Базы данных и системы управления базами данных (СУБД)

Для правильной работы сайта нужны не только файлы с кодом страниц, но и базы данных. Для взаимодействия с БД используются системы управления базами данных (СУБД). В этой статье я расскажу о базах данных и СУБД, их разновидностях и основных отличиях. 

Как работают базы данных

В базе данных может содержаться различная информация: личные данные пользователей, записи, даты, заказы, список клиентов и так далее. К примеру, если у вас интернет-магазин, то база данных вашего сайта может содержать прайс-листы, каталог товаров или услуг, отчеты, статистику и информацию о покупателях.

Любую информацию можно быстро заносить в базу данных и так же быстро извлекать ее при необходимости.

Важную роль играет взаимосвязь информации в базе данных: изменение одной строчки может привести к значительным изменениям других строк. Работать с данными таким образом гораздо проще и быстрее, чем если бы изменения касались только одного места.

Однако это не значит, что база данных обязательно должна быть у каждого сайта – к примеру, если у вас сайт-визитка, и никакой новой информации вы на сайте не размещаете, то база данных вам будет попросту не нужна.

Система управления базами данных (СУБД)

Система управления базами данных (сокращенно СУБД) – это программное обеспечение для создания и работы с базами данных.

Главная функция СУБД – это управление данными (которые могут быть как во внешней, так и в оперативной памяти). СУБД обязательно поддерживает языки баз данных, а также отвечает за копирование и восстановление информации после каких-либо сбоев.

Для каких целей подходит СУБД

СУБД позволяет полностью контролировать работу баз данных, в которых содержится детальная информация о клиентах компании. Например, это могут быть совершенные транзакции в интернет-магазине. Чтобы создать базу данных для такой крупной системы, необходимо организовать таблицу с различными значениями. Чаще всего в них входит: название продукции, ее стоимость, количество и многое другое. Для поддержания таких крупных таблиц как раз используется система управления базами данных. Она обеспечивает надежность и высокую скорость работы БД.

Помимо работы с крупными данными, СУБД также помогает: 

• модифицировать базу данных – удалять, изменять или объединять данные внутри системы; 
• восстанавливать утерянную информацию после непредвиденных сбоев; 
• настраивать резервное копирование данных;
• получать все необходимые данные из БД через язык запросов SQL; 
• администрировать систему – выдавать ограниченные права доступа для пользователей. 

Как видите, СУБД – это незаменимый помощник для тех, кто хочет разговаривать с БД на одном языке: контролировать их работу, оперативно получать всю необходимую информацию и выполнять многие другие действия.

Из чего состоят системы управления базами данных

СУБД состоит из нескольких компонентов:

• Язык запросов – используется для создания запросов к БД, например, SQL.
• Ядро СУБД – основной компонент, который обеспечивает выполнение запросов и доступ к данным.
• Драйверы – программное обеспечение, необходимое для обеспечения взаимодействия между СУБД и приложениями, например, ODBC.
• Административная консоль – графический интерфейс для управления БД, включая создание таблиц, пользователей и управление правами доступа.
• Библиотеки – наборы программных модулей, которые можно использовать для создания приложений, использующих базу данных.
• Хранилище данных – физическое устройство или набор устройств, где содержится вся информация, например, жесткий диск.

Рассмотренные выше компоненты работают вместе для обеспечения эффективного управления базами данных.

Основные виды системы управления базами данных

Системы управления БД принято разделять на несколько классификаций. Ниже мы рассмотрим каждый из видов и разберемся, чем они отличаются друг от друга.

По расположению баз данных

В этом виде СУБД разделяются на:

• Локальные – установлены на локальном компьютере и работают только на нем.
• Централизованные – находятся на центральном сервере и обслуживают клиентские приложения, установленные на других ПК.
• Распределенные – состоят из нескольких серверов, расположенных в разных местах, и обрабатывают данные, которые были разделены между устройствами.

По хранению и обработке данных и запросов

Здесь также СУБД делятся на несколько подвидов: 

• Клиент-серверные – разделяют работу между клиентской и серверной частями. Первая отвечает за пользовательский интерфейс и запросы к серверу, вторая – за хранение и обработку данных.

• Файл-серверные – хранят базу данных на центральном сервере, но обработка запросов происходит на устройствах пользователей через сетевые пути.

• Встраиваемые – предназначены для использования внутри приложений. Обеспечивают быстрое и экономичное хранение данных, не требуют установки и настройки на компьютере клиента.

По языку запросов

Системы управления БД также классифицируются по языку запросов:

• SQL-ориентированные – используют язык SQL для запросов к базе данных.
• NoSQL-ориентированные – используют различные языки запросов, не связанные с SQL, такие, как MongoDB Query Language или Cassandra Query Language.

По структуре и организации данных

Последняя классификация – в ней системы управления базами данных делятся на то, как они представляют информацию внутри БД.

• Реляционные – содержат информацию в виде таблиц, которые могут быть связаны между собой. У каждой строки есть уникальный идентификатор, помогающий легко находить нужные данные. Реляционные СУБД используются, например, в MySQL и PostgreSQL.
• Ключ-значение – разновидность NoSQL-ориентированных СУБД, которые используют пары ключ-значение для хранения данных. Такая организация данных встречается в ПО Redis и Memcached.

• Документные – еще одна разновидность NoSQL. Она использует документы, содержащие различные поля и их значения для хранения данных. Увидеть такую классификацию можно в Amazon DocumentDB и CouchDB.

• Графовые – используют граф для хранения и организации данных, где каждый узел представляет собой объект, а ребра между узлами – отношения между объектами. Такие СУБД позволяют выполнять всевозможные запросы, которые не могут быть исполнены в реляционных системах. Пример: Amazon Neptune, Neo4j, InfoGrid.

• Колоночные – разновидность реляционных СУБД, которые хранят данные в виде колонок, а не строк. Каждая колонка содержит информацию только одного типа, что позволяет сэкономить размер БД и ускорить выполнение запросов. Примеры таких СУБД: Vertica и ClickHouse.

Реляционные СУБД и язык SQL

Реляционные и объектно-реляционные СУБД являются одними из самых распространенных систем. Они представляют собой таблицы, в которых каждый столбец (он называется «field» или «поле») упорядочен и имеет определенное уникальное название. Последовательность строк (их называют «records» или «записи») определяется последовательностью ввода информации в таблицу. При этом обрабатывание столбцов и строк может происходить в любом порядке. Таблицы с данными связаны между собой специальными отношениями, благодаря чему с данными из разных таблиц можно работать – к примеру, объединять их при помощи одного запроса.

Для управления реляционными базами данных применяется особый язык программирования – SQL. Сокращение расшифровывается как «Structured query language», в переводе на русский – «язык структурированных запросов».

Команды, которые используются в SQL, делятся на:

• манипулирующие данными,
• определяющие данные,
• управляющие данными.

Схема работы с базой данных выглядит следующим образом:

Примеры современных СУБД

Далее я кратко расскажу о лучших СУБД, которые чаще всего используются при создании веб-проектов.

MySQL

MySQL является одной из самых популярных и распространенных СУБД, которая используется во многих компаниях (например, Facebook, Wikipedia, Twitter, LinkedIn, Alibaba и других). MySQL представляет собой реляционную СУБД, которая относится к свободному программному обеспечению: она распространяется на условиях GNU Public License. Как правило, эту систему управления базами данных определяют как хорошую, быструю и гибкую, рекомендованную к применению в небольших или средних проектах.

У MySQL есть множество различных преимуществ. Например, она поддерживает различные типы таблиц – как известные MyISAM и InnoDB, так и более экзотичные HEAP и MERGE. Кроме того, количество поддерживаемых типов постоянно растет. MySQL выполняет все команды быстро – возможно, сейчас это самая быстрая СУБД из всех существующих. С этой системой управления базами данных может одновременно работать неограниченное количество пользователей, а число строк в таблицах может достигать 50 миллионов.

Так как в сравнении с некоторыми другими системами MySQL поддерживает меньшее количество возможностей, то и работать с ней значительно проще, чем, к примеру, с PostgreSQL, о которой будет рассказано ниже.

Для работы с MySQL используется не только текстовый, но и графический режим. Это становится реальным благодаря приложению phpMyAdmin: для работы в приложении вам даже не нужно знать SQL-команды, а администрировать свою базу данных можно прямо через браузер.

MySQL – это выбор тех, кому необходима СУБД для проекта небольшого или среднего размера, быстрая и удобная в работе и без сложностей с администрированием.

PostgreSQL

Эта свободно распространяемая система управления базами данных относится к объектно-реляционному типу СУБД. Как и в случае с MySQL, работа с PostgreSQL основывается на языке SQL, однако, в отличие от MySQL, PostgreSQL поддерживает стандарт SQL-2011. Эта СУБД не имеет ограничений ни по максимальному размеру базы данных, ни по максимуму записей или индексов в таблице.

Если говорить о преимуществах PostgreSQL, то в первую очередь это надежность транзакций и репликаций, возможность наследования и легкая расширяемость. PostgreSQL поддерживает различные расширения и варианты языков программирования, такие как PL/Perl, PL/Python и PL/Java. Также есть возможность загружать C-совместимые модули.

Многие отмечают, что в отличие от MySQL данная СУБД имеет хорошую и подробную документацию, которая дает ответы практически на все вопросы.

О том, что это более масштабная, чем MySQL, СУБД, говорит и тот факт, что PostgreSQL периодически сравнивают с такой мощной системой управления данных, как Oracle. Все это позволяет говорить о PostgreSQL как об одной из самых продвинутых СУБД на данный момент.

SQLite

На данный момент это одна из самых компактных СУБД. Также она является встраиваемой и реляционной.

SQLite позволяет хранить все данные в одном файле и, благодаря своему небольшому объему, отличается завидным быстродействием. SQLite значительно отличается от MySQL и PostgreSQL своей структурой: движок и интерфейс этой СУБД находятся в одной библиотеке – и именно это позволяет выполнять все запросы очень быстро. Другие СУБД (MySQL, PostgreSQL, Oracle и т.д.) используют парадигму «клиент-сервер», когда взаимодействие происходит через сетевой протокол.

Из недостатков можно отметить отсутствие системы пользователей и возможности увеличения производительности.

Oracle

Эта СУБД относится к объектно-реляционному типу. Название произошло от названия разработавшей эту систему фирмы Oracle. Наравне с SQL СУБД использует процедурное расширение под названием PL/SQL, а также язык Java.

Oracle – это система, отличающаяся стабильностью уже не один десяток лет, поэтому ее выбирают корпорации, для которых важна надежность восстановления после сбоев, отлаженная процедура бэкапа, возможность масштабирования и другие ценные возможности. К тому же эта СУБД обеспечивает отличную безопасность и эффектную защиту данных.

В отличие от других СУБД, стоимость покупки и использования Oracle достаточно высока, и именно это зачастую является значимым препятствием к ее использованию в небольших фирмах. Вероятно, именно это также является причиной того, что в рейтинге лучших СУБД на 2016 год в России Oracle находится лишь на 6-м месте.

MongoDB

Эта СУБД отличается тем, что она предназначена для хранения иерархических структур данных, и поэтому ее называют документоориентированной (она представляет собой документное хранилище без использования таблиц или схем). MongoDB имеет открытый исходный код.

Используя идентификатор, вы можете производить быстрые операции над объектом. Также эта СУБД хорошо показывает себя и при сложных взаимодействиях. В первую очередь речь идет о быстродействии – в некоторых случаях приложение, написанное на MongoDB, будет работать быстрее, чем такое же приложение, использующее SQL, т.к. MongoDB относится к классу СУБД NoSQL и пользуется объектным языком запросов, который значительно легче SQL.

Однако этот язык имеет и свои ограничения,  и потому MongoDB следует использовать в случаях, когда нет необходимости в сложных и нетривиальных выборках.

Microsoft SQL Server

SQL Server – это реляционная СУБД, разработанная компанией Microsoft. Она использует язык SQL для запросов к базе данных и может работать на различных операционных системах, включая Windows и Linux. SQL Server имеет широкий спектр функций и инструментов, включая поддержку транзакций, индексацию, репликацию и многое другое.

Есть бесплатная версия на 10 ГБ – отличный выбор для небольших проектов. Платная чаще всего используется крупными компаниями, позволяет работать с задачами любой сложности.

Основное преимущество Microsoft SQL Server в добавлении автоматизации задач, например, можно интегрировать код, который будет управлять памятью. Дополнительно эта СУБД позволяет хранить сложные структуры данных и быстро их искать.

Стоит сказать и про совместимость Microsoft SQL Server – ее можно интегрировать с Excel и Access.

Загрузить систему управления базами данных можно на официальном сайте.

Redis

Redis – использует пары ключ-значение для хранения данных. Она отличается высокой производительностью и низкой задержкой при выполнении операций. Redis поддерживает множество типов данных, включая строки, списки, множества и хеш-таблицы. Дополнительно СУБД  поддерживает распределенные системы и может использоваться для кэширования данных и реализации очередей сообщений.

Загрузить систему управления базами данных можно на официальном сайте.

Что такое NoSQL-системы

Выше мы уже немного упоминал о NoSQL-системах – это один из видов СУБД, в котором не используется традиционная модель данных с табличным представлением информации. Здесь применяются другие способы хранения данных, такие как документо-ориентированные, ключ-значение, графовые или колоночные модели.

Такие системы позволяют эффективно хранить и обрабатывать большие объемы разнородных данных, обеспечивая высокую производительность и масштабируемость. NoSQL-системы часто применяются для хранения и использования данных веб-приложений, социальных сетей и других приложений, где необходимо обработать большое количество данных в режиме реального времени.

Заключение

Выбор СУБД – это важный момент при создании своего ресурса. Отталкивайтесь от своих задач и возможностей, пробуйте и экспериментируйте, чтобы найти именно тот вариант, который будет наиболее подходящим.