База данных

База данных (БД) — это организованное электронное хранилище структурированных данных. Оно предназначено для эффективного хранения, управления и извлечения информации. Базы данных являются важным инструментом, поскольку помогают решать широкий спектр задач.

Зачем нужны базы данных

Чем управление базами данных отличается от управления электронными таблицами

Свойства базы данных

Типы баз данных

Примеры использования баз данных

Популярные СУБД

Зачем нужны базы данных

Базы данных используются в следующих целях:

• хранение информации. Позволяют надежно хранить большие объемы данных в упорядоченном виде. Например, это могут быть клиентские данные, заказы, товары или статистика;
• управление данными. С помощью БД можно легко добавлять, удалять, изменять и находить нужную информацию. Это особенно важно для бизнеса, где данные часто обновляются;
• обеспечение быстрого доступа к данным. Современные базы данных оптимизированы для быстрого поиска и обработки информации, что особенно важно при работе с большими массивами данных;
• анализ данных. Позволяют анализировать хранящуюся информацию для принятия обоснованных решений. Например, можно строить отчеты, находить тренды или делать прогнозы;
• управление связями между данными. В реляционных базах данных можно устанавливать связи между таблицами, что помогает организовать информацию логически. Например, можно связать таблицы клиентов и заказов через ключи, такие как идентификатор клиента;
• обеспечение безопасности данных. БД поддерживают системы аутентификации и авторизации, которые защищают данные от несанкционированного доступа;
• масштабирование. Они могут легко масштабироваться, позволяя управлять увеличивающимся объемом данных без потери производительности;
• автоматизация процессов. Базы данных используются для автоматизации бизнес-процессов: управления запасами, обработки заявок, отправки уведомлений и других задач.

Чем управление базами данных отличается от управления электронными таблицами

Управление БД и электронными таблицами используются для хранения и обработки данных, но различается по многим аспектам, таким как возможности, подходы и области применения.

1. Структура данных:

• базы данных. Имеют строгую и сложную структуру, где информация организуется в таблицы с определенными типами данных, связями между таблицами, например реляционные БД;
• электронные таблицы. Представляют собой двумерные структуры (строки и столбцы) с менее строгими правилами организации данных. Они часто вводятся вручную, без строгой проверки типов или связей. К примеру, один лист используется для клиентов, другой для заказов, но связи между ними нужно создавать вручную.

2. Объем данных:

• базы данных. Разработаны для работы с большими объемами информации и позволяют обрабатывать миллионы записей без потери производительности;
• электронные таблицы. Ограниченный объем данных (в зависимости от инструмента, например Excel или Google Таблицы). При больших объемах таблицы становятся медленными и сложными в управлении.

3. Многопользовательский доступ:

• базы данных. Поддерживают одновременную работу большого числа пользователей с различными уровнями доступа, например администраторы, редакторы, только для чтения. Например, в интернет-магазине менеджеры и аналитики могут работать с одной БД в реальном времени;
• электронные таблицы. Обычно ограничены несколькими пользователями, и одновременное редактирование часто приводит к конфликтам.

4. Управление связями между данными:

• базы данных. Реляционные БД позволяют создавать и управлять сложными связями между таблицами, например «один ко многим» или «многие ко многим». К примеру, один клиент может иметь несколько заказов, которые хранятся в разных таблицах, но связаны через уникальный идентификатор;
• электронные таблицы. Связи нужно создавать вручную через формулы, что требует больше времени и усилий и не всегда гарантирует надежность.

5. Функционал для автоматизации:

• базы данных. Поддерживают сложные запросы (SQL), триггеры, процедуры и функции для автоматизации обработки данных. Например, автоматическая отправка уведомления, если уровень запаса товара ниже определенного;
• электронные таблицы. Имеют ограниченные возможности автоматизации, такие как макросы или встроенные формулы. Однако их функционал гораздо менее гибкий.

6. Безопасность:

• базы данных. Предлагают встроенные инструменты для управления доступом, шифрования данных и резервного копирования. К примеру, администратор может настроить доступ так, чтобы бухгалтер видел только финансовые данные, а менеджер — только заказы;
• электронные таблицы. Могут быть защищены паролем, но в целом менее надежны с точки зрения безопасности.

7. Масштабируемость:

• базы данных. Легко масштабируются (можно добавлять новые таблицы, связи и интеграции). Например, подключение API для синхронизации с другими системами;
• электронные таблицы. При добавлении большого количества данных или усложнении структуры становятся трудноуправляемыми.

Таким образом, электронные таблицы подходят для небольших наборов данных, быстрой визуализации и выполнения простых расчетов или временных проектов, а БД — для управления большими объемами данных, создания систем с постоянным доступом (например, CRM, ERP), организации сложных данных с множеством связей.

Свойства базы данных 

Главные свойства базы данных включают:

• целостность. Обеспечивает точность и непротиворечивость данных, включает проверки и ограничения для предотвращения ввода некорректных данных;
• согласованность. Гарантирует, что данные остаются в согласованном состоянии после любой операции, важна для поддержания логической связи между различными частями БД;
• безопасность. Контроль доступа к данным, шифрование конфиденциальной информации, аудит действий пользователей;
• независимость данных. Логическая (изменения в их структуре не влияют на приложения) и физическая (изменения в физическом хранении не влияют на логическую структуру);
• многопользовательский доступ. Позволяет нескольким пользователям одновременно работать с данными, управляет через систему управления базами данных (СУБД) конкурентным доступом для предотвращения конфликтов;
• масштабируемость. Способность эффективно обрабатывать растущие объемы данных, возможность горизонтального или вертикального масштабирования;
• интегрированность. Позволяет интегрировать данные из различных источников, создавая единое информационное пространство;
• доступность. БД доступны для пользователей через различные интерфейсы: графические, командные строки, веб-интерфейсы и другие;
• производительность. Быстрый поиск, извлечение и обработка данных благодаря индексам и оптимизированным алгоритмам;
• надежность. Устойчивость к сбоям и ошибкам, механизмы резервного копирования и восстановления;
• нормализация. Организация данных для минимизации избыточности, улучшение целостности и эффективности использования пространства;
• поддержка транзакций. Обеспечивает атомарность, согласованность, изолированность и долговечность (ACID) операций;
• возможность репликации. Позволяет создавать копии базы данных на других серверах для повышения отказоустойчивости и производительности;
• распределенность. Разделяет данные БД по нескольким физическим серверам, что позволяет повысить масштабируемость и доступность.

Типы баз данных 

Вот основные типы баз данных:

1. Реляционные. Организуют данные в таблицы со связями между ними, используют SQL для управления данными. Применяются в бухгалтерских и CRM-системах, интернет-магазинах, банковских приложениях. Например, MySQL, PostgreSQL, Oracle, Microsoft SQL Server;

2. Нереляционные (NoSQL). Предназначены для неструктурированных данных, таких как тексты, изображения и видео, и большой масштабируемости. Применяются в соцсетях, аналитике Big Data, интернете вещей (IoT), геопространственных приложениях. К ним относятся:

• документоориентированные. Хранят данные в формате JSON или BSON (MongoDB, CouchDB);
• столбцовые (колоничные). Хранят данные по столбцам, оптимизированы для аналитических задач (Cassandra, HBase);
• графовые. Представляют данные в виде графов, где узлы — это объекты, а ребра — отношения между ними (Neo4j, Amazon Neptune);
• ключ-значение. Хранят данные в парах ключ-значение (Redis, Amazon DynamoDB, Memcached);

3. Объектно-ориентированные. Хранят данные в виде объектов. К примеру, ObjectDB;

4. Иерархические. Организуют данные в древовидную структуру. Например, IBM Information Management System (IMS);

5. Сетевые. Позволяют каждой записи иметь множество родительских и дочерних записей. Пример: Integrated Data Store (IDS);

6. Временные. Оптимизированы для хранения и запроса данных, изменяющихся во времени. InfluxDB;

7. In-memory. Хранят данные в оперативной памяти для быстрого доступа. Redis, Memcached;

8. Пространственные. Оптимизированы для хранения и запроса пространственных данных. PostGIS (расширение для PostgreSQL);

9. Мультимодельные. Поддерживают несколько моделей данных в единой интегрированной серверной платформе. ArangoDB.

Примеры использования баз данных 

БД используются в следующих сферах:

• маркетинг. Анализ продаж, поведение клиентов, таргетированная реклама;
• бизнес и финансы. Системы управления взаимоотношениями с клиентами (CRM), бухгалтерский учет и финансовая отчетность, управление запасами и цепочками поставок;
• розничная торговля. Системы управления товарными запасами, программы лояльности клиентов, анализ покупательского поведения;
• интернет-магазины. Информация о товарах, клиентах, заказах, истории покупок;
• социальные сети. Хранение профилей пользователей, управление связями между ними, анализ активности;
• транспорт и логистика. Системы бронирования билетов, отслеживание грузов, оптимизация маршрутов;
• производство. Управление производственными процессами, контроль качества, планирование ресурсов предприятия;
• банковское дело. Управление счетами клиентов, системы обнаружения мошенничества, обработка транзакций;
• телекоммуникации. Биллинговые системы, управление сетевой инфраструктурой, хранение данных о вызовах и сообщениях;
• здравоохранение. Электронные медицинские карты пациентов, системы управления больницами, базы данных лекарственных препаратов;
• образование. Системы управления обучением (LMS), базы данных студентов и их успеваемости, библиотечные каталоги;
• наука и исследования. Геномные базы данных, астрономические каталоги, климатические данные;
• развлечения. Стриминговые сервисы (каталоги фильмов и музыки), системы продажи билетов на мероприятия, игры;
• блокчейн. Распределенные базы данных для криптовалют и смарт-контрактов;
• государственный сектор. Базы данных налогоплательщиков, системы регистрации транспортных средств, БД переписи населения.

Популярные СУБД

СУБД — это программные инструменты, которые позволяют пользователям взаимодействовать с базами данных. Они выполняют роль менеджеров, которые управляют БД и обрабатывают запросы на их языке программирования. 

Рассмотрим наиболее популярные СУБД.

1. Oracle. Объектно-реляционная СУБД, разработанная одноименной компанией, которая является лидером рынка.

Преимущества:

• простая установка и настройка;
• возможность масштабировать функционал;
• высокая надежность и удобство использования.

Недостаток: высокая стоимость лицензии, поэтому Oracle чаще выбирают крупные корпорации.

2. MySQL. Реляционная СУБД с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям вносить изменения, устранять ошибки и разрабатывать собственные версии программного обеспечения.

Преимущества:

• бесплатная;
• быстрая и гибкая;
• подходит для работы с таблицами различных типов.

3. Microsoft SQL Server. Оптимальное решение для работы на Windows, хотя также совместима с Linux.

Преимущества:

• легко интегрируется с другими продуктами Microsoft;
• простая в использовании.

Недостатки: 

• высокая стоимость лицензии;
• значительное потребление ресурсов системы.

4. PostgreSQL. Объектно-реляционная СУБД, часто используемая для создания сайтов, онлайн-сервисов и платформ.

Преимущества:

• бесплатна;
• поддерживает множество языков программирования;
• лицензия позволяет разрабатывать расширенные версии для коммерческого использования.

5. Apache Cassandra. Нереляционная СУБД, созданная на языке Java и поддерживаемая фондом Apache Software Foundation.

Особенности:

• использует модели хранения «ключ-значение» и семейства столбцов;
• может распределять данные между несколькими дата-центрами;
• легко масштабируется при увеличении объема информации.

6. Redis. NoSQL СУБД, работающая по модели «ключ-значение». Написана на языках C и C++.

Особенности:

• оптимизирована для быстрого выполнения атомарных операций, например записи и чтения постоянно изменяющихся данных;
• широко используется для приложений с высокими требованиями к производительности.