Знакомство с реляционными базами данных

Введение

Системы управления базами данных (СУБД) — это компьютерные программы, которые позволяют пользователям взаимодействовать с базой данных. СУБД позволяет пользователям контролировать доступ к базе данных, записывать данные, запускать запросы и выполнять любые другие задачи, связанные с управлением базами данных.

Однако для выполнения любой из этих задач СУБД должна иметь в основе модель, определяющую организацию данных. Реляционная модель — это один из подходов к организации данных, который широко используется в программном обеспечении баз данных с момента своего появления в конце 60-х годов. Этот подход настолько распространен, что на момент написания данной статьи четыре из пяти самых популярных систем управления базами данных являются реляционными.

В этой концептуальной статье представлена история реляционной модели, порядок организации данных реляционными системами и примеры использования в настоящее время.

История реляционной модели

Базы данных — это логически сформированные кластеры информации, или данных. Любая коллекция данных является базой данных, независимо от того, как и где она хранится. Шкаф с платежными ведомостями, полка в регистратуре с карточками пациентов или хранящаяся в разных офисах клиентская картотека компании — все это базы данных. Прежде чем хранение данных и управление ими с помощью компьютеров стало общей практикой, правительственным организациям и коммерческим компаниям для хранения информации были доступны только физические базы данных такого рода.

Примерно в середине XX века развитие компьютерной науки привело к созданию машин с большей вычислительной мощностью, а также с увеличенными возможностями встроенной и внешней памяти. Эти достижения позволили специалистам в области вычислительной техники осознать потенциал таких устройств в области хранения и управления большими массивами данных.

Однако не существовало никаких теорий о том, как компьютеры могут организовывать данные осмысленным, логическим образом. Одно дело хранить несортированные данные на компьютере, но гораздо сложнее создать системы, которые позволяют последовательно добавлять, извлекать, сортировать и иным образом управлять этими данными на практике. Необходимость в логической конструкции для хранения и организации данных привела к появлению ряда предложений по использованию компьютеров для управления данными.

Одной из ранних моделей базы данных была иерархическая модель, в которой данные были организованы в виде древовидной структуры, подобной современным файловым системам. Следующий пример показывает, как может выглядеть часть иерархической базы данных, используемой для классификации животных:

Иерархическая модель была широко внедрена в ранние системы управления базами данных, но она отличалась отсутствием гибкости. В этой модели каждая запись может иметь только одного «предка», даже если отдельные записи могут иметь несколько «потомков». Из-за этого эти ранние иерархические базы данных могли представлять только отношения «один к одному» или «один ко многим». Отсутствие отношений «много ко многим» могло привести к возникновению проблем при работе с точками данных, которые требуют привязки к нескольким предкам.

В конце 60-х годов Эдгар Ф. Кодд (Edgar F. Codd), программист из IBM, разработал реляционную модель управления базами данных. Реляционная модель Кодда позволила связать отдельные записи с несколькими таблицами, что дало возможность устанавливать между точками данных отношения «много ко многим» в дополнение к «один ко многим». Это обеспечило большую гибкость по сравнению с другими существующими моделями, если говорить о разработке структур баз данных, а значит реляционные системы управления базами данных (РСУБД) могли удовлетворить гораздо более широкий спектр бизнес-задач.

Кодд предложил язык для управления реляционными данными, известный как Alpha , оказавший влияние на разработку более поздних языков баз данных. Коллеги Кодда из IBM, Дональд Чемберлен (Donald Chamberlin) и Рэймонд Бойс (Raymond Boyce), создали один из языков под влиянием языка Alpha. Они назвали свой язык SEQUEL, сокращенное название от Structured English Query Language (структурированный английский язык запросов), но из-за существующего товарного знака сократили название до SQL (более формальное название — структурированный язык запросов).

Из-за ограниченных возможностей аппаратного обеспечения ранние реляционные базы данных были все еще непозволительно медленными, и потребовалось некоторое время, прежде чем технология получила широкое распространение. Но к середине 80-х годов реляционная модель Кодда была внедрена в ряд коммерческих продуктов по управлению базами данных от компании IBM и ее конкурентов. Вслед за IBM, эти поставщики также стали разрабатывать и применять свои собственные диалекты SQL. К 1987 году Американский национальный институт стандартов и Международная организация по стандартизации ратифицировали и опубликовали стандарты SQL, укрепив его статус признанного языка для управления РСУБД.

Широкое использование реляционной модели во многих отраслях привело к тому, что она была признана стандартной моделью для управления данными. Даже с появлением в последнее время все большего числа различных баз данных NoSQL реляционные базы данных остаются доминирующим инструментом хранения и организации данных.

Как реляционные базы данных структурируют данные

Теперь, когда у вас есть общее понимание истории реляционной модели, давайте более подробно рассмотрим, как данная модель структурирует данные.

Наиболее значимыми элементами реляционной модели являются отношения, которые известны пользователям и современным РСУБД как таблицы. Отношения — это набор кортежей, или строк в таблице, где каждый кортеж имеет набор атрибутов, или столбцов:

Столбец — это наименьшая организационная структура реляционной базы данных, представляющая различные ячейки, которые определяют записи в таблице. Отсюда происходит более формальное название — атрибуты. Вы можете рассматривать каждый кортеж в качестве уникального экземпляра чего-либо, что может находиться в таблице: категории людей, предметов, событий или ассоциаций. Такими экземплярами могут быть сотрудники компаний, продажи в онлайн-бизнесе или результаты лабораторных тестов. Например, в таблице с трудовыми записями учителей в школе кортежи могут иметь такие атрибуты, как name, subjects, start_date и т. д.

При создании столбцов вы указываете тип данных, определяющий, какие записи могут вноситься в данный столбец. РСУБД часто используют свои собственные уникальные типы данных, которые могут не быть напрямую взаимозаменяемы с аналогичными типами данных из других систем. Некоторые распространенные типы данных включают даты, строки, целые числа и логические значения.

В реляционной модели каждая таблица содержит по крайней мере один столбец, который можно использовать для уникальной идентификации каждой строки. Он называется первичным ключом. Это важно, поскольку это означает, что пользователям не нужно знать, где физически хранятся данные на компьютере. Их СУБД может отслеживать каждую запись и возвращать ее в зависимости от конкретной цели. В свою очередь, это означает, что записи не имеют определенного логического порядка, и пользователи могут возвращать данные в любом порядке или с помощью любого фильтра по своему усмотрению.

Если у вас есть две таблицы, которые вы хотите связать друг с другом, можно сделать это с помощью внешнего ключа. Внешний ключ — это, по сути, копия основного ключа одной таблицы (таблицы «предка»), вставленная в столбец другой таблицы («потомка»). Следующий пример показывает отношения между двумя таблицами: одна используется для записи информации о сотрудниках компании, а другая — для отслеживания продаж компании. В этом примере первичный ключ таблицы EMPLOYEES используется в качестве внешнего ключа таблицы SALES:

Если вы попытаетесь добавить запись в таблицу «потомок», и при этом значение, вводимое в столбец внешнего ключа, не существует в первичном ключе таблицы «предок», вставка будет недействительной. Это помогает поддерживать целостность уровня отношений, поскольку ряды в обеих таблицах всегда будут связаны корректно.

Структурные элементы реляционной модели помогают хранить данные в структурированном виде, но хранение имеет значение только в том случае, если вы можете извлечь эти данные. Для извлечения информации из РСУБД вы можете создать запрос, т. е. структурированный запрос на набор информации. Как уже упоминалось ранее, большинство реляционных баз данных используют язык SQL для управления данными и отправки запросов. SQL позволяет фильтровать результаты и обрабатывать их с помощью различных пунктов, предикатов и выражений, позволяя вам контролировать, какие данные появятся в результате.

Преимущества и ограничения реляционных баз данных

Учитывая организационную структуру, положенную в основу реляционных баз данных, давайте рассмотрим их некоторые преимущества и недостатки.

Сегодня как SQL, так и базы данных, которые ее используют, несколько отклоняются от реляционной модели Кодда. Например, модель Кодда предписывает, что каждая строка в таблице должна быть уникальной, а по соображениям практической целесообразности большинство современных реляционных баз данных допускают дублирование строк. Есть и те, кто не считает базы данных на основе SQL истинными реляционными базами данных, если они не соответствуют каждому критерию реляционной модели по версии Кодда. Но на практике любая СУБД, которая использует SQL и в какой-то мере соответствует реляционной модели, может быть отнесена к реляционным системам управления базами данных.

Хотя популярность реляционных баз данных стремительно росла, некоторое недостатки реляционной модели стали проявляться по мере того, как увеличивались ценность и объемы хранящихся данных. К примеру, трудно масштабировать реляционную базу данных горизонтально. Горизонтальное масштабирование или масштабирование по горизонтали — это практика добавления большего количества машин к существующему стеку, что позволяет распределить нагрузку, увеличить трафик и ускорить обработку. Часто это контрастирует с вертикальным масштабированием, которое предполагает модернизацию аппаратного обеспечения существующего сервера, как правило, с помощью добавления оперативной памяти или центрального процессора.

Реляционную базу данных сложно масштабировать горизонтально из-за того, что она разработана для обеспечения целостности, т.е. клиенты, отправляющие запросы в одну и ту же базу данных, всегда будут получать одинаковые данные. Если вы масштабируете реляционную базу данных горизонтально по всем машинам, будет трудно обеспечить целостность, т.к. клиенты могут вносить данные только в один узел, а не во все. Вероятно, между начальной записью и моментом обновления других узлов для отображения изменений возникнет задержка, что приведет к отсутствию целостности данных между узлами.

Еще одно ограничение, существующее в РСУБД, заключается в том, что реляционная модель была разработана для управления структурированными данными, или данными, которые соответствуют заранее определенному типу данных, или, по крайней мере, каким-либо образом предварительно организованы. Однако с распространением персональных компьютеров и развитием сети Интернет в начале 90-х годов появились неструктурированные данные, такие как электронные сообщения, фотографии, видео и пр.

Но все это не означает, что реляционные базы данных бесполезны. Напротив, спустя более 40 лет, реляционная модель все еще является доминирующей основой для управления данными. Распространенность и долголетие реляционных баз данных свидетельствуют о том, что это зрелая технология, которая сама по себе является главным преимуществом. Существует много приложений, предназначенных для работы с реляционной моделью, а также много карьерных администраторов баз данных, которые являются экспертами, когда дело доходит до реляционных баз данных. Также существует широкий спектр доступных печатных и онлайн-ресурсов для тех, кто хочет начать работу с реляционными базами данных.

Еще одно преимущество реляционных баз данных заключается в том, что почти все РСУБД поддерживают транзакции. Транзакция состоит из одного или более индивидуального выражения SQL, выполняемого последовательно, как один блок работы. Транзакции представляют подход «все или ничего», означающий, что все операторы SQL в транзакции должны быть действительными. В противном случае вся транзакция не будет выполнена. Это очень полезно для обеспечения целостности данных при внесении изменений в несколько строк или в таблицы.

Наконец, реляционные базы данных демонстрируют чрезвычайную гибкость. Они используются для построения широкого спектра различных приложений и продолжают эффективно работать даже с большими объемами данных. Язык SQL также обладает огромным потенциалом и позволяет вам добавлять или менять данные на лету, а также вносить изменения в структуру схем баз данных и таблиц, не влияя на существующие данные.

Заключение

Благодаря гибкости и проектному решению, направленному на сохранение целостности данных, спустя пятьдесят лет после появления такого замысла, реляционные базы данных все еще являются основным способом управления данными и их хранения. Даже с увеличением в последние годы числа разнообразных баз данных NoSQL понимание реляционной модели и принципов ее работы с РСУБД является ключевым моментом для всех, кто хочет создавать приложения, использующие возможности данных.

Чтобы узнать больше о нескольких популярных РСУБД с открытым исходным кодом, мы рекомендуем вам ознакомиться с нашим сравнением различных реляционных баз данных с открытым исходным кодом. Если вам интересно узнать больше о базах данных в целом, мы рекомендуем вам ознакомиться с нашей полной библиотекой материалов о базах данных.