7 основных типов баз данных
В базах данных (БД) содержится упорядоченная информация, которой удобно пользоваться. Они делятся на разные типы — чтобы выбрать нужный, важно учесть, какие именно данные будут там храниться и по какому принципу будет удобнее всего работать с ними.
В целом нельзя сказать, что какие-то БД лучше других, — просто каждая из них подходит для решения каких-то определённых задач. Есть базы данных с открытым кодом, с возможностью масштабирования и с другими преимуществами. Лучше выбирать такие БД, которые вы сможете использовать именно так, как они задуманы.
Реляционные базы данных
Примеры — MySQL, Oracle DB, PostgreSQL. Это самый популярный тип БД, в которых информация хранится в виде таблиц. В строках находится описание каждого отдельного свойства объекта, а столбцы нужны для извлечения определённых свойств из строки. Таблицы могут быть взаимосвязаны.
Реляционная модель проста, но позволяет выполнить множество разных задач. Ею удобно пользоваться, если нужно связать элементы данных между собой и безопасно и надёжно управлять ими. Такие таблицы можно создать для хранения и обработки телефонных номеров пациентов, логинов и паролей пользователей, для отслеживания товарных запасов. При этом БД обеспечивает целостность данных в различных экземплярах базы в одно и то же время.
В реляционных БД есть поддержка SQL, а также индексация, которая позволяет быстрее находить нужные данные. Особый плюс таких баз — нормализация данных: они делятся на разные таблицы, поэтому исключены повторяющиеся или пустые ячейки. Транзакции реляционных БД соответствуют ACID — набору свойств, который гарантирует их надёжную обработку. Из минусов баз можно отметить относительно низкую скорость доступа к данным, плохую поддержку неструктурированных данных, сложность масштабирования и образование большого количества таблиц, из-за чего бывает трудно понять структуру данных.
Резидентные базы данных
Примеры — Redis, Apache Ignite, Tarantool. Сведения хранятся в оперативной памяти. Данные обрабатываются быстро, поэтому резидентные БД популярны там, где нужно обеспечить максимально короткое время отклика. Они помогают управлять телекоммуникационным оборудованием, проводить торги в онлайн-режиме или Real-Time обслуживание. Базы in-memory поддерживают и быстрое написание, и быстрое чтение. В основном они работают с записями «ключ-значение», но также могут работать со столбцами.
Чтобы при неожиданной перезагрузке не потерять данные, нужно сделать запись с предварительным журналированием на энергонезависимом устройстве. Это можно отнести к минусам базы in-memory — приходится вкладываться в дорогостоящие инфраструктурные решения, чтобы обеспечить бесперебойное питание. Также нужно постоянно копировать информацию на твёрдые носители. Ещё один недостаток БД — дорогое масштабирование.
Поисковые базы данных
Пример — Elastic. Этот тип БД нужен для получения сведений через фильтр. Искать можно по любому введённому значению, в том числе по отдельным словам. Можно пользоваться полнотекстовым поиском. Поисковые базы данных хорошо масштабируются и удобны для хранения журналов, объёмных текстовых значений.
Можно использовать поисковые БД для мониторинга оптимизации цен, обнаружения ошибок в приложении по бронированию билетов и решения множества других задач. В базе могут хранится миллиарды документов. Поиск осуществляется быстро. Минусы системы — плохая аналитическая поддержка и ограниченная возможность применения БД (можно использовать только для пакетных вставок).
Базы данных с широкими столбцами
Примеры — Cassandra, Google BigTable, HBase. БД с широкими столбцами могут запрашивать большие объёмы данных быстрее, чем обычные реляционные. Сведения хранятся в виде записей «ключ-значение» на жёстком диске или твёрдотельном накопителе. Базы данных с широкими столбцами позволяют выполнять быструю запись построчно и быстрое чтение по ключу.
БД хорошо масштабируются и подходят для организации магазинных каталогов, механизмов обнаружения мошенничества. Их удобно использовать для управления огромными объёмами информации на множестве общих серверов в распределённой системе. Недостатками базы данных считается то, что она работает в формате «ключ-значение» и не имеет поддержки аналитики.
Столбчатые базы данных
Примеры — Clickhouse, Vertica. В БД такого типа данные хранятся в столбцах, а не в строках. Получение доступа к содержимому осуществляется без помощи ключей. При использовании столбчатых баз данных используют пакетную вставку, чтобы можно было готовить информацию для быстрого чтения по столбцам. В столбчатых БД есть поддержка аналитики и возможность удобного масштабирования.
Такие базы данных используют там, где нужно запрашивать информацию по определёным столбцам, — в системах розничных продаж и финансовых транзакций. Основный минус у БД только один: она подходит только для пакетных вставок.
Документоориентированные базы данных
Примеры — CouchDB, Couchbase, MongoDB. Если в реляционных БД для извлечения данных нужно объединять таблицы, то в этих базах отлично хранится несвязанная информация в больших объёмах. Они поддерживают JSON. Для любого ключа можно создать сложное значение и сразу включить всю структуру данных в одну запись. Выборка по запросу может содержать части множества документов без их полной загрузки в оперативную память.
В документоориентированных базах нет привязки к схеме. Они подходят для OLTP и поддерживают сложные типы. Такие БД предпочитают использовать в системах управления содержимым, для поиска документов, в издательском деле. Три недостатка базы данных — отсутствие хорошей аналитической поддержки и поддержки транзакций, а также сложности с масштабированием.
Графовые базы данных
Примеры — OrientDB, Neo4j. Данные хранятся в виде графов, то есть моделей с узлами и связями. Они достаточно гибкие, с логичной структурой. Узлы служат для хранения сущностей данных, а рёбра — для хранения взаимосвязей между сущностями, которыми можно управлять.
Графовые БД применяют для решения задач в биоинформатике, а также для моделирования социальных сетей, чтобы хранить взаимосвязанную информацию о людях. Базы данных такого типа плохо поддаются масштабированию, а второй их недостаток — необходимость использовать особый язык запросов SPARQL, который отличается от SQL.
Определяем базу данных под свои задачи
Как мы уже говорили, всё зависит от задач, которые вы будете выполнять. Нужно определить, какими особенностями должна обладать ваша БД.
Отталкиваться нужно от следующих факторов:
- наличие аналитического доступа к БД;
- количество таблиц или записей, которые вы планируете хранить;
- необходимость использования столбцов;
- наличие возможности получить доступ к таблицам, которые отфильтрованы по столбцам или по строкам;
- необходимость писать или читать в режиме онлайн.
Реляционная СУБД
Реляционная СУБД (или РСУБД) — система управления реляционными БД. Понятие реляционный касательно СУБД появилось благодаря работам английского специалиста Эдгара Кодда (Edgar Codd). Такие модели управления можно охарактеризовать простотой, удобным табличным представлением и возможностью использования формального аппарата алгебры отношений и реляционного исчисления для обработки данных.
Каталог СУБД-решений и проектов доступен на TAdviser.
В реляционных базах данные хранятся в виде таблиц, состоящих из строк и столбцов. Каждая таблица имеет собственный, заранее определенный набор именованных полей. Столбцы таблиц реляционной базы могут содержать скалярные данные фиксированного типа, например числа, строки или даты. Таблицы в реляционной базе данных могут быть связаны отношениями «один-к-одному» или «один-ко-многим». Количество строк записей в таблице неограниченно, и каждая запись соответствует отдельной сущности.
Реляционные базы данных занимают сейчас доминирующее положение. Иерархическая и сетевая структуры баз данных ушли в прошлое, уступив свое место реляционным базам, под которые постороено большинство современных СУБД (MS SQL Server, MS Access, InterBase, FoxPro, PostgreSQL, Paradox и другие).
Подробности
Реляционная модель ориентирована на организацию данных в виде двумерных таблиц. Каждая реляционная таблица представляет собой двумерный массив и обладает следующими свойствами:
- Каждый элемент таблицы является одним элементом данных
- Каждый столбец обладает своим уникальным именем
- Одинаковые строки в таблице отсутствуют
- Все столбцы в таблице однородные, то есть все элементы в столбце имеют одинаковый тип
- Порядок следования строк и столбцов может быть произвольным
Реляционные СУБД, ориентированные на реализацию систем операционной обработки данных, менее эффективны в задачах аналитической обработки, чем многомерные базы данных. Это связано, во-первых, с наличием достаточно жестких ограничений накладываемых существующей реализацией языка SQL. Примером такого реально существующего ограничения является предположение о том, что данные в реляционной базе неупорядочены (или более точно, упорядочены случайным образом). При этом их упорядочивание требует дополнительных затрат времени на сортировку при каждом обращении к базе данных. В аналитических системах ввод и выборка данных осуществляется большими порциями. В свою очередь данные, после того как они попадают в базу данных, остаются неизменными в течение длительного периода времени. И здесь более эффективным оказывается хранение данных в форме частично денормализованных таблиц, в которых для увеличения производительности могут храниться не только детализированные, но и предварительно вычисленные агрегированные значения. А для навигации и выборки могут использоваться специализированные, основанные на предположении о малой изменчивости и малоподвижности данных в базе данных, методы адресации и индексации. Такой способ организации данных, иногда называют предвычисленным, подчеркивая тем самым, его отличие от нормализованного реляционного подхода, предполагающего динамическое вычисление различного вида итогов (агрегация) и установление связей между реквизитами из разных таблиц (операции соединения).
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, возможно, никогда не уйдут со сцены, но дни их господства определенно сочтены, полагает Пол Крил, опубликовавший в сентябре 2011 года статью об этом в InfoWorld. Он цитирует аналитика Робина Блора, который утверждает, что архитектура реляционных СУБД морально устарела, так как была создана еще в прошлую эпоху и не отвечает современным требованиям.
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.
Что такое реляционная база данных?
Реляционная база данных – это набор данных с предопределенными связями между ними. Эти данные организованны в виде набора таблиц, состоящих из столбцов и строк. В таблицах хранится информация об объектах, представленных в базе данных. В каждом столбце таблицы хранится определенный тип данных, в каждой ячейке – значение атрибута. Каждая стока таблицы представляет собой набор связанных значений, относящихся к одному объекту или сущности. Каждая строка в таблице может быть помечена уникальным идентификатором, называемым первичным ключом, а строки из нескольких таблиц могут быть связаны с помощью внешних ключей. К этим данным можно получить доступ многими способами, и при этом реорганизовывать таблицы БД не требуется.
Важные аспекты реляционных БД
SQL (Structured Query Language) – основной интерфейс работы с реляционными базами данных. SQL стал стандартом Национального института стандартов США (ANSI) в 1986 году. Стандарт ANSI SQL поддерживается всеми популярными ядрами реляционных БД. Некоторые из ядер также включают расширения стандарта ANSI SQL, поддерживающие специфичный для этих ядер функционал. SQL используется для добавления, обновления и удаления строк данных, извлечения наборов данных для обработки транзакций и аналитических приложений, а также для управления всеми аспектами работы базы данных.
Целостность данных
Целостность данных – это полнота, точность и единообразие данных. Для поддержания целостности данных в реляционных БД используется ряд инструментов. В их число входят первичные ключи, внешние ключи, ограничения «Not NULL», «Unique», «Default» и «Check». Эти ограничения целостности позволяют применять практические правила к данным в таблицах и гарантировать точность и надежность данных. Большинство ядер БД также поддерживает интеграцию пользовательского кода, который выполняется в ответ на определенные операции в БД.
Транзакция в базе данных – это один или несколько операторов SQL, выполненных в виде последовательности операций, представляющих собой единую логическую задачу. Транзакция представляет собой неделимое действие, то есть она должна быть выполнена как единое целое и либо должна быть записана в базу данных целиком, либо не должен быть записан ни один из ее компонентов. В терминологии реляционных баз данных транзакция завершается либо действием COMMIT, либо ROLLBACK. Каждая транзакция рассматривается как внутренне связный, надежный и независимый от других транзакций элемент.
Соответствие требованиям ACID
Для соблюдения целостности данных все транзакции в БД должны соответствовать требованиям ACID, то есть быть атомарными, единообразными, изолированными и надежными.
Атомарность – это условие, при котором либо транзакция успешно выполняется целиком, либо, если какая-либо из ее частей не выполняется, вся транзакция отменяется. Единообразие – это условие, при котором данные, записываемые в базу данных в рамках транзакции, должны соответствовать всем правилам и ограничениям, включая ограничения целостности, каскады и триггеры. Изолированность необходима для контроля над согласованностью и гарантирует базовую независимость каждой транзакции. Надежность подразумевает, что все внесенные в базу данных изменения на момент успешного завершения транзакции считаются постоянными.
Что такое СУБД
Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс программно-языковых средств, позволяющих создать базы данных и управлять данными. Иными словами, СУБД — это набор программ, позволяющий организовывать, контролировать и администрировать базы данных. Большинство сайтов не могут функционировать без базы данных, поэтому СУБД используется практически повсеместно.
- Подробнее о СУБД
- SQL и реляционные БД: почему в них важно разбираться
- Наиболее популярные СУБД
Подробнее о СУБД
Основные функции СУБД:
- управление данными во внешней памяти (на дисках);
- управление данными в оперативной памяти с использованием дискового кэша;
- журнализация изменений (сохранение истории), резервное копирование и восстановление базы данных после сбоев;
- поддержка языков БД (язык определения данных, язык манипулирования данными).
Каждая СУБД основывается на какой-либо модели данных, это является одним из признаков классификации. По модели данных СУБД бывают:
- Иерархические. В этой модели данных используется представление БД в виде древовидной структуры, состоящей из данных разных уровней.
- Сетевые. Данная модель является расширением иерархического подхода. Иерархическая модель подразумевает, что запись-потомок может иметь строго одного предка, в то время как в сетевой структуре потомок может иметь любое количество предков.
- Реляционные. СУБД, ориентированные на организацию данных как набор связанных записей и атрибутов в двумерной таблице.
- Объектно-ориентированные. Для управления БД, основанными на объектной модели данных. Как правило основываются на объектно-ориентированных языках программирования.
- Объектно-реляционные. Объединяет в себе концепции реляционной модели с дополнительными объектно-ориентированными возможностями.
SQL и реляционные БД: почему в них важно разбираться
Сегодня по-прежнему наиболее популярными при создании веб-приложений и сервисов остаются реляционные базы данных. Для управления реляционными базами данных используется язык SQL (Structured Query Language — структурированный язык запросов). Изначально SQL был инструментом работы пользователя с базой данных, однако со временем язык усложнился и стал скорее инструментом разработчика, чем конечного пользователя.
Наиболее популярные СУБД
Различные рейтинги самых популярных СУБД возглавляют Oracle, MySQL , Microsoft SQL Server, PostgreSQL.
MySQL
Считается одной из самых распространенных СУБД. MySQL — реляционная СУБД с открытым исходным кодом, главными плюсами которой являются ее скорость и гибкость, которая обеспечена поддержкой большого количества различных типов таблиц.
Кроме того, это надежная бесплатная система с простым интерфейсом и возможностью синхронизации с другими базами данных. В совокупности эти факторы позволяют использовать MySQL как крупным корпорациям, так и небольшим компаниям.
Microsoft SQL Server
Как следует из названия, фирменная СУБД, разработанная Microsoft. Оптимальная для использования в операционных системах семейства Windows, однако может работать и с Linux.
Система позволяет синхронизироваться с другими программными продуктами компании Microsoft, а также обеспечивает надежную защиту данных и простой интерфейс, однако отличается высокой стоимостью лицензии и повышенным потреблением ресурсов.
В целом, однако, сохраняет свою популярность, в немалой степени из-за того, что продукты корпорации Microsoft используются многими компаниями.
PostgreSQL
СУБД PostgreSQL — еще одна популярная и бесплатная система. Наибольшее применение нашла для управления БД веб-сайтов и различных сервисов. Она универсальна, то есть подойдет для работы с большинством популярных платформ.
При этом PostgreSQL — объектно-реляционная СУБД, что дает ей некоторые преимущества над другими бесплатными СУБД, в большинстве являющимися реляционными.
Oracle
Первая версия этой объектно-реляционной СУБД появилась в конце 70-х, и с тех пор зарекомендовала себя как надежная, функциональная и практичная. СУБД Oracle постоянно развивается и дорабатывается, упрощая установку и первоначальную настройку и расширяя функционал.
Однако существенным минусом данной СУБД является высокая стоимость лицензии, поэтому она используется в основном крупными компаниями и корпорациями, работающими с огромными объемами данных.