Введение в системы управления базами данных

Виды СУБД по способу доступа

База данных хранится на так называемом сервере — это не обязательно отдельный компьютер, некоторые системы позволяют «поднять» сервер на конечном устройстве. Если база и все части системы находятся на одном компьютере, и ими пользуются с того же устройства, СУБД называется локальной. Если части системы находятся на разных устройствах — это распределенная СУБД.

Системы по-разному обеспечивают хранение и доступ к данным. Существуют три вида архитектуры.

Клиент-серверная. База данных находится на сервере, СУБД располагается там же. К базе могут обращаться различные клиенты — конечные устройства. Например, пользователи запрашивают информацию на конкретном сайте.

Клиент-серверная архитектура подразумевает, что прямой доступ к базе есть только у сервера — он обрабатывает обращения клиентов. Сами клиенты не обязаны иметь специальное ПО для взаимодействия с базами данных. Так для доступа к сайту не нужно устанавливать программы, которые будут обрабатывать запросы, — все сделает сервер, жестко отделенный от клиентской части.

Такие базы надежны и обычно имеют высокую доступность. Ими пользуются чаще всего.

Файл-серверная. Тут все иначе: база хранится на файл-сервере, вот СУБД — на каждом клиентском компьютере. Доступ к базе данных могут получить только устройства, на которых установлена и настроена система.

Сейчас такие системы используются очень редко, в основном во внутренних приложениях, которые работают в локальных сетях. В крупных проектах файл-серверные СУБД не применяют.

Встраиваемая. Это маленькая локальная СУБД, которая используется для хранения данных отдельной программы. Такие системы не функционируют как самостоятельные единицы, а встраиваются в программный продукт как модуль. Они нужны при разработке локальных приложений, целиком размещаются на одном устройстве и обычно очень мало весят.

Что такое СУБД

Чтобы понять, что такое СУБД, нужно сначала узнать, что такое база данных (БД).

База данных — это набор упорядоченных и структурированных данных, которые хранятся на определённом компьютере. Проще всего представить её как большую Excel-таблицу, где у каждого элемента (строки) есть определённые свойства (столбцы).

Если создать базу данных для магазина продуктов, то у каждого товара — например, жвачки, шоколадки и бутылки воды, — будут свойства: цена, количество штук в наличии и срок годности.

Базу данных можно представить как таблицуИллюстрация: Оля Ежак для Skillbox Media

Базы данных — это просто файлы на диске компьютера, куда можно записывать новые элементы. Но сами БД ничего не умеют и для них нужно писать свои методы для управления — например, для добавления нового элемента или поиска нужной записи. Чтобы облегчить работу программистам, придумали СУБД.

Система управления базами данных (СУБД) — это набор инструментов, которые позволяют удобно управлять базами данных: удалять, добавлять, фильтровать и находить элементы, менять их структуру и создавать резервные копии.

СУБД можно представить как прослойку между базой данных и пользовательскими запросами к ней.

СУБД — это прослойка между базой данных и пользователемИллюстрация: Оля Ежак для Skillbox Media

Когда пользователь нажимает на кнопку на сайте — например, чтобы скачать картинку, — сайт составляет специальный запрос к базе данных и отправляет его в СУБД. Она разбирает его и ищет в базе данных запрашиваемую информацию, а затем возвращает обратно сайту. Он уже конвертирует их в читаемый для пользователя вид и отдаёт ему.

Без СУБД разработчикам пришлось бы самостоятельно искать в файлах баз данных информацию, которая им нужна. Можно сказать, что база данных без СУБД — это как машина без кузова. В теории это машина: можно её заправлять, менять масло и детали. Но нормально поездить на ней не получится. Придётся сначала всё прикрутить, сделать кузов и только потом уже ехать.

Базы данных без СУБД — примерно то же, что эта машинаИзображение: Big Pants Production / Shutterstock / Skillbox Media

Из чего состоят системы управления базами данных

Если база — это хранилище, то СУБД — комплекс средств для обслуживания хранилища. СУБД имеет сложное устройство.

Ядро СУБД отвечает за главные операции: хранение базы, ее обслуживание, документирование изменений. Это основная часть системы.

Процессор языка или компилятор обрабатывает запросы. Обычно СУБД реляционного, объектно-ориентированного и объектно-реляционного типа поддерживают язык SQL и внутренние языки запросов.

Набор утилит предназначен для различных сервисных функций: их может быть очень много, а некоторые СУБД могут расширяться с помощью пользовательских модулей.

Устройство СУБД

Основные функции СУБД

Создание базы данных, ее хранение, обеспечение доступа пользователей к данным осуществляются с помощью специальных программных инструментов – систем управления базами данных.

Определение 1

Система управления базами данных (СУБД) – это комплекс языковых и программных средств, обеспечивающих создание, хранение и совместное использование баз данных.

Основными функциями СУБД являются:

• Ведение словаря данных. Словарем данных называется информация, позволяющая описывать данные, хранящиеся в базах. В словарь данных входят названия, типы и размеры элементов данных, названия связей, ограничения целостности данных.
• Поддержка многопользовательского режима. В случае, когда с базой данных работает несколько пользователей, СУБД должна гарантировать корректность обновления данных разными пользователями.
• Восстановление баз данных после сбоев. СУБД ведет журнал, куда поступает информация обо всех изменениях в базах данных. Восстановление после сбоев происходит на основании данных, зафиксированных в журнале.
• Управление доступом к данным. СУБД позволяет создавать пользователей и давать им различные права доступа к данным. На основании прав доступа производится контроль.
• Поддержка целостности данных.

Определение 2

Целостностью данных называется соответствие данных логике той модели данных, на которой основана СУБД и всем накладываемым на данные ограничениям.

СУБД должна постоянно контролировать выполнение этих ограничений.

Поддержка транзакций.

Определение 3

Транзакцией называется последовательность операций, которая должна быть либо выполнена целиком, либо отменена.

Пример 1

Допустим, необходимо выполнить следующую последовательность действий:

1. Определить сумму на счете №1.
2. Вычислить 10% от этой суммы.
3. Уменьшить сумму на счете №1 на полученное значение.
4. Увеличить сумму на счете №2 на это же значение.

Если на любом из этих шагов произойдет сбой в системе, то в лучшем случае не произойдет перевод денег со счета №1, на счет №2. А в худшем деньги будут сняты со счета №1, но на счет №2 не попадут. Поэтому эти четыре операции должны быть оформлены транзакцией. В случае сбоя, система должна вернуться в то состояние, в котором она была до выполнения шага 1.

Кроме перечисленных функций различные СУБД могут обладать рядом дополнительных.

Примеры современных СУБД

• Oracle Database — объектно-реляционная клиент-серверная СУБД, одна из первых и самых популярных в мире. Платная, сложная, подходит для больших проектов.
• PostgreSQL — объектно-реляционная СУБД клиент-серверного типа, которую иногда называют бесплатным аналогом Oracle. Масштабная, рассчитана на высоконагруженные проекты, содержит огромное количество функций и распространяется бесплатно.
• MySQL — реляционная клиент-серверная СУБД. Популярный выбор для проектов небольшого и среднего размера. Легкая, гибкая и довольно простая в использовании. Она бесплатная, хорошо подходит для обучения и веб-проектов.
• MongoDB — документно-ориентированная NoSQL-СУБД, где данные хранятся в JSON-подобных файлах. Тоже бесплатная, а внутренний язык запросов основан на JavaScript.
• SQLite — маленькая и легкая встраиваемая СУБД, которая активно применяется в локальных проектах.

Особенности построения баз данных, тонкости работы с запросами, поддержку целостности и другие важные темы можно изучить самостоятельно с помощью учебников и мануалов, а также на курсах SkillFactory.

Современная СУБД состоит из:

• ядра — части программ СУБД, отвечающих за управление данными в памяти и журнализацию
• Процессора языка базы данных, обеспечивающего оптимизацию запросов на извлечение и изменение данных, и создание БД
• Подсистемы поддержки времени исполнения, интерпретирующую программы манипуляции данными, которые создают интерфейс пользователя СУБД
• Сервисных программ (внешних утилит), которые обеспечивают прочие возможности по обслуживанию информационных систем.

Так как через СУБД осуществляют все процессы, применимые к базам данных, следовательно, лучше будет выделить только её основные возможности.

Список литературы по теме:

1. Когаловский М.Р. Энциклопедия технологий баз данных. — М.: Финансы и статистика, 2002. — 800 с.
2. Кузнецов С. Д. Основы баз данных. — 2-е изд. — М.: Интернет-университет информационных технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. — 484 с. Дейт К. Дж. Введение в системы баз данных = Introduction to Database Systems. — 8-е изд. — М.: Вильямс, 2005. — 1328 с. Коннолли Т., Бегг К. Базы данных. Проектирование, реализация и сопровождение. Теория и практика = Database Systems: A Practical Approach to Design, Implementation, and Management. — 3-е изд. — М.: Вильямс, 2003. — 1436 с.
3. Гарсиа-Молина Г., Ульман Дж., Уидом Дж. Системы баз данных. Полный курс = Database Systems: The Complete Book. — Вильямс, 2003. — 1088 с. C. J. Date Date on Database: Writings 2000–2006. — Apress, 2006. — 566 с.

Классификация СУБД

Самым важным признаком, по которому классифицируются СУБД, является модель данных.
Как и модели данных СУБД бывают следующих видов:

• Иерархические. Самыми известными иерархическими СУБД является IMS и Cache . Модель удобна для хранения структур, которые являются иерархическими по своей природе. Иерархической является, например, структура предприятия с подчиненными подразделениями. Однако, большинство предметных областей не соответствуют иерархической структуре. Потому иерерхические СУБД не популярны и используются в основном в устаревших ИС.
• Сетевые. Известными представителями этого класса являются IDMS и CronosPRO. Данная модель является усовершенствованием иерархической. Высокая сложность и жесткость структуры базы данных также снижают популярность этого класса СУБД;
• Реляционные. На сегодняшний день реляционные базы данных и СУБД являются стандартом де-факто. Чаще всего, когда речь идет о базе данных, то подразумевается именно реляционная. На рынке ПО существует много представителей этого класса СУБД: MS SQL SERVER,IBM DB2, MySQL, PostgreSQL и т.д. ;
• Постреляционные. Постреляционная модель основана на тех же принципах, что и реляционная, но без учета требования неделимости данных. Их достоинством является более высокая скорость работы, а недостатком – сложности в обеспечении целостности данных. Типичным представителем являются СУБД uniVerse и UniData;
• No sql (нереляционные). Модель no sql отличается простотой и гибкостью. Она позволяет добавлять элементы данных в таблицы без предварительного объявления об изменении структуры. Наиболее известные представители MongoDB и CouchDB.
• Объектные. Этот класс СУБД хранит данные в виде объектов. Такой подход очень удобен для предметных областей со сложной структурой. Недостатком является необходимость использовать процедурные языки для доступа к данным. К современным объектным СУБД относятся POET, Jasmine, Versant, O2, ODB-Jupiter.
• Объектно-реляционные. Некоторые производители СУБД совмещают в своих продуктах реляционную и объектную модели. К таким «гибридам» относятся Informix Universal Server и Oracle8 Universal Data Server
• Многомерные. Если реляционная модель хранит данные в двумерных таблицах, то многомерная позволяет добавлять дополнительные измерения. В результате данных хранятся не в таблицах, а в гиперкубах. Многомерные СУБД используются в задачах анализа данных. На многомерной технологии основаны СУБД jBASE, EssBase.

Классификации СУБД

Существует несколько признаков, по которым можно классифицировать СУБД.

СУБД по модели данных бывают:

• Иерархические СУБД
• Сетевые СУБД
• Реляционные СУБД
• Объектно-ориентированные СУБД
• Объектно-реляционные СУБД

В настоящее время в серьезных проекта используются 2 последних типа.

СУБД по степени распределённости

• Локальные (СУБД размещается только на одном компьютере)
• Распределённые (части СУБД могут размещаться на 2-х и более компьютерах).

По способу доступа к БД

Файл-серверные СУБД

В них файлы с данными расположены централизованно на специальном файл-сервере. СУБД же должны быть расположены на каждом клиенте (рабочей станции). Доступ СУБД к данным производится посредством локальной сети. Поддержка синхронизации чтений и обновлений осуществляется за счет временных блокировок затребованных файлов.

Плюсом этой архитектуры можно назвать низкую нагрузку на файловый сервер.

К минусам же: высокая загрузка трафиком локальной сети; сложность или невозможность централизованного управления; нельзя обеспечить такие важные характеристики как надёжность, доступность и безопасность. Файл-серверные СУБД используют в локальных приложениях; в системах с малой интенсивностью обработки данных и небольшими пиковыми нагрузками на базу данных.

Сейчас её при создании крупной информационной системы не используют.

Примеры файл-серверных СУБД:

• dBase,
• FoxPro,
• Microsoft Access,
• Paradox,
• Visual FoxPro.

Клиент-серверные СУБД

Клиент-серверная СУБД расположена на сервере вместе с базой данных и осуществляет доступ к БД исключительно в монопольном режиме. Все запросы на обработку данных клиентских приложений и станций обрабатываются централизованно.

Недостатком такого типа СУБД можно назвать повышенные требования к серверу.

Достоинствами: более низкую загрузку локальной сети; преимущества централизованного управления; поддержку высокой надёжности, доступности и безопасности.

Примеры клиент-серверных СУБД:

• Caché,
• Firebird,
• IBM DB2,
• Informix,
• Interbase,
• MS SQL Server,
• MySQL, Oracle,
• PostgreSQL,
• Sybase Adaptive Server Enterprise,
• ЛИНТЕР.

Встраиваемые СУБД

Это вид СУБД, который может выступать лишь в качестве составной части определенного программного комплекса, без необходимости процедуры отдельной установки. Такой вид СУБД может быть использован для локального хранения данных своего приложения и не рассчитан на коллективное использование в компьютерной сети. Физически же это зачастую реализуется в виде подключаемой библиотеки. Со стороны приложения доступ к данным происходит посредством SQL-запросов либо через специальный программный интерфейс.

Примеры встраиваемых СУБД:

• Firebird Embedded,
• BerkeleyDB,
• Microsoft SQL Server Compact,
• OpenEdge,
• SQLite,
• ЛИНТЕР.

Для рассмотрения лишь части основных возможностей и внутреннего устройства любой СУБД требуется один или несколько отдельных учебных курсов.

Для чего нужны СУБД

• Создание и хранение базы данных нужного типа — он зависит от того, к какому виду относится система.
• Управление базой — сюда относится создание новых записей, модификация существующих или удаление данных, которые уже не нужны.
• Получение нужных сведений из базы в удобной форме с помощью запросов, обычно на специальном языке SQL. Запросы фильтруют данные и выдают только нужную информациЮ, так как в базе могут быть миллионы записей. СУБД обязана поддерживать хотя бы один язык запросов.
• Администрирование и контроль доступа к базе данных, выдача разным пользователям различных прав и поддержка конфиденциальности сведений.
• Обеспечение безопасности и целостности данных, чтобы какая-либо проблема не привела к потере информации из базы.
• Защита от возможных атак и сбоев.
• Отслеживание изменений, резервное копирование и восстановление базы в случае падения.

Как работает СУБД