Всё, что вы хотели знать про базы данных: виды, особенности и примеры

Объём информации неуклонно растет и требует упорядочивания. Каждый разработчик неизбежно приходит к необходимости создания базы данных. Будь то сайт, приложение или корпоративный проект - при росте пользователей без правильно выбранной базы данных не обойтись. Какие бывают базы данных мы расскажем в этой статье.

Что такое база данных?

База данных представляет набор сведений, которые каким-либо образом структурированы. Логика распределения данных в БД зависит от ее вида и задач проекта.

Наиболее часто встречающиеся сегодня базы данных можно увидеть в виде таблиц. Они и правда визуально похожи на электронные таблицы, которые мы делаем в Excel, но имеют фундаментальные отличия:

• Обычные электронные таблицы чаще всего однопользовательские, а если доступ к ним имеют несколько пользователей, то контроль и возможности ограничены. В базах данных такой проблемы нет: пользователи могут вносить изменения одновременно, независимо друг от друга и без ограничений.
• Объема хранимой информации в электронной таблице может быть достаточно лишь на некоторое время, если мы говорим о проектах. Базы данных же предусматривают работу с большими объемами данных и более широкие возможности внесения изменений.

Для управления базами данных используются СУБД (DBMS) - системы управления базами данных (Database Manager System). СУБД, как программное обеспечение, позволяет:

• создавать, редактировать и управлять БД;
• работать с БД одновременно нескольким пользователям;
• упростить работу с базами данных, включая отчетности, резервное копирование, базовые операции с БД и т.п.

Какие бывают СУБД: иерархические, сетевые, реляционные, объектно-ориентированные, объектно-реляционные, однако конкретные прримеры следует разделять по степени распределенности, способу доступа к БД и т.д. 

Важным атрибутом управления БД является Structured Query Language (SQL) - язык структурированных запросов. Изначально этот язык был основой работы с базами данных, позволяя создавать таблицы в БД, добавлять, изменять и удалять записи в таблицах, проводить выборку данных и др. Со временем SQL стал сложнее и начал предлагать пользователям БД больше возможностей. Полное руководство по SQL можно найти здесь, а здесь гайд по стилю.

В определенный момент владельцы СУБД стали использовать диалекты SQL, которые отличались от первоначального стандарта. Сегодня ответственность за соблюдение норм лежит только на создателях разных СУБД.

Поскольку язык SQL используется в реляционных СУБД (о них мы рассказываем ниже), во второй половине 2000-х стали появляться noSQL-последователи. Они отказывались от реляционной модели, благодаря чему сегодня есть графовые, документные и другие виды БД. 

Для чего нужны базы данных

Создание и развитие баз данных обусловлено в первую очередь необходимостью собирать, хранить и обрабатывать большое количество данных. В данном случае информацию необходимо структурировать, поскольку она будут регулярно использоваться и изменяться.

Обычные способы хранения данных не позволят управлять ими в мульти-пользовательском режиме без ограничений. Базы данных же решают эту проблему, предоставляя возможность сразу нескольким пользователям добавлять и изменять данные. При этом их операции никак не зависят друг от друга и, вследствие, не ограничены.

Хранение больших объемов информации часто связаны с коммерческими организациями, что требует соответствующий уровень безопасности. Информационная безопасность баз данных предполагает защиту от несанкционированного доступа, уничтожения информации, а также программных и аппаратных ошибок.

Виды баз данных

Классификация баз данных некоторыми поимается именно как разделение на SQL БД и noSQL БД, хотя существуют и другие виды.

Даже сегодня можно встретить использование простейших видов баз данных. Например, в текстовом виде (в форматах txt, csv и др.).

Иерархические базы данных, которые можно представить как древовидную структуру, имеют между собой связи, но в ограниченном виде.

Сетевые базы данных уже могут иметь более сложные связи, однако ограничения все еще есть.

К более сложным и распространенным моделям данных относят реляционные, нереляционные и комбинированные.

Реляционные базы данных (SQL базы данных)

Microsoft SQL Server, MySQL, PostgreSQL, MariaDB, SQLite, Oracle

Реляционная модель данных является одной из самых распространенных. Реляционная БД - это совокупность таблиц, связанных между собой. Строки таблицы содержат данные об одном объекте (например, клиенте, пользователе сайта, товаре), а в столбцах описываются характеристики этих объектов (например, электронный адрес клиента, код товара).

Особенностью реляционных баз данных является формирование четких взаимосвязей: внешних ключей (ссылки на другие таблицы), которые отвечают за отношения между таблицами всей БД. Благодаря данному подходу нормализации повышается целостность и минимизируется объем базы данных, а процесс масштабирования становится проще.

Например, добавляя в таблицу запись о новом товаре, мы можем сразу же связать его с определенной категорией товаров (продукты питания, бытовая техника и т.п.). Мы также можем добавлять и изменять категории. В данном случае у нового товара и определенной категории будут свои идентификаторы (например, определенный номер id_item и id_category).

Чтобы управлять реляционными базами данных используется язык SQL. СУБД предлагают пользователям удобный графический интерфейс, благодаря чему работа с БД становится гораздо проще, однако знание базовых запросов SQL необходимо.

Однако в структурированном подходе реляционных БД кроется их недостаток. Часто мы сталкиваемся с данными, которые трудно структурировать и внести в таблицу.

Нереляционные базы данных (noSQL базы данных)

• Ключ-значение

Redis, DynamoDB

БД “ключ-значение” - простейший вид нереляционных баз данных. Они состоят из ключа и объекта данных. При этом есть возможность хранить разные типы данных под одним ключом, поиск и “выдача” данных достаточно быстрая благодаря адресному хранению.

Недостатками таких БД являются долгий поиск не по “ключу”, а по “значению”, а также невозможность быстрой аналитики и сбора статистики.

• Графовые

Neo4j, Dgraph

Графовые БД напоминают сетевые, но с более сильными связями, что делает их удобными, например, для социальных сетей. Они отличаются простотой внесения изменений, быстрой производительностью и наглядностью представления данных.

• Колоночные базы данных

Cassandra, HBase

В отличие от реляционных БД, где в основе лежат строки, колоночная база даных использует столбцы (колонки). Так как вместо таблиц используются колоночные семейства, а каждая строка имеет свой набор свойств, есть возможность хранить в одном семействе данные с разной структурой.

• Временных рядов

OpenTSDB, Prometheus, InfluxDB, TimescaleDB

В БД временных рядов данные структурированы по группам в зависимости от временных меток. Здесь вы не сможете проводить сложную аналитику, но получите возможность обрабатывать постоянный поток данных.

• Документные базы данных

MongoDB, RethinkDB

Данный вид БД напоминает древовидную иерархию, где данные (документы) представлены в структурированных форматах (XML, JSON, BSON). Структура БД начинается с корневого узла, тогда листовые узлы содержат конечные данные. Поиск осуществляется по принципу “ключ-значение”, поэтому не подходит для сложных запросов.

Комбинированные базы данных

• NewSQL

MemSQL, VoltDB

Подход NewSQL возник в начале 2010-х с целью совместить преимущества реляционных БД и NoSQL. Несмотря на высокие ресурсные требования и необходимость технических знаний, подобные базы данных обеспечивают высокие масштабируемость и производительность.

По словам аналитика Мэтью Аслета, который предложил термин NewSQL, подобные технологии необходимы организациям с критическими решениями: финансовый сектор, сфера здравоохранения и др.

• Многомодельные

ArangoDB, OrientDB

Преимущество многомодельных БД, несомненно, является возможность использовать разные модели представления данных. В данном случае у пользователей есть возможность управлять информацией, находящейся в разных базах данных с разными подходами.

Так, можно проводить масштабирование, использовать разные типы данных и интегрировать их в структуру, не нарушая ее целостность.

Облачные БД

Отдельно хотелось выделить облачные базы данных, работающих при помощи облачных технологий. Пользователи устанавливают программное обеспечение на облачную инфраструктуру для развертывания базы данных. При этом нет ограничений по SQL или NoSQL видам БД.

Облачная база данных имеет более высокий уровень гибкости, а стоимость использования облачных мощностей зависит лишь от потраченных ресурсов. Некоторые провайдеры используют средства автоматизации, что снижает риск ошибок по вине человека (автономные базы данных). Благодаря машинному обучению, автоматизируются настройки, резервное копирование и другие элементы управления, которыми занимается администратор БД.

Как выбрать базу данных: рейтинг баз данных

Описанные виды баз данных дают широкий выбор для любого бизнеса, сайта, проекта или приложения. На что опираться, когда выбираешь базу данных:

• задача вашего проекта (управление данными сайта, приложения, аналитика или др.)
• в каком виде хранить информацию
• как структурировать информацию и получать к ней доступ
• объем данных, которые планируется загрузить в БД

Если вы хотите сделать выбор исходя из популярности среди других пользователей, на DB-Engines вы найдете рейтинг различных СУБД. Например, по состоянию на февраль2023 года в ТОП-5 вошли: Oracle, MySQL, Microsoft SQL Server, PostgreSQL и MongoDB.

Во времена повышенной важности больших объемов информации базы данных - необходимость. Благодаря разным подходам к моделям данных у коммерческих и некоммерческих организаций есть выбор СУБД. Вопрос выбора конкретной модели остается за тем, кто будет управлять БД, и задачами проекта.