Реляционные базы данных: что это и для чего

• Структура реляционных БД
• Принципы работы реляционных БД
• Преимущества реляционной БД
• Где используют реляционные БД
• Реляционные vs. нереляционные БД
• Когда использовать реляционные базы данных
• Популярные реляционные СУБД
• Заключение

Реляционная база данных — это тип базы данных, который хранит и организует данные в виде связанных между собой таблиц. 

В ней каждая таблица состоит из строк (записей) и столбцов (атрибутов). Каждая строка соответствует отдельной записи и обычно имеет уникальный идентификатор — ключ. Столбцы содержат свойства или характеристики данных, а значения в строках — конкретные данные для каждого атрибута.

Структура реляционных БД 

В основе реляционных баз данных лежит четкое разделение между логической и физической структурой хранения данных. 

Логическая структура включает:

• Таблицы — основные объекты для хранения данных в виде строк и столбцов.
• Представления — виртуальные таблицы, которые формируются на основе запросов к реальным таблицам и позволяют отображать только нужные данные.
• Индексы — специальные структуры, которые ускоряют поиск и сортировку данных.

Физическая структура же определяет, как данные фактически хранятся на диске, например, в каких файлах и каталогах. 

Логическая и физическая структуры независимы друг от друга: администраторы могут изменять физическое размещение данных (например, перемещать или переименовывать файлы), не затрагивая логику работы с таблицами, представлениями и индексами.

Отдельно стоит отметить, что в реляционных СУБД логические и физические операции также разделены:

• Логические операции позволяют приложениям описывать, какие данные нужны (например, запросить все заказы определенного клиента).
• Физические операции определяют, как эти данные будут найдены и получены из физического хранилища (например, каким образом использовать индексы или сканировать таблицу).

Принципы работы реляционных БД 

Реляционные базы данных строятся на нескольких ключевых принципах:

Использование языка SQL

SQL (Structured Query Language, язык структурированных запросов) —  стандартный язык взаимодействия с реляционными базами данных. С помощью SQL пользователи и приложения могут:

• создавать и изменять таблицы и другие объекты базы данных;
• запрашивать данные, фильтруя, сортируя и объединяя их;
• добавлять, обновлять или удалять записи в таблицах;
• выполнять операции агрегации (подсчет, суммирование, поиск среднего и т.д.).

SQL — декларативный язык, то есть пользователи описывают, какой результат они хотят получить, а сама база данных решает, как именно этот результат предоставить наиболее эффективно. Например, с помощью простого запроса можно быстро извлечь данные о клиентах, продуктах, заказах и другой информации, которая есть в базе.

Обеспечение целостности данных

Целостность данных в реляционных БД гарантируется за счет строгого соблюдения ограничений, включая:

• Первичный ключ (Primary Key) — гарантирует уникальность записи в таблице и допускает дублирование информации. Часто это идентификатор (например, номер заказа).
• Внешний ключ (Foreign Key) — связывает записи между разными таблицами, обеспечивая целостность взаимосвязанных данных (например, номер заказа в таблице заказов связан с идентификатором клиента).
• Уникальность (Unique) — не допускает повторения значений в столбце или группе столбцов.
• Ограничение NOT NULL — требует обязательного наличия значения для определенных атрибутов, не допуская пустых записей.

Они помогают предотвратить ошибки при вводе данных и гарантируют корректность информации.

Соблюдение требований ACID

Реляционные базы данных строго соблюдают принципы ACID, которые обеспечивают стабильность транзакций — последовательностей операций, рассматриваемых как единое целое.

Расшифровка ACID-принципов:

• Атомарность (Atomicity) — транзакция должна быть выполнена полностью или вовсе не выполнена. Если какая-либо операция в транзакции завершается ошибкой, все предыдущие изменения будут отменены, и база вернется к исходному состоянию.
• Согласованность (Consistency) — транзакция всегда переводит базу данных из одного согласованного состояния в другое, тем самым сохраняя целостность и логическую непротиворечивость информации.
• Изолированность (Isolation) — параллельно выполняемые транзакции не должны видеть промежуточные результаты друг друга. Это предотвращает ошибки, которые могут возникнуть при одновременном доступе нескольких пользователей или процессов.
• Долговечность (Durability) — после завершения транзакции ее результаты сохраняются даже при сбоях оборудования или перезагрузке системы. 

Благодаря автоматическому соблюдению принципов ACID в реляционных СУБД*, администраторам не приходится вручную управлять механизмами целостности и транзакций на низком уровне. Вместо этого, СУБД самостоятельно обеспечивает выполнение этих принципов, позволяя администраторам и разработчикам сосредоточиться на логике приложения и бизнес-задачах.

* Система управления базами данных (СУБД) — это программное обеспечение, которое позволяет создавать, хранить, управлять и обрабатывать базы данных.

Преимущества реляционной БД

Реляционные базы данных пользуются широкой популярностью из-за следующих плюсов:

Постоянная целостность и точность данных

Реляционные БД поддерживают высокую степень целостности и достоверности информации. Ограничения и правила внутри СУБД предотвращают появление ошибок и дублирующих записей, а механизм ссылочной целостности обеспечивает правильные связи между таблицами — данные всегда остаются логически согласованными.

Гибкие возможности работы с данными

С помощью SQL пользователи могут выполнять сложные запросы, объединять данные из разных таблиц, фильтровать и агрегировать информацию. Современные инструменты бизнес-аналитики, визуализации и ETL-процессы (например, Apache Superset, Grafana, Apache NiFi) интегрируются с реляционными СУБД и делают работу с данными еще проще и эффективнее — даже если у вас нет глубоких технических знаний.

Масштабируемость и высокая производительность

Реляционные базы данных способны обрабатывать большие объемы информации и поддерживать работу множества пользователей одновременно. Функции индексации, кеширования и оптимизации запросов позволяют быстро находить и обрабатывать нужные данные даже при увеличении нагрузки.

Безопасность и контроль доступа

В реляционных СУБД реализованы развитые системы управления доступом — администратор может гибко задавать роли пользователей и разграничивать права на просмотр, изменение или удаление информации. Дополнительную защиту обеспечивают механизмы шифрования данных как при хранении, так и при передаче, что снижает риск несанкционированного доступа.

Недостатки реляционной БД

Несмотря на многочисленные преимущества, у реляционных баз данных есть свои ограничения:

Работа только со структурированными данными

Реляционные базы лучше всего подходят для данных с четко заданной схемой — таблиц с фиксированными столбцами и типами данных. При работе с неструктурированными или слабоструктурированными данными, например, документами, изображениями, видео или динамически изменяющимися форматами, реляционные БД менее удобны и эффективны.

Ограничения при масштабировании

Реляционные БД изначально проектировались для размещения на одном сервере с ограниченными ресурсами — процессором, оперативной памятью и дисковым пространством. Когда данные и количество пользователей растут, одного сервера часто становится недостаточно.

Сложности горизонтального масштабирования

Чтобы справиться с возросшими нагрузками, необходимо распределять данные и запросы между несколькими серверами. Однако для такого подхода нужна дополнительная синхронизация данных между узлами. Это увеличивает сложность архитектуры и может приводить к задержкам при выполнении запросов.

Задержки при больших нагрузках

Чтобы поддерживать целостность данных и выполнение сложных транзакций в распределенной среде, нужно определенное количество времени и ресурсов. Это может замедлять обработку запросов и снижать общую производительность системы при больших объемах данных и множестве одновременно работающих пользователей.

Где используют реляционные БД

Их применяют в самых разных сферах, где важно обеспечить точность, целостность и быстрый доступ к данным. В том числе:

• CRM-системы. Базы данных хранят информацию о клиентах, их контактных данных, истории покупок, предпочтениях и активности. Помогают компаниям персонализировать обслуживание и строить эффективные маркетинговые стратегии.
• Финансовые и банковские системы. Реляционные БД обеспечивают надежный учет транзакций, управление счетами, расчет балансов и анализ финансовых рисков.
• Системы управления персоналом (HRM). БД используют для хранения данных о сотрудниках, должностях, зарплатах, графиках работы и отпусках. Они упрощают кадровый учет и автоматизируют процессы управления персоналом.
• Образовательные системы. В школах и университетах реляционные БД применяются для хранения информации о студентах, расписаниях, дисциплинах, учебных планах и результатах обучения.
• Медицинские информационные системы. Здесь базы данных позволяют вести учет пациентов, хранить результаты анализов, медицинскую историю, назначения и расписания приемов — все это в единой, структурированной системе.

Реляционные vs. нереляционные БД

Реляционные и нереляционные базы данных используют разные подходы к хранению и обработке информации. 

Основные отличия между ними:

Реляционные БД хорошо подходят для работы с четко структурированными данными и ситуаций, где важна строгая согласованность и сложная аналитика.

Нереляционные базы данных оптимальны для хранения неструктурированной информации, масштабируемости и высокой скорости записи, а также когда данные быстро меняются или их структура не фиксирована.

Когда использовать реляционные базы данных

Несколько рекомендаций, когда стоит применять реляционные базы данных:

• Если у вас средняя нагрузка — например, тысячи операций в секунду. Если речь пойдет о миллионах транзакций в секунду, SQL может замедлить работу.
• Ваши данные структурированы и не меняются постоянно.
• Между данными существуют связи, которые основаны на нормализованных моделях данных. Если нужны денормализованные модели, SQL не подойдет.
• Необходимы сложные запросы к базе данных. Если нужны только простые запросы, SQL окажется излишним.
• Вы используете собственное аппаратное обеспечение для размещения БД. 

Популярные реляционные СУБД

На рынке существует множество реляционных систем управления базами данных:

MySQL

MySQL — одна из самых известных и востребованных систем управления базами данных с открытым исходным кодом. Часто используется в веб-разработке и приложениях среднего масштаба.

Особенности:

• свободное распространение и большое сообщество пользователей;
• удобная интеграция с PHP, Java, Python и другими популярными языками программирования;
• поддержка репликации данных и кластеризации для повышения производительности и отказоустойчивости;
• надежная реализация транзакций и поддержка ACID (движок InnoDB);
• легкость настройки и простота в управлении.

PostgreSQL

PostgreSQL — мощная система с открытым исходным кодом. Популярна за счет высокой гибкости, расширяемости и поддержки сложных аналитических операций.

Особенности:

• расширенные возможности по созданию собственных типов данных, функций и операторов;
• встроенная поддержка JSON и JSONB, благодаря которой она подходит для гибридных (реляционно-документных) приложений;
• поддержка сложных транзакций и ACID-свойств;
• эффективная работа с большими объемами данных и сложными SQL-запросами;
• развитая система репликации и обеспечения высокой доступности.

Microsoft SQL Server

Microsoft SQL Server — коммерческая СУБД от компании Microsoft. Часто применяется в корпоративных приложениях и аналитических системах.

Особенности:

• глубокая интеграция с другими продуктами Microsoft (Windows Server, Azure, Visual Studio, .NET);
• мощные инструменты бизнес-аналитики и анализа данных (например, SQL Server Analysis Services);
• поддержка MVCC, транзакций и ACID-свойств;
• продвинутые инструменты администрирования и мониторинга производительности;
• встроенные функции безопасности, включая шифрование и управление доступом.

Oracle Database

Oracle Database — одна из наиболее мощных коммерческих СУБД. Активно используется в крупных корпоративных и финансовых системах, которые требуют высоких показателей производительности и надежности.

Особенности:

• высокая производительность и широкие возможности масштабирования;
• продвинутая поддержка транзакций и соблюдение ACID-свойств;
• возможность эффективной обработки больших объемов данных и сложных запросов;
• встроенные механизмы безопасности, аудита и шифрования;
• мощные аналитические функции и поддержка обработки больших данных.

SQLite

SQLite — компактная, встраиваемая реляционная СУБД. Предназначена для приложений, которые не требуют сложного администрирования и высокой нагрузки.

Особенности:

• вся база данных хранится в одном файле, что упрощает интеграцию и управление;
• не требует настройки;
• минимальные затраты ресурсов;
• подойдет для мобильных и небольших десктопных приложений, а также для встроенных систем;
• поддержка большинства стандартных SQL-команд и операций;
• открытый исходный код, простота и высокая надежность.

Заключение

Реляционные базы данных — проверенная временем технология, которая остается основой для хранения и обработки структурированных данных даже спустя более 50 лет после своего появления. Несмотря на развитие новых подходов, альтернативы реляционной модели пока нет.

Современные организации используют реляционные базы не только для хранения и выполнения транзакций, но и для анализа данных, что помогает принимать более взвешенные решения и повышать эффективность работы.