Структура данных и система запросов на примерах баз данных различного назначения кратко

Обновлено: 05.07.2024

Любые данные где-то хранятся. Будь это интернет вещей или пароли в *nix. Показываем схемы основных типов баз данных, чтобы наглядно представить различия между ними.

Типы баз данных, называемых также моделями БД или семействами БД, представляют собой шаблоны и структуры, используемые для организации данных в системе управления базами данных (СУБД). Выбор типа повлияет на то, какие операции сможет выполнять приложение, как будут представлены данные, на функции СУБД для разработки и рантайма.

Начнём с трёх типов БД, которые всё ещё могут встречаться в специализированных средах, но в основном заменены надежными и производительными альтернативами.

1. Простые структуры данных

Первый и простейший способ хранения данных – текстовые файлы. Метод применяется и сегодня для работы с небольшими объёмами информации. Для разделения полей используется специальный символ: запятая или точка с запятой в csv-файлах датасетов, двоеточие или пробел в *nix-подобных системах:

/etc/passwd в *nix системе

ограничен тип и уровень сложности хранимой информации;
трудно установить связи между компонентами данных;
отсутствие функций параллелизма;
практичны только для систем с небольшими требованиями к чтению и записи;
используются для хранения конфигурационных данных;
нет необходимости в стороннем программном обеспечении.

/etc/passwd и /etc/fstab в *nix-системах
csv-файлы

2. Иерархические базы данных

Пример построения иерархических связей

3. Сетевые базы данных

Сетевые базы данных расширяют функциональность иерархических: записи могут иметь более одного родителя. А значит, можно моделировать сложные отношения.

Пример связей в сетевой базе данных

сетевые базы данных представляются не деревом, а общим графом
ограничены теми же шаблонами доступа, что иерархические БД

4. SQL базы данных

Реляционные базы данных – старейший тип до сих пор широко используемых БД общего назначения. Данные и связи между данными организованы с помощью таблиц. Каждый столбец в таблице имеет имя и тип. Каждая строка представляет отдельную запись или элемент данных в таблице, который содержит значения для каждого из столбцов.

поле в таблице, называемое внешним ключом, может содержать ссылки на столбцы в других таблицах, что позволяет их соединять;
высокоорганизованная структура и гибкость делает реляционные БД мощными и адаптируемыми ко различным типам данных;
для доступа к данным используется язык структурированных запросов (SQL);
надёжный выбор для многих приложений.

хранилища обеспечивают быстрый и малозатратный доступ;
часто хранят данные конфигураций и информацию о состоянии данных, представленных словарями или хэшем;
нет жёсткой схемы отношения между данными, поэтому в таких БД часто хранят одновременно различные типы данных;
разработчик отвечает за определение схемы именования ключей и за то, чтобы значение имело соответствующий тип/формат.

6. Документная база данных

база данных не предписывает опредёленный формат или схему;
каждый документ может иметь свою внутреннюю структуру;
документные БД являются хорошим выбором для быстрой разработки;
в любой момент можно менять свойства данных, не изменяя структуру или сами данные.

7. Графовая база данных

Вместо сопоставления связей с таблицами и внешними ключами, графовые базы данных устанавливают связи, используя узлы, рёбра и свойства.

Графовые базы представляют данные в виде отдельных узлов, которые могут иметь любое количество связанных с ними свойств.

выглядят аналогично сетевым;
фокусируются на связях между элементами;
явно отображает связи между типами данных;
не требуют пошагового обхода для перемещения между элементами;
нет ограничений в типах представляемых связей.

8. Колоночные базы данных

Колоночные базы данных (также нереляционные колоночные хранилища или базы данных с широкими столбцами) принадлежат к семейству NoSQL БД, но внешне похож на реляционные БД. Как и реляционные, колоночные БД хранят данные, используя строки и столбцы, но с иной связью между элементами.

БД удобны при работе с приложениями, требующими высокой производительности;
данные и метаданные записи доступны по одному идентификатору;
гарантировано размещение всех данных из строки в одном кластере, что упрощает сегментацию и масштабирование данных.

9. Базы данных временных рядов

Базы данных временны́х рядов созданы для сбора и управления элементами, меняющимися с течением времени. Большинство таких БД организованы в структуры, которые записывают значения для одного элемента. Например, можно создать таблицу для отслеживания температуры процессора. Внутри каждое значение будет состоять из временной метки и показателя температуры. В таблице может быть несколько метрик.

ориентированы на запись;
предназначены для обработки постоянного потока входных данных;
производительность зависит от количества отслеживаемых элементов, интервала опроса между записью новых значений и фактической полезной нагрузки данных.

NewSQL и многомодельные БД являются разными типами баз данных, но решают одну группу проблем, вызванных полярными подходами SQL или NoSQL-стратегии. Почему бы не объединить преимущества обеих групп?

10. NewSQL базы данных

NewSQL базы данных наследуют реляционную структуру и семантику, но построены с использованием более современных, масштабируемых конструкций. Цель – обеспечить большую масштабируемость, нежели реляционные БД, и более высокие гарантии согласованности, чем в NoSQL. Компромисс между согласованностью и доступностью является фундаментальной проблемой распределённых баз данных, описываемой теоремой CAP.

возможность горизонтального масштабирования;
высокая доступность;
большая производительность и репликация;
небольшой функционал и гибкость;
немалое потребление ресурсов и необходимость специализированных знаний для работы с базой данных.

11. Многомодельные базы данных

Многомодельные базы данных – базы, объединяющие функциональные возможности нескольких видов БД. Преимущества такого подхода очевидны – одна и та же система может использовать различные представления для разных типов данных.

Совместное размещение данных из нескольких типов БД в одной системе позволяет выполнять новые операции, которые в противном случае были бы затруднены или невозможны. Например, многомодельные базы могут позволить юзерам получить доступ к данным, хранящимся в разных типах БД, и управлять ими в рамках одного запроса, а также поддерживают согласованность данных при выполнении операций, изменяющих информацию сразу в нескольких системах.

помогают уменьшить нагрузку на СУБД;
позволяют расширяться до новых моделей по мере изменения потребностей без внесения изменений в базовую инфраструктуру;
обеспечивают непрерывный доступ и простое распределение данных;
имеют линейную масштабируемость и просты для разработки.

Заключение

Изменение типов хранимых данных, требования к скорости и производительности привели и к продолжающемуся расширению типов баз данных. При этом каждый из них продолжает быть нужным в своей нише, где взаимосвязи между данными ассоциируются с определенной схемой строения базы данных.

В современном мире сложность информации постоянно возрастает. Для автоматизации хранения и поиска необходимой информации создаются и используются базы данных. Технология работы с базами данных является одной из перспективных компьютерных технологий.

Например, телефонный справочник является базой данных, в которой хранится информация об организациях (адрес, телефон и т. д.). Библиотечный каталог является базой данных, которая хранит информацию о книгах (название, автор, год издания и т. д.).

Каждая база данных хранит информацию о большом количестве объектов одинакового типа (организациях, людях, книгах и т. д.). Объекты одного типа обладают одинаковым набором свойств, поэтому база данных хранит для каждого объекта значения этих свойств.

Таким образом, базы данных (БД) − это взаимосвязанные и организованные определенным образом данные, отображающие состояние объектов и отношений между ними в определенной предметной области.

Под системой управления базами данных (СУБД) понимается совокупность программных и языковых средств, предназначенных для создания и обработки баз данных.

Следует четко различать БД, которые представляют собой структурированные и упорядоченные особым образом данные, и СУБД - программы, управляющие обработкой и хранением данных.

В настоящее время специалистами разработаны около сотни разных СУБД. Все они могут быть разделены на две большие группы: настольные и серверные.

Настольные СУБД ориентированы на обслуживание одного пользователя, работающего на определенном компьютере с базами данных в каждый реальный момент времени. К настольным СУБД относятся: Microsoft Access, Paradox, dBase.

Мы будем рассматривать СУБД Microsoft Access.

Табличная форма представления баз данных. Базы данных удобно представлять в виде таблицы. В каждой строке таблицы размещаются значения свойств одного объекта, а каждый столбец таблицы хранит значения определенного свойства всех объектов. Например, в базе данных "Записная книжка" в каждой строке таблицы содержится информация об определенном человеке, а значения его "свойств": "№", "Фамилия", "Телефон", "E-mail" хранятся в различных столбцах (табл. 1).

Столбцы табличной базы данных называют полями. Каждое поле имеет имя и может хранить данные определенного типа (текст, число, дата/время и т. д.). В базе данных "Записная книжка" полями являются "№" (число), "Фамилия", "Телефон" и "E-mail" (текст).

Строки таблицы называются записями (т. е. это записи об объекте). Запись хранит набор значений, содержащихся в полях базы данных. Записи могут нумероваться с использованием счетчика (поле "№").

Достоинством табличного представления базы данных является возможность видеть одновременно несколько записей. Однако если база данных содержит много полей, а значения полей содержат много символов, то не очень удобно осуществлять ввод, просмотр и редактирование записей.

Запросы — это объект базы данных, который служит для извлечения данных из таблиц и предоставления их пользователю в удобном виде. Особенность запросов состоит в том, что они черпают данные из базовых таблиц и создают на их основе временную таблицу. Применение запросов позволяет избежать дублирования данных в таблицах и обеспечивает максимальную гибкость при поиске и отображении данных в базе данных.

Все запросы делятся на две группы: запросы-выборки, запросы-действия.

Запросы-выборки осуществляют выборку данных из таблиц в соответствии с заданными условиями. К этой группе запросов относятся следующие.

· Запрос к связанным таблицам — позволяет производить выборку данных из связанных таблиц.

· Перекрестный запрос — отображает итоговые данные с группировкой их по горизонтали и вертикали, выводя результаты их обработки в виде таблиц.

· Запрос с параметром — позволяет пользователю задать критерий отбора, введя нужный параметр при вызове запроса.

· Запрос с вычисляемым полем — позволяет рассчитать данные на основе других полей из той же строки запроса.

· Запрос с критерием поиска — позволяет производить отбор записей в соответствии с заданным критерием поиска.

· Запрос с итогами — производит математические вычисления и выдает результат.

Запросы-действия позволяют модифицировать данные в таблицах: удалять, обновлять, добавлять записи. К этой группе запросов относятся следующие.

· Запросы на создание таблицы создают таблицы на основании данных, содержащихся в результирующем множестве запроса.

· Запросы на добавление записей позволяют добавлять в таблицу записи, создаваемые запросом.

· Запросы на обновление изменяют значения существующих полей в соответствии с заданным критерием.

· Запросы на удаление удаляют записи из одной или нескольких таблиц одновременно.

В Access можно создавать запросы при помощи Мастера запросов и с помощью Конструктора.

Запросы могут быть созданы на основе одной или нескольких таблиц. Многотабличные запросы позволяют получить информацию из нескольких предварительно связанных между собой таблиц.

Табличный процессор Excel позволяет обрабатывать табличные данные. Существуют специальные системы или приложения, которые решают иные классы задач. К ним относят программы, предназначенные для хранения информации и выдачи данных в соответствии с запросом пользователя.

Основным понятием для данного спектра задач является база данных в виде файла или группы файлов со стандартной структурой. С их помощью обеспечивается хранение данных.

База данных представляет собой комплекс массивов и файлов данных, организованный согласно определенным правилам, который предполагает применение стандартных принципов для описания, хранения и обработки данных любого типа.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

База данных является совокупностью организованной информации, имеющей отношение к конкретной предметной области. Информация хранится во внешней системной памяти компьютера и рассчитана на постоянное применение. Ключевое свойство базы данных заключается в независимости данных от программы, которая эту информацию использует. Стандартные задачи, требующие решения при работе с базой данных:

формирование базы;
запись информации в базу;
корректировка данных;
выборка данных из базы в соответствии с запросом пользователя.

Необходимость в применении баз данных возникла по причине накопления больших объемов информации одного типа, которую требовалось оперативно использовать. Главное требование к базам данных заключается в обеспечении удобного доступа к информации, возможности получать ответ по запросу в течение короткого времени, умения оперативно использовать данные. Принципы формирования информации в базах данных:

непротиворечивость;
не избыточность;
целостность.

Реляционную модель баз данных предложил Эдгар Кодд в конце 70-х годов. Она являлась набором таблиц, которые были связаны друг с другом отношениями. Такая модель отличалась простотой, гибкостью, обладала возможностями для описания сложно структурированных данных.

Основные понятия

Важным понятием, которое связано с базой данных, является программа для работы с ней. Программа для работы с базой данных должна быть способной обеспечить решение необходимого спектра задач из стандартного перечня.

Реляционные базы данных состоят из связанных таблиц.

Таблица является двумерным массивом, необходимым для хранения данных.

В таблице столбцы представляют собой поля, а строки – записи. Число полей строго определено, а количество записей может быть любым. Таблица является нефиксированным массивом записей, которые имеют одинаковую структуру полей в каждой записи. Добавление новой записи выполняется оперативно. Создание нового поля сопровождается реструктуризацией всех таблицы и сопровождается определенными трудностями.

Примеры значений полей:

Местом хранения таблиц является жесткий диск. Одной таблице соответствуют, как правило, несколько файлов, один из которых является основным, а другие – вспомогательными. Особенности организации таблиц определяются используемым форматом, например:

dBase;
Paradox;
InterBase;
Microsoft Access.

Ключом называют поле или комбинацию полей таблицы, значения которых однозначно определяют запись.

При наличии значений ключевых полей представляется возможным однозначно получить доступ к необходимой записи. Сохраняя значения ключа в выбранные поля подчиненной таблицы и создавая ссылку, пользователь обеспечивает связь двух записей:

запись в ключевой таблице;
запись в подчиненной таблице.

Одна запись подчиненной таблицы допускает наличие нескольких ссылок на записи ключевой таблицы. Помимо связывания, ключи обеспечивают прямой доступ к записям, ускоряют работу с таблицей.

Индекс представляет собой поле, специально определенное в таблице, с данными, которые могут повторяться.

С помощью индексов ускоряют доступ к данным. Кроме того, с их помощью сортируют выборки.

Нормальными называют формы, предназначенные для автоматизации процесса создания баз данных.

При разработке баз вручную, проектировщику необходимо составить структуру, спланировать необходимые таблицы. С помощью нормальных форм можно фактически формализовать интуитивно понятные требования к организации данных, что позволяет исключить избыточное дублирование информации.

Первая нормальная форма:

неделимая информация в полях;
отсутствие повторений групп полей в таблице.

Вторая нормальная форма:

выполнение первой формы;
однозначная идентификация любого неключевого поля с помощью ключевых полей.

Третья нормальная форма:

выполнение второй формы;
однозначная идентификация неключевых полей исключительно ключевыми полями.

Способы доступа определяют, каким образом с технической точки зрения выполняются операции с записями.

Способы доступа определяет программист, разрабатывая приложения. В основе навигационного метода лежит обработка необходимых записей по одной. Как правило, такой способ применяют в случае работы с небольшими локальными таблицами. Реляционные метод базируется на одновременной обработке набора записей с помощью SQL-запросов. Такой способ целесообразно применять для больших удаленных баз данных.

Транзакции – определяют степень надежности реализации операций относительно сбоев.

Транзакция объединяет в себе последовательность действий, которая либо выполняется целиком, либо не выполняется вовсе. При возникновении сбоя результаты всех операций, включенных в транзакцию, будут отменены. Такой подход гарантирует корректность базы данных во время технических сбоев.

Бизнес-правила – такие правила, которыми определено проведение операций, являются механизмами управления базами данных.

Заданные определенные ограничения в значениях полей способствуют поддержанию корректности базы.

Признаки БД, чем отличаются от электронных таблиц

Любая база данных обладает набором стандартных признаков. Основными из них являются:

хранение и обработка в вычислительной системе;
логическая структура;
наличие схемы или метаданных, которые описывают логическую структуру базы в формальном виде.

Первый признак соблюдается строго, остальные могут трактоваться по-разному и иметь неодинаковые степени оценки. Согласно общепринятой практике, к базам данных не относят файловые архивы, интернет-порталы или электронные таблицы.

Рассмотреть базу данных целесообразно на примере Access. Это специальное приложение, в котором хранятся упорядоченные данные, что допускает применение и других приложений (к примеру, Excel). В обоих случаях информация представлена в табличном виде.

Excel включает особые средства, позволяющие работать с упорядоченными данными, позволяет формировать простые базы данных. При внешнем сходстве приложения обладают рядом отличий:

Вывод: Excel целесообразно использовать для создания компактных баз данных, которые могут поместиться на одном рабочем листе. Excel обладает рядом значительных ограничений для ведения полноценной базы данных, но может успешно использоваться для анализа данных благодаря достаточному математическому аппарату.

Виды баз данных и их структура, примеры

Выделяют несколько видов баз данных. Основными из них являются:

Фактографическая, с краткой информацией об объектах какой-то системы, формат которой строго фиксирован.
Документальная, включает документы разного вида, в том числе текстовые, графические, звуковые, мультимедийные.
Распределенная, является базой данных с разными частями, которые хранятся на различных компьютерах, объединенных в сеть.
Централизованная, представляет собой базу данных, местом хранения которой является один компьютер.
Реляционная, имеет табличную организацию данных.
Неструктурированная (NoSQL), является базой данных, в которой делается попытка решить проблемы масштабируемости и доступности с помощью атомарности и согласованности данных без четкой структуры.

Базы данных разных систем обладают неодинаковой структурой. Для ПЭВМ характерно использование реляционных баз данных с файлами в виде таблиц, в которых столбцы являются полями, а строки – записями. В базе данных находятся данные определенного множества объектов. Для каждой записи характерна информация по одному объекту. Такую базу определяют:

имя файла;
список полей;
ширина полей.

Запрос к базе данных – предписание с указанием на данные, которые необходимы пользователю.

В случае некоторых запросов требуется составление сложной программы. К примеру, для выполнения запроса к базе в виде автобусного расписания необходимо вычислить разницу в среднем интервале отправления транспорта из одного города во второй и из второго пункта в третий.

Существует три звена для создания приложения, с помощью которого можно просматривать и редактировать базы данных:

набор данных;
источник информации;
визуальные компоненты управления.

В случае Access роль таких звеньев выполняют:

Приложения базы данных является нитью, которая связывает базу и пользователя:

БД => набор данных –=> источник данных => визуальные компоненты => пользователь

Table, в виде таблицы, навигационного доступа;
Query, включая запрос, реляционный доступ.

Визуальными компонентами являются:

Сетки DBGrid, DBCtrlGrid.
Навигатор DBNavigator.
Разные аналоги Lable, Edit.
Компоненты подстановки.

Access характеризуется наличием следующих типов полей:

Благодаря связи с обеспечением целостности таблиц осуществляется контроль удаления и модификации данных. С помощью монопольного доступа к базам данных в них производят фундаментальные изменения.

Что такое СУБД и язык структурированных запросов SQL

Системы управления базами данных СУБД – специальные средства, включающие определенный язык программирования, предназначены для разработки программ или их систем, работающих с базами данных.

Oracle Database;
MS SQL Server;
MySQL (MariaDB);
ACCESS в составе профессионального пакета Microsoft Office.

Современные системы обладают большими возможностями, а также способствуют разработке сложных программных комплексов.

SQL (SQL, Structured Query Language) — язык программирования структурированных запросов, применяемый в качестве эффективного способа сохранения данных, поиска их частей, обновления, извлечения из базы и удаления.

SQL представляет собой ключевой инструмент оптимизации и обслуживания базы данных. Возможности обработки охватывают:

команды определения представлений;
указания прав доступа, схем отношений;
взаимодействие с другими языками программирования;
проверку целостности;
задание начала и завершения транзакций.

SQL отличается простотой и легкостью в изучении. Его применяют:

разработчики баз данных, для обеспечения функциональности приложений;
тестировщики, в ручном и автоматическом режиме;
администраторы, с целью поддержки рабочих параметров среды.

Язык отличается универсальностью. Его структура четко определена благодаря устоявшимся стандартам. Даже в случае больших объемов данных (Big Data) обеспечивается оперативное взаимодействие с базами.

Читайте также: