Реляционная база данных - это фундаментальная концепция в мире управления данными. Это тип базы данных, который хранит и управляет данными с помощью таблиц и связей между ними. В современном мире, основанном на данных, предприятия и организации всех размеров полагаются на реляционные базы данных для эффективного хранения, организации и управления большими объемами данных.
Реляционная модель баз данных была впервые предложена в 1970-х годах Эдгаром Ф. Коддом, британским ученым-компьютерщиком. С тех пор она стала доминирующей моделью баз данных и используется в различных приложениях, от систем планирования ресурсов предприятия (ERP) до веб-сайтов электронной коммерции и мобильных приложений.
В этой статье мы рассмотрим реляционную базу данных, принцип ее работы, а также ее преимущества и ограничения. Мы также обсудим различные компоненты реляционной базы данных, такие как таблицы, ключи и отношения, и то, как они работают вместе для управления данными. К концу этой статьи у вас будет твердое понимание реляционных баз данных и их роли в современном управлении данными.
Что такое реляционная база данных?
Реляционная база данных - это тип базы данных, которая организует данные в одну или несколько таблиц или отношений, каждая из которых имеет уникальное имя и состоит из набора строк и столбцов. Данные в реляционной базе данных структурированы и организованы, что облегчает их поиск, извлечение и управление.
Данные в реляционной базе данных обычно хранятся в нормализованном виде. Данные разбиваются на более мелкие связанные таблицы, каждая из которых имеет свой уникальный ключ или идентификатор. Связи между этими таблицами определяются с помощью внешних ключей, которые связывают данные в одной таблице с данными в другой.
Реляционные базы данных широко используются в различных приложениях, включая деловые и финансовые системы, научные исследования и электронную коммерцию. Они обеспечивают гибкий и масштабируемый способ хранения и управления большими объемами данных, гарантируя при этом целостность и непротиворечивость данных с помощью ограничений, таких как первичные ключи и внешние ключи.
AppMaster использует реляционные базы данных. Для этого используется СУБД Postgres. Пользователи AppMaster могут создавать любые схемы реляционных баз данных, включая множество типов полей и отношений. Пользователи могут создавать неограниченное количество моделей, отношений и полей. Каждый раз, когда они изменяют схему данных и сохраняют ее, AppMaster автоматически пишет миграцию для существующих схем с UPD. То есть, когда пользователь выкладывает новую версию своего приложения с измененной базой данных, бинарный файл приложения автоматически переносит старый формат схемы базы данных на новый формат без потери данных.
Как структурируются реляционные базы данных
Реляционные базы данных структурированы с помощью таблиц, которые также известны как отношения. Каждая таблица состоит из строк и столбцов, причем каждая строка представляет собой одну запись или экземпляр данных, а каждый столбец - определенный атрибут или поле данных. Набор атрибутов или типов данных, таких как текст, число, дата или булево значение, определяет столбцы таблицы. Каждый столбец также имеет уникальное имя, которое помогает определить тип данных, хранящихся в этом столбце.
Строки таблицы представляют собой отдельные записи или экземпляры данных. Каждая строка имеет уникальный идентификатор, который называется первичным ключом. Первичный ключ используется для связи записей в разных таблицах базы данных. Отношения между таблицами в реляционной базе данных определяются с помощью внешних ключей. Внешний ключ - это столбец в одной таблице, который ссылается на первичный ключ другой таблицы. Это позволяет связывать связанные данные и получать доступ к ним из разных таблиц базы данных.
Помимо таблиц, в реляционных базах данных также используются ограничения для обеспечения целостности и непротиворечивости данных. Ограничения - это правила или условия, которые должны быть выполнены, прежде чем данные будут вставлены, обновлены или удалены из базы данных. Примерами ограничений являются первичные ключи, внешние ключи, уникальные ограничения и контрольные ограничения.
Реляционная модель
Реляционная модель - это модель данных, которая используется для проектирования и управления данными в реляционной базе данных. Реляционная модель была представлена Эдгаром Ф. Коддом в 1970 году, и с тех пор она стала наиболее широко используемой моделью данных для современных баз данных.
Реляционная модель основана на концепции таблиц, которые также известны как отношения. Каждая таблица в базе данных представляет собой набор связанных данных, а каждая строка в таблице представляет собой одну запись или экземпляр этих данных. Каждый столбец в таблице представляет собой определенный атрибут или поле данных.
Отношения между таблицами в базе данных определяются с помощью ключей. Первичный ключ - это столбец или набор столбцов в таблице, который однозначно идентифицирует каждую строку в этой таблице. Внешний ключ - это столбец в одной таблице, который ссылается на первичный ключ другой таблицы, что позволяет связать данные в разных таблицах базы данных.
Реляционная модель также поддерживает операции запроса и манипулирования данными в базе данных, такие как SELECT, INSERT, UPDATE и DELETE. Эти операции выполняются с помощью специального языка, называемого структурированным языком запросов(SQL), который определяет запросы и операторы, взаимодействующие с базой данных.
Одним из ключевых преимуществ реляционной модели является ее гибкость и масштабируемость. Таблицы можно добавлять, удалять или изменять в соответствии с изменяющимися требованиями к данным, а связи между таблицами можно легко определить или обновить по мере необходимости. Кроме того, реляционная модель обеспечивает последовательный и стандартизированный способ организации и управления данными, что облегчает обслуживание и обновление больших и сложных баз данных с течением времени.
Преимущества реляционной системы управления базами данных
Реляционные системы управления базами данных (RDBMS) обладают многочисленными преимуществами, некоторые из которых включают следующие:
- Целостность данных: RDBMS использует различные ограничения, такие как первичные ключи, внешние ключи и контрольные ограничения для обеспечения целостности данных, что помогает поддерживать точность и согласованность данных.
- Масштабируемость: РСУБД могут обрабатывать большие объемы данных и легко масштабируются по мере необходимости. Они также могут поддерживать одновременную работу нескольких пользователей и приложений.
- Гибкость: РСУБД обеспечивают гибкий способ организации и хранения данных, поскольку таблицы можно добавлять, удалять или изменять в соответствии с изменяющимися требованиями к данным.
- Простота использования: язык SQL, используемый в РСУБД, прост в изучении и использовании и обеспечивает стандартный и последовательный способ взаимодействия с базой данных.
- Безопасность данных: RDBMS предоставляет встроенные функции безопасности, такие как контроль доступа и аутентификация пользователей, чтобы гарантировать, что только авторизованные пользователи могут получать доступ к данным и изменять их.
- Согласованность данных: RDBMS использует транзакции для обеспечения согласованности и надежности данных даже во время сбоя или перерыва в работе системы.
- Совместное использование данных: RDBMS может совместно использовать данные в различных приложениях и платформах, улучшая сотрудничество и производительность в организациях.
РСУБД обеспечивают прочный и надежный способ управления данными и широко используются в различных приложениях, включая деловые и финансовые системы, научные исследования и электронную коммерцию.
Реляционная модель и согласованность данных
Реляционная модель - это модель данных, которая помогает обеспечить согласованность данных в системе баз данных. В основе модели лежит концепция таблиц или отношений, где каждая таблица представляет собой набор связанных данных, а каждая строка в таблице - отдельную запись или экземпляр этих данных. Каждый столбец в таблице представляет определенный атрибут или поле данных.
Согласованность данных относится к точности и надежности данных, хранящихся в базе данных. В реляционной модели согласованность данных обеспечивается за счет использования ограничений. Ограничения - это правила или условия, которые должны быть выполнены, прежде чем данные будут вставлены, обновлены или удалены из таблицы. В реляционной модели может использоваться несколько типов ограничений, таких как первичные ключи, внешние ключи и контрольные ограничения.
Первичный ключ - это уникальный идентификатор для каждой строки в таблице. Он обеспечивает идентификацию и доступ к каждой записи в таблице без путаницы и ошибок. Внешний ключ - это столбец в одной таблице, который ссылается на первичный ключ другой таблицы. Он обеспечивает правильную связь связанных данных в разных таблицах. Контрольные ограничения используются для обеспечения соответствия значений данных определенным критериям или условиям.
В дополнение к ограничениям реляционная модель поддерживает транзакции. Транзакция - это серия операций над базой данных, выполняемых вместе как единое целое. Если какая-либо часть транзакции завершается неудачно, вся транзакция откатывается, обеспечивая согласованность базы данных.
Использование ограничений и транзакций в реляционной модели помогает обеспечить согласованность данных в базе данных. Ограничения обеспечивают последовательный и надежный ввод и хранение данных, а транзакции обеспечивают атомарное и последовательное изменение данных.
Более того, в РСУБД реализован механизм, называемый "ACID", обеспечивающий надежность транзакций. ACID расшифровывается как Atomicity, Consistency, Isolation, and Durability. Атомарность гарантирует, что транзакция рассматривается как единая единица работы, что означает, что все изменения фиксируются, либо не фиксируется ни одно. Согласованность гарантирует, что база данных остается в неизменном состоянии после каждой транзакции. Изоляция гарантирует, что несколько транзакций могут выполняться одновременно, не мешая друг другу. Долговечность гарантирует, что изменения, внесенные в базу данных, сохранятся даже во время сбоя или прерывания работы системы.
Реляционная модель обеспечивает надежный и прочный способ управления данными, гарантируя согласованность данных в базе данных. Обеспечивая согласованность данных, реляционная модель помогает поддерживать точность и надежность данных, что очень важно для широкого круга приложений.
Обязательность и атомарность
Обязательство и атомарность - два ключевых понятия в системах баз данных, особенно в контексте обработки транзакций. Транзакция - это последовательность операций над базой данных, которые рассматриваются как единая логическая единица работы. Транзакции могут включать множество операций, таких как чтение, запись и обновление данных, и они часто используются для обеспечения последовательности и надежности изменений в базе данных.
Атомарность - это свойство транзакции, которое гарантирует, что все ее операции рассматриваются как единая, неделимая единица работы. Это означает, что либо все операции в транзакции завершаются успешно, либо ни одна из них. Если какая-либо часть транзакции завершается неудачно или встречает ошибку, вся транзакция откатывается, и все изменения, внесенные в базу данных во время транзакции, отменяются.
Под фиксацией понимается свойство транзакции, которое гарантирует, что после успешного завершения транзакции ее изменения будут навсегда сохранены в базе данных. После фиксации транзакции ее изменения не могут быть отменены или откатаны. Фиксация обычно реализуется с помощью оператора фиксации или аналогичного механизма, который сигнализирует о завершении транзакции и заставляет сохранить ее изменения в базе данных.
Сочетание атомарности и фиксации обеспечивает надежность и согласованность транзакций базы данных. Атомарность гарантирует, что транзакции выполняются по принципу "все или ничего", что помогает предотвратить несогласованность или повреждение данных. Приверженность гарантирует, что после успешного завершения транзакции ее изменения являются постоянными и могут быть использованы другими транзакциями или приложениями.
В системах баз данных реализация атомарности и обязательств часто достигается с помощью менеджера транзакций или системы обработки транзакций, которая отвечает за координацию и управление транзакциями. Менеджер транзакций обеспечивает атомарное и последовательное выполнение транзакций и фиксацию изменений в базе данных после их успешного завершения.
Свойства ACID и РСУБД
Свойства ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, and Durability) - это набор характеристик, которые обеспечивают надежность и согласованность транзакций в базе данных. Реляционные системы управления базами данных (RDBMS) разработаны для поддержки свойств ACID, которые имеют решающее значение для правильного функционирования многих приложений и систем, полагающихся на данные.
Атомарность относится к идее о том, что транзакция должна рассматриваться как единая, неделимая единица работы. Это означает, что в случае сбоя любой части транзакции вся транзакция должна быть откатана, а все изменения, внесенные в базу данных во время транзакции, должны быть отменены. Атомарность обеспечивает последовательное и надежное внесение изменений в базу данных без частичных или неполных обновлений.
Согласованность означает, что транзакция должна оставить базу данных в согласованном состоянии, в котором все данные соответствуют установленным правилам и ограничениям. Это означает, что транзакция не должна нарушать никаких ограничений целостности базы данных, таких как уникальные ключи или внешние ключи. Согласованность гарантирует, что база данных остается надежной и точной.
Изоляция относится к идее о том, что несколько транзакций должны иметь возможность выполняться одновременно, не мешая друг другу. Изоляция гарантирует, что последствия одной транзакции не будут видны другим транзакциям до тех пор, пока первая транзакция не будет завершена. Это свойство предотвращает возникновение несогласованности данных и конфликтов, когда несколько транзакций пытаются получить доступ или изменить одни и те же данные одновременно.
Долговечность относится к идее о том, что после фиксации транзакции ее изменения должны быть постоянными и стойкими, даже в случае сбоя системы. Долговечность обычно реализуется с помощью таких методов, как запись в журнал, когда все изменения, сделанные во время транзакции, записываются в файл журнала до того, как они будут применены к базе данных. Это гарантирует, что даже в случае сбоя системы или отключения питания изменения, сделанные во время транзакции, могут быть восстановлены.
Системы РСУБД, такие как MySQL, Oracle и SQL Server, обеспечивают встроенную поддержку свойств ACID, гарантируя надежное и последовательное выполнение транзакций базы данных. Эти свойства помогают обеспечить целостность и надежность базы данных, что делает их подходящими для широкого спектра приложений, которые полагаются на точные и последовательные данные.
Хранимые процедуры и реляционные базы данных
Хранимые процедуры - это программы, хранящиеся в реляционной системе управления базами данных (РСУБД) и выполняемые на стороне сервера. Они используются для выполнения сложных операций над данными, хранящимися в базе данных, и могут вызываться из прикладных программ или непосредственно из системы управления базой данных.
Хранимые процедуры обычно пишутся на языке программирования, который поддерживается системой управления базой данных, например, SQL или PL/SQL. Они компилируются, хранятся в базе данных и могут быть выполнены путем вызова по имени.
Хранимые процедуры обеспечивают несколько преимуществ в среде реляционной базы данных. Одно из преимуществ заключается в том, что они могут повысить производительность за счет уменьшения объема данных, которые необходимо передавать между базой данных и приложением. Это происходит потому, что хранимые процедуры выполняются на стороне сервера, уменьшая сетевой трафик и задержки.
Хранимые процедуры также обеспечивают уровень безопасности и контроля доступа. Они могут использоваться для обеспечения соблюдения бизнес-правил и политики безопасности, а также ограничивать доступ к конфиденциальным данным, позволяя выполнять их только авторизованным пользователям. Кроме того, поскольку хранимые процедуры предварительно компилируются и хранятся в базе данных, они менее уязвимы для атак SQL-инъекций, чем специальные SQL-запросы.
Еще одним преимуществом хранимых процедур является то, что они могут улучшить согласованность и ремонтопригодность базы данных. Инкапсулируя сложную бизнес-логику в хранимую процедуру, разработчики приложений могут гарантировать, что логика будет последовательно применяться во всей базе данных. Кроме того, хранимые процедуры можно обновлять независимо от кода приложения, что упрощает обслуживание и обновление логики базы данных.
В целом, хранимые процедуры обеспечивают ряд преимуществ в среде реляционных баз данных, включая повышенную производительность, безопасность, контроль доступа, согласованность и удобство обслуживания. Они являются мощным инструментом для разработчиков и администраторов баз данных и широко используются в современных системах баз данных.
Блокировка базы данных
Контроль параллелизма - важнейший аспект реляционных систем управления базами данных (РСУБД), который гарантирует, что несколько транзакций, обращающихся к одним и тем же данным, могут выполняться одновременно, не приводя к неправильным результатам. Одним из методов, используемых для достижения контроля параллелизма, является блокировка базы данных, которая включает в себя получение и снятие блокировок с объектов базы данных, таких как таблицы, строки или столбцы.
Блокировка - это механизм, который предотвращает одновременный доступ нескольких транзакций к одним и тем же данным. Когда транзакция запрашивает доступ к определенному объекту базы данных, например, к строке в таблице, она приобретает блокировку на этот объект. Блокировка не позволяет другим транзакциям получить доступ к объекту до тех пор, пока первая транзакция не снимет блокировку. После завершения транзакции блокировка снимается, позволяя другим транзакциям получить доступ к объекту.
В блокировке баз данных существуют две категории: общие и эксклюзивные блокировки. Общие блокировки позволяют нескольким транзакциям читать одни и те же данные одновременно, в то время как эксклюзивные блокировки блокируют доступ других транзакций к данным до тех пор, пока блокировка не будет освобождена. Когда транзакция приобретает эксклюзивную блокировку на объект базы данных, она получает полный контроль над объектом и может изменять его по мере необходимости.
Блокировка базы данных необходима для поддержания согласованности данных в параллельных транзакциях базы данных. Однако она также может привести к проблемам с производительностью, особенно в высококонкурентных средах. Если слишком много транзакций ожидают освобождения блокировок, это может привести к длительному времени ожидания и снижению пропускной способности.
Для решения этой проблемы многие системы РСУБД используют различные методы блокировки, такие как оптимистическая блокировка, которая позволяет нескольким транзакциям одновременно обращаться к одним и тем же данным и разрешает конфликты только тогда, когда они возникают. Другой подход заключается в использовании многоверсионного управления параллелизмом (MVCC), который создает несколько версий данных в базе данных, позволяя нескольким транзакциям читать и изменять данные одновременно без блокировки.
Блокировка базы данных - это критически важная техника для поддержания согласованности в параллельных транзакциях базы данных. Хотя она может привести к проблемам с производительностью, современные системы РСУБД используют различные техники и алгоритмы блокировки для минимизации времени ожидания и улучшения параллелизма.
На что обратить внимание при выборе реляционной базы данных
При выборе реляционной базы данных необходимо учитывать несколько факторов, в том числе:
- Масштабируемость: База данных должна иметь возможность горизонтального и вертикального масштабирования, чтобы удовлетворить растущие объемы данных и пользователей.
- Производительность: База данных должна обеспечивать эффективный доступ к данным, быстрое время отклика на запросы и надежную работу при высоких нагрузках.
- Доступность и надежность: База данных должна обеспечивать высокую доступность и надежность благодаря таким функциям, как репликация, обход отказа, резервное копирование и восстановление.
- Безопасность: База данных должна обеспечивать надежные средства безопасности для защиты данных от несанкционированного доступа, такие как аутентификация, контроль доступа и шифрование.
- Простота использования и управления: База данных должна быть простой в установке, настройке и управлении, с интуитивно понятными интерфейсами и инструментами для мониторинга и администрирования.
- Совместимость: База данных должна быть совместима с языками программирования и фреймворками, используемыми в приложении, и обеспечивать легкую интеграцию с другими системами и приложениями.
- Стоимость: При выборе базы данных следует учитывать общую стоимость владения, включая лицензирование, обслуживание и поддержку.
- Сообщество и экосистема: Наличие процветающего сообщества и экосистемы вокруг базы данных, включая форумы, документацию и инструменты сторонних разработчиков, может быть важным фактором при выборе базы данных.
- Функции и возможности: База данных должна предоставлять полный набор функций и возможностей, включая поддержку транзакций, индексирование и оптимизацию запросов, для удовлетворения требований приложения.
- Поддержка поставщика: Поставщик должен обеспечить своевременную и эффективную поддержку и обслуживание базы данных, а также четкую дорожную карту для будущего развития и усовершенствования.
Выбор реляционной базы данных требует рассмотрения нескольких факторов, включая масштабируемость, производительность, доступность, безопасность, простоту использования, совместимость, стоимость, сообщество, функции и возможности, а также поддержку поставщика. Тщательная оценка этих факторов может помочь выбрать базу данных, которая отвечает требованиям приложения и обеспечивает надежный, эффективный и безопасный доступ к данным.
Краткая история реляционных баз данных
История реляционных баз данных начинается в конце 1960-х годов, когда ученый-компьютерщик по имени Эдгар Кодд предложил концепцию реляционной модели для баз данных. Идея Кодда заключалась в организации данных в таблицы или отношения, каждая из которых состоит из строк и столбцов, причем каждая строка представляет собой уникальную запись, а каждый столбец - атрибут данных. Он также предложил набор математических принципов, известных как реляционная алгебра, для манипулирования данными и составления запросов.
В начале 1970-х годов исследователи компании IBM Дональд Чемберлин и Раймонд Бойс разработали язык запросов к реляционным базам данных под названием Structured English Query Language (SEQUEL), позже переименованный в SQL. SQL стал стандартным языком для реляционных баз данных и широко используется по сей день.
В конце 1970-х - начале 1980-х годов было разработано несколько коммерческих систем реляционных баз данных, включая System R компании IBM, Oracle и Ingres. Эти базы данных реализовывали реляционную модель и предоставляли такие возможности, как поддержка транзакций, индексирование и оптимизация запросов.
В 1990-х годах популярность реляционных баз данных продолжала расти с появлением клиент-серверных вычислений и Интернета. Реляционные базы данных обеспечивают надежную и масштабируемую платформу для хранения и поиска данных, поддерживая различные приложения - от финансовых систем до сайтов электронной коммерции.
В начале 2000-х годов развитие программного обеспечения с открытым исходным кодом привело к созданию нескольких популярных реляционных баз данных с открытым исходным кодом, включая MySQL, PostgreSQL и SQLite. Эти базы данных стали экономически эффективной альтернативой коммерческим базам данных и получили широкое распространение среди разработчиков и организаций.
Сегодня реляционные базы данных остаются наиболее широко используемым типом баз данных с новыми функциями и возможностями, такими как распределенные вычисления, облачная интеграция и поддержка машинного обучения. Несмотря на появление других типов баз данных, таких как NoSQL и графовые базы данных, реляционные базы данных остаются важнейшей частью инфраструктуры данных для многих организаций.
Заключение
В заключение следует отметить, что реляционная база данных - это мощный инструмент для управления большими объемами данных в структурированном и организованном виде. Используя таблицы со строками и столбцами и устанавливая связи между ними, реляционная база данных может эффективно хранить и извлекать информацию для различных приложений. Использование SQL в качестве стандартного языка для управления реляционными базами данных облегчило разработчикам и пользователям взаимодействие с данными и манипулирование ими. С постоянным ростом числа приложений, управляемых данными, важность понимания и использования реляционных баз данных будет только возрастать. Будь вы программистом, аналитиком данных или просто человеком, желающим более эффективно управлять своей информацией, изучение реляционных баз данных может стать ценным вложением вашего времени и усилий.
ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ
Что такое реляционная база данных?
Реляционная база данных - это тип базы данных, которая организует данные в одну или несколько таблиц или отношений на основе определенного набора правил. Таблицы связаны между собой общим полем или ключом, что позволяет пользователям легко получать доступ к данным и манипулировать ими.
Каковы преимущества использования реляционной базы данных?
Преимущества использования реляционной базы данных включают в себя:
- согласованность и точность данных
- Целостность и безопасность данных
- Гибкость и масштабируемость
- Простота извлечения данных и манипулирования ими
- Простота запросов к данным и составления отчетов
Каковы компоненты реляционной базы данных?
Компоненты реляционной базы данных включают:
- Таблицы или отношения
- Поля или столбцы
- Строки или записи
- Ключи
Какие типы ключей используются в реляционной базе данных?
Типы ключей, используемых в реляционной базе данных, включают:
- Первичный ключ
- Внешний ключ
- ключ-кандидат
- составной ключ
Что такое первичный ключ?
Первичный ключ - это уникальный идентификатор для каждой строки или записи в таблице. Он используется для обеспечения целостности данных и для связи данных в нескольких таблицах.
Что такое внешний ключ?
Внешний ключ - это поле в таблице, которое ссылается на первичный ключ в другой таблице. Он используется для установления взаимосвязей между таблицами.
Что такое ключ-кандидат?
Ключ-кандидат - это уникальный идентификатор для каждой строки или записи в таблице. Он используется для определения первичного ключа таблицы.
Что такое составной ключ?
Составной ключ - это комбинация двух или более полей, которые вместе служат уникальным идентификатором для каждой строки или записи в таблице.
Что такое нормализация в реляционных базах данных?
Нормализация - это процесс организации данных в базе данных для уменьшения избыточности и улучшения целостности данных. Он включает в себя разбиение больших таблиц на более мелкие, более специализированные таблицы и установление связей между ними.
Что такое денормализация в реляционных базах данных?
Денормализация - это добавление избыточных данных в базу данных для повышения производительности. Она включает дублирование данных в нескольких таблицах, чтобы избежать дорогостоящих объединений и запросов.
Каковы некоторые примеры систем управления реляционными базами данных (RDBMS)?
Примеры систем управления реляционными базами данных включают:
- Oracle
- MySQL
- Microsoft SQL Server
- PostgreSQL
- IBM DB2
- SQLite
Что такое язык структурированных запросов (SQL)?
Язык структурированных запросов (SQL) - это язык программирования, используемый для взаимодействия с реляционными базами данных. Он используется для создания, изменения и получения данных из баз данных.
