel;
Oracle — объектно-реляционная СУБД с простой установкой и первоначальной настройкой, с возможностью расширения функционала. Ей присущи высокие надежность, практичность и быстродействие. В частности, в Data Mining для e-commerce эта СУБД позволяет решать задачи определения эффективности различных видов продаж и построения моделей потребностей клиентов в зависимости от ситуации на рынках;
PostgreSQL — объектно-реляционная СУБД, предназначенная для работы с базами данных различных сайтов и web-сервисов. Она подходит практически ко всем популярным платформам и используется в облачных сервисах.

Обучиться работе с перечисленными СУБД все желающие смогут, пройдя курс профессиональной переподготовки по программе «Инструментальные средства бизнес-аналитики», которую проводит ВШБИ НИУ ВШЭ. Записаться на обучение по данному курсу можно на нашем сайте.

Преимущества и недостатки

Язык программирования SQL – это основа большинства СУБД. Благодаря ему осуществляется структурирование данных, их запись на диск и чтение на экране. Это мощный инструмент, который позволяет юзерам, программам и системам получать доступ к информации, которая хранится на различных серверах.

К плюсам языка относят:

Его стандартность. Международные организации стандартизировали SQL. Т.е. он применяется практически во всех национальных браузерах мира. Программисты, владеющие этим языком, могут найти себе работу во всех странах.
Независимость. Продукт не ориентирован на конкретную базу данных (Database). Соответственно, его можно применять со всеми существующими СУБД. Переносить информацию с одного хранилища на другое можно с минимальными корректировками.
Реляционная основа. SQL – это язык реляционных баз данных. Это и послужило причиной его распространения.
Возможности. Благодаря средству пользователь может вводить интерактивные запросы. Доступ к результату в этом случае юзер получает за 1-2 секунды. Ему не нужно писать для этого дополнительные программы. Это делает возможным изучение SQL для начинающих программистов.
Программный доступ к базам данных. Продукт применяется в качестве вспомогательного инструмента при проектировании приложений, которым требуется доступ к базам данным. Юзеры могут применять операторов SQL для интерактивного и программного доступа. Благодаря этому при разработке приложения программист может протестировать его в различных режимах. Это помогает избежать ошибок при дальнейшей работе.
Динамическое расширение и изменение структуры баз. Встроенные инструменты средства позволяют юзерам осуществлять манипуляции со структурой баз данных. Это обеспечивает гибкость языка в плане изменяющихся требований предметной области.
Поддержка различной архитектуры. Продукт поддерживает клиент-сервис и считается лучшим инструментом для разработки приложений на этой платформе. SQL здесь выступает в качестве связующего звена между клиентской системой, которая взаимодействует с юзером непосредственно и серверной частью, которая управляет базами данных. Язык SQL позволяет «не отвлекать» базы от выполнения поставленных задач.

Язык программирования SQL применяется почти во всех сферах деятельности, где требуется обработка запросов пользователей. Это единственное средство программирования, стандартизированное для всех стран. IT-специалисты применяют его повсеместно. Разработчики, работающие с системой управления базами данных, создают свою продукцию, применяя SQL или SQL-интерфейс.

Программист – это человек, работающий в любое время суток

Средство не лишено недостатков, которые не влияют на его производительность и являются скорее небольшими ограничениями. К ним относят:

Язык не соответствует реляционной модели данных. Эдгар Кодд и Кристофер Дейт, разработавшие реляционную модель данных утверждают, что SQL не соответствует всем требованиям их продукта. В качестве подлинно реляционного языка программирования они называют Tutorial D, который подходит под все критерии их разработки. Борьба между ними еще не началась и вряд ли стоит ожидать этого в ближайшие 5-10 лет.
Сложность. Первоначально язык был задуман как средство работы конечного пользователя. Однако к началу XXI века его сложность повысилась. Сейчас он считается профессиональным инструментом программистов. Новичкам разобраться в его основах будет непросто.
Возможность отступления от правил. Средство попадает под действие международного стандарта ANSI SQL-92. Однако организации, которые разрабатывают программное обеспечение систем управления базами данных, позволяют себе вносить изменение в продукцию, произведенную с помощью SQL. В их число входит и Microsoft. Этим они отступают от общепринятых стандартов. Из-за этого для каждой СУБД, разработанной этими компаниями, появляются ранее неизвестные диалекты языка. Они могут вызвать затруднения у программистов, ранее не сталкивавшихся с ними.

Разработчики в качестве отрицательной стороны языка выделяют также сложность работы с иерархическими структурами. Но это скорее вопрос опыта программиста, чем недостаток продукта.

Как хранится информация в БД

В основе всей структуры хранения лежат три понятия:

База данных;
Таблица;
Запись.

База данных

База данных — это высокоуровневное понятие, которое означает объединение совокупности данных, хранимых для выполнения одной цели.
Если мы делаем современный сайт, то все его данные будут храниться внутри одной базы данных. Для сайта онлайн-дневника наблюдений за погодой тоже понадобится создать отдельную базу данных.

Таблица

По отношению к базе данных таблица является вложенным объеком. То есть одна БД может содержать в себе множество таблиц.
Аналогией из реального мира может быть шкаф (база данных) внутри которого лежит множество коробок (таблиц).
Таблицы нужны для хранения данных одного типа, например, списка городов, пользователей сайта, или библиотечного каталога.
Таблицу можно представить как обычный лист в Excel-таблице, то есть совокупность строк и столбцов.
Наверняка каждый хоть раз имел дело с электронными таблицами (MS Excel).
Заполняя такую таблицу, пользователь определяет столбцы, у каждого из которых есть заголовок. В строках хранится информация.
В БД точно также: создавая новую таблицу, необходимо описать, из каких столбцов она состоит, и дать им имена.

Запись

Запись — это строка электронной таблицы.
Это неделимая сущность, которая хранится в таблице. Когда мы сохраняем данные веб-формы с сайта, то на самом деле добавляем новую запись в какую-то из таблиц базы данных. Запись состоит из полей (столбцов) и их значений. Но значения не могут быть какими угодно.
Определяя столбец, программист должен указать тип данных, который будет храниться в этом столбце: текстовый, числовой, логический, файловый и т.д. Это нужно для того, чтобы в будущем в базу не были записаны данные неверного типа.

Соберем всё вместе, чтобы понять, как будет выглядеть ведение дневника погоды при участии базы данных.

Создадим для сайта новую БД и дадим ей название «weather_diary».
Создадим в БД новую таблицу с именем «weather_log» и определим там следующие столбцы:
- Город (тип: текст);
- День (тип: дата);
- Температура (тип: число);
- Облачность (тип: число; от 0 (нет облачности) до 4 (полная облачность));
- Были ли осадки (тип: истина или ложь);
- Комментарий (тип: текст).
При сохранении формы будем добавлять в таблицу weather_log новую запись, и заполнять в ней все поля информацией из полей формы.

Теперь можно быть уверенными, что наблюдения наших пользователей не пропадут, и к ним всегда можно будет получить доступ.

Реляционная база данных

Английское слово „relation“ можно перевести как связь, отношение.
А определение «реляционные базы данных» означает, что таблицы в этой БД могут вступать в отношения и находиться в связи между собой.
Что это за связи?
Например, одна таблица может ссылаться на другую таблицу. Это часто требуется, чтобы сократить объём и избежать дублирования информации.
В сценарии с дневником погоды пользователь вводит название своего города. Это название сохраняется вместе с погодными данными.
Но можно поступить иначе:

Создать новую таблицу с именем „cities“.
Все города в России известны, поэтому их все можно добавить в одну таблицу.
Переделать форму, изменив поле ввода города с текстового на поле типа «select», чтобы пользователь не вписывал город, а выбирал его из списка.
При сохранении погодной записи, в поле для города поставить ссылку на соответствующую запись из таблицы городов.

Так мы решим сразу две задачи:

Сократим объём хранимой информации, так как погодные записи больше не будут содержать название города;
Избежим дублирования: все пользователи будут выбирать один из заранее определённых городов, что исключит опечатки.

Связи между таблицами в БД бывают разных видов.
В примере выше использовалась связь типа «один-ко-многим», так как одному городу может соответствовать множество погодных записей, но не наоборот!
Бывают связи и других типов: «один-к-одному» и «многие-ко-многим», но они используются значительно реже.

MyISAM

MyISAM – является родным типом таблиц для базы СУБД MySQL. База данных в MySQL организуется как каталог. Таблицы базы данных организуются как файлы данного каталога. Каждая MyISAM таблица хранится на диске в трех файлах, имена которых совпадают с названием таблицы, а расширение может принимать одно из следующих значений:

Frm – содержит структуру таблицы, в файле данного типа хранится информация об именах и типах столбцов и индексов.
Myd – файл, в котором содержатся данные таблицы.
Myi – файл, котором содержатся индексы таблицы.

Особенности типа таблиц MyISAM:

Данные хранятся в кросс-платформенном формате, это позволяет переносить базы данных с сервера непосредственным копированием файлов, минуя промежуточные форматы.
Максимальное число индексов в таблице составляет 64. Каждый индекс может состоять максимум из 16 столбцов.
Для каждого из текстовых столбцов может быть назначена своя кодировка.
Допускается индексирования текстовых столбцов, в том числе и переменной длины.
Поддерживается полнотекстовый поиск.
Каждая таблица имеет специальный флаг, указывающий правильность закрытия таблиц. Если сервер останавливается аварийно, то при его повторном старте незакрытые флаги сигнализируют о возможных сбойных таблицах, сервер автоматически проверяет их и пытается восстановить.

Участники опроса

Как и следовало ожидать, исходя, например, из анализа материалов конференции INFOSTART EVENT 2018, более 51% опрошенных работают в коммерческих компаниях не ИТ-специализации. Это само по себе делает результаты опроса интересными, поскольку они в существенной степени отражают ситуацию с тем, кто и как использует СУБД для 1С в реальных условиях бизнеса.

1С:Франчайзи – примерно пятая часть респондентов, чуть меньше доля среди опрошенных у ИТ-компаний (не франчайзи 1С) – около 17%. Работники государственных предприятий составили лишь порядка 4%, что можно объяснить не только строгой конфиденциальностью, но и отсутствием желания свидетельствовать, что госструктуры все еще сильно зависят от зарубежных ИТ.