Какво е база данни: дефиниция, модели и примери
Какво е база данни: ясна дефиниция, основни модели (релационен, NoSQL) и реални примери. Научете как се организират, съхраняват и управляват данните ефективно.
Базата данни е организирана колекция от данни — всякакъв вид информация — и механизми за нейното съхранение, търсене, промяна и управление. Данните могат да са числа, текст, изображения, записи за хора или събития, метаданни (информация за информацията) и др. На ниво софтуер тези функции се предоставят от система за управление на бази данни (СУБД), а самите данни обикновено се съхраняват в електронен вид в компютърни файлове или в по-структурирани формати.
Преди ерата на цифровите компютри данните често са били водени в картотеки, печатни книги и други физически носители. Днес повечето данни се пазят в компютърни файлове, но начинът, по който са организирани и достъпвани, зависи от модела на базата данни и от софтуера (СУБД), който ги обслужва.
Системата за бази данни (СУБД) е компютърна програма за управление на електронни бази данни. Тя предоставя интерфейси за добавяне, промяна и търсене на данни, осигурява механизми за контрол на достъпа, архивиране, възстановяване и често — изпълнение на заявки (запитвания). Един много прост пример за СУБД е електронна адресна книга, където записите за контакти могат да се търсят, сортират и актуализират.
Данните в базата са организирани по някакъв начин. Преди компютрите за всеки служител често е имало по една карта в картотека с информация като дата на раждане и име. Съвременната база данни също използва подобен подход: за потребителя записът (еквивалент на картата) изглежда като отделен ред или документ на екрана, а за компютъра той е записан в подходящ формат на носителя. Начинът на съхранение и структуриране се нарича модел на база данни.
Основни модели на бази данни
- Релационен модел — най-разпространеният модел за традиционни приложения. Данните се организират в таблици (редове и колони). Този модел често се нарича релационен модел на база данни и използва концепции като релации и множества. Потребителите и администраторите обикновено говорят за таблици на базата данни. Типични СУБД: MySQL, PostgreSQL, Oracle, SQL Server.
- Документно-ориентиран модел — съхранява цели записи като документи (например JSON или BSON). Подходящ е за приложения със променлива структура (например профили на потребители). Пример: MongoDB.
- Ключ-стойност (Key–Value) — много прост и бърз модел, при който всеки запис се намира по уникален ключ. Подходящ за кеширане и бързи справки. Пример: Redis.
- Колончат модел (Column-family) — оптимизиран за четене и запис на масивни количества данни и аналитични натоварвания. Примери: Cassandra, HBase.
- Графов модел — представя данните като възли и връзки между тях; полезен при социални мрежи, препоръчителни системи и други сценарии с комплексни връзки. Пример: Neo4j.
Какво прави една СУБД (основни операции)
- CRUD операции: Create (създаване), Read (четене), Update (обновяване), Delete (изтриване).
- Изпълнение на заявки — търсене и филтриране на данни; в релационните СУБД това обикновено се прави с SQL.
- Индексиране — ускоряват търсенията, но заемат допълнително място и могат да забавят записите.
- Транзакции — група операции, които трябва да се изпълнят като атомарна единица; гарантират свойства като ACID (атомарност, консистентност, изолация, устойчивост) в традиционните СУБД.
- Контрол на достъпа и сигурност — потребителски разрешения, криптиране, одитни дневници.
- Архивация и възстановяване — резервни копия (backups) и процедури за възстановяване при повреда.
Къде се използват бази данни — примери
- Електронна магазини и складово-логистични системи (инвентар, поръчки, клиенти).
- Банкови и счетоводни системи (транзакции, баланси).
- Социални мрежи и мрежи за препоръки (графови бази данни).
- Аналитични хранилища за бизнес разузнаване (OLAP) — големи масиви исторически данни за анализ.
- Кешове и системи за временно съхранение на резултати (key–value store).
- Медицински регистри и електронни досиета на пациенти.
Видове системи според предназначението
- OLTP (Online Transaction Processing) — системи за обработка на транзакции в реално време (банки, електронна търговия).
- OLAP (Online Analytical Processing) — системи за анализ и отчети, оптимизирани за големи заявки върху исторически данни.
Добри практики
- Планирайте структурата на данните и моделa според нуждите на приложението (не всички проблеми стават оптимално със SQL релации).
- Използвайте индекси разумно — те ускоряват четенето, но влияят на записите и пространството.
- Осигурете резервни копия и тестове за възстановяване.
- При нужда от висока достъпност и устойчивост използвайте репликация и автоматично възстановяване.
- Обърнете внимание на сигурността: контрол на достъпа, криптиране и мониторинг.
В резюме: база данни е начин за организиране и управление на информация, а изборът на модел и СУБД зависи от типа данни, изискванията за бързина, надеждност, мащабируемост и начина, по който ще бъдат използвани тези данни.
Използване на системите за бази данни
Използването на системите за бази данни включва:
- Те съхраняват данни и предоставят възможности (инструменти) за търсене на конкретни записи в даден набор от данни.
- В тях се съхранява специална информация, която се използва за управление на данните. Тази информация се нарича метаданни и не се показва на всички, които разглеждат данните.
- Те могат да решат случаи, в които много потребители искат да получат достъп (и евентуално да променят) до едни и същи записи на данни.
- Управляват правата за достъп (кой има право да вижда данните, кой може да ги променя).
- Когато има много потребители, които задават въпроси към базата данни, отговорите на въпросите трябва да се получават по-бързо. По този начин лицето, което последно е задало въпрос, може да получи отговор в разумен срок.
- Някои атрибути са по-важни от други и могат да се използват за намиране на други данни. Това се нарича индексиране. Един индекс съдържа всички важни данни и може да се използва за намиране на други данни.
- Те гарантират, че данните винаги имат контекст. Има много различни правила, които могат да се добавят, за да се каже на системата за бази данни дали данните имат смисъл. Едно от правилата може да гласи, че ноември има 30 дни. Това означава, че ако някой иска да въведе 31 ноември като дата, тази промяна ще бъде отхвърлена.
Промяна на данните
В базите данни някои данни се променят от време на време. Възможно е да възникнат проблеми, когато данните се променят; например, може да е възникнала грешка. Грешката може да направи данните безполезни. Системата за бази данни преглежда данните, за да гарантира, че те отговарят на определени изисквания. Тя прави това, като използва транзакция. В базата данни има две точки във времето - времето преди промяната на данните и времето след промяната на данните. Ако при промяната на данните нещо се обърка, системата за бази данни просто връща базата данни в състоянието преди промяната. Това се нарича връщане назад. След като всички промени са извършени успешно, те се предават. Това означава, че данните отново придобиват смисъл; извършените промени вече не могат да бъдат отменени.
За да могат да направят това, базите данни следват принципа ACID:
- Всички. Или всички задачи от дадено множество (наречено транзакция) са изпълнени, или нито една от тях не е изпълнена. Това е известно като атомичност.
- Завършете. Данните в базата данни винаги имат смисъл. Няма наполовина попълнени (невалидни) данни. Това е известно като последователност.
- Независим. Ако много хора работят върху едни и същи данни, те няма да се виждат (или да си влияят). Всеки от тях има свой собствен поглед върху базата данни, който е независим от останалите. Това е известно като изолация.
- Изпълнено. Транзакциите трябва да бъдат предадени, когато са завършени. Веднъж извършени, те не могат да бъдат отменени. Това е известно като трайност.
Модел на базата данни
Съществуват различни начини за представяне на данните.
- Обикновени файлове (наречени плоски файлове): Това е най-простата форма на система от бази данни. Всички данни се съхраняват във файл в обикновен текст. Всяка част от информацията може да бъде отделена с нов ред или запетая и т.н.
- Йерархичен модел: Данните са организирани като дървовидна структура. Интересните данни се намират в листата на дървото. Връзките между записите на данни са такива, че някои записи са пряко зависими от други записи.
- Модел на мрежата: Използвайте записи и множества за съхранение на данните. Подобен на йерархичния модел, но има много по-сложна структура.
- Релационен модел: При него се използва теория на множествата и логика на предикатите. Той е широко използван. Данните изглеждат така, сякаш са организирани в таблици. След това тези таблици могат да бъдат обединени, така че от тях да се избират прости заявки.
- Обектно-ориентиран модел: Данните се представят под формата на обекти, както се използва в обектно-ориентираното програмиране. Те могат да взаимодействат директно с използвания език за ООП, тъй като и двата имат едно и също вътрешно представяне на данните.
- Обектно-релационен модел: Това е хибрид между обектно-ориентирания модел и релационния модел.
- Модел NoSQL: Това е нов вид модел на база данни, който все повече се използва в индустрията за големи данни и уеб приложения в реално време. Данните в този модел се съхраняват като двойки ключ-стойност без строга йерархия, както при другите модели. Системите NoSQL се наричат още "Не само SQL", тъй като не позволяват използването на езици за заявки, подобни на структурирания език за заявки.
Начини за организиране на данните
Както и в реалния живот, едни и същи данни могат да се разглеждат от различни гледни точки и да се организират по различни начини. Има различни неща, които трябва да се вземат предвид при организирането на данните:
- Всеки елемент от данните трябва да се съхранява възможно най-малко пъти. Представете си, че неомъжена жена е вписана в окръжните регистри, в Държавния департамент за моторни превозни средства, във Федералния департамент за социално осигуряване и в Департамента за международни паспорти. Ако тя се омъжи и реши да смени името си, всички тези отдели трябва да бъдат уведомени. Ако всички отдели са свързани и името ѝ се съхранява само на едно място, актуализирането е лесно.
- Ако данните се съхраняват в няколко различни бази данни, те могат да си противоречат.
- Този проблем прави намирането на данни по-бавно. Ако има много данни, този проблем със съхраняването на една част от данните на много места ще отнеме много място. В нашия пример имаше четири бази данни за едно лице. Това ще означава осем направени промени, ако втори човек има абсолютно същия проблем.
- Ако имате този проблем, за решаването му е разработен метод, наречен нормализация на базата данни. Понастоящем съществуват шест нормални форми. Това са начини да се ускорят някои бази данни и данните да заемат по-малко място.
Свързани страници
Въпроси и отговори
В: Какво представлява базата данни?
О: Базата данни е система за съхраняване на данни (всякакъв вид информация) и грижа за тях. Тя може да се използва за сортиране, промяна или обслужване на съхраняваната в нея информация.
В: Как хората са съхранявали данни преди цифровите компютри?
О: Преди цифровите компютри за съхранение на данни са се използвали картотеки, печатни книги и други методи.
В: Какво представлява системата за бази данни?
О: Системата за бази данни е компютърна програма за управление на електронни бази данни. Тя може да се използва за организиране на данните по някакъв начин.
В: Как изглежда една "карта" в старомодната картотека?
О.: В старомодния шкаф за документи обикновено има по една карта за всеки служител с информация като датата на раждане или името му.
В: Как изглежда съвременният еквивалент на тази "карта"?
О: Съвременният еквивалент на тази "карта" се появява на екрана, а не във физическа форма.
В: Какво представлява моделът на базата данни?
О: Моделът на базата данни се отнася до различните начини, по които информацията на "картата" може да се съхранява от компютъра. Най-често използваният модел се нарича релационен модел на база данни, който използва релации и множества за съхраняване на данни.
В: Как нормалните потребители се отнасят към тези модели, когато говорят за тях? О: Обикновените потребители обикновено наричат тези модели "таблици на базата данни", а не използват технически термини като релации или множества, когато говорят за тях.
обискирам