Развитие баз данных

Простые и структурированные файлы

Самая простая форма организации данных в базе, соответственно была создана одной из первых. Из-за своей простоты имеет множество недостатков, однако до сих пор используется во многих областях.

Модель данных простого файла

Структура

• Заголовок (названия столбцов)
• Данные (просто текст)

Пример

ФИО,Предмет,Оценка
Иванов И.И.,Java,4
Иванов И.И.,Базы данных,5
Петров П.П.,Java,5
Петров П.П.,Базы данных,4

Модель данных структурированного файла

Важным достоинством структурированного файла является возможность быстро находить строчку по номеру (так как нам известен фиксированный размер строки мы можем посчитать смещение).

Структура

• Заголовок (названия столбцов, типы и длины)
• Данные (записи одинаковой структуры)

Пример

В данном формате цифра обозначает количество символов для этого поля.

ФИО           Предмет     Оценка
String, 14    String, 12  Number, 1
Иванов И.И.   Java          4
Иванов И.И.   Базы данных   5
Петров П.П.   Java          5
Петров П.П.   Базы данных   4

Достоинства

• Простота чтения (так как данные можно просто читать построчно)

Недостатки

• Сложность поиска
• Сложность обработки (в каждом месте для этого нужен будет свой код)
• Сложность хранения данных разны типов (например, для дат не понятно, в каком порядке идут данные)
• Нет проверки целостности (но можно проверять количество столбцов или добавить модуль чтения и записи типизированных файлов)

Реализации

• Данные на перфокартах
• dBase
• Excel / LibreOffice Calc

Файловые системы

Простейший способ структурированной организации данных. Характеризуется множеством не связанных между собой независимых файлов, состоящих из однотипных записей с одноуровневой структурой.

Файловая модель данных

Представление данных

• Файл – одна запись (одноуровневая структура)
• Каталоги – подчиненные записи

Пример

• Иванов И.И./Данные – ФИО, адрес, etc
• Иванов И.И./Оценки/Java – 4
• Иванов И.И./Оценки/Базы данных – 5
• Петров П. П./Данные – ФИО, адрес, etc
• Иванов П. П./Оценки/Java – 5
• Петров П. П./Оценки/Базы данных – 4

Достоинства

• Структурирование данных
• Простота реализации

Недостатки

• Сложно извлекать требуемые данные (в примере сложно посчитать среднюю оценку по предмету)
• Нет проверки целостности (но можно, например, добавить проверку уникальности)
• Большое количество файлов (не все файловые системы такое потянут)

Реализации

• FATx, ExtX, NTFS, APFS
• DOM

Иерархические базы данных

Иерархическая модель данных

Такая модель является совокупностью взаимосвязанных объектов. Связь двух объектов отражает их подчиненность. Иерархия это полезно, но складывать это в файловую систему не очень эффективно. Предложена и реализована IBM в 1966.

Представление данных

• Дерево записей
• Отношения родитель – ребенок (как каталоги и подкаталоги)

Пример

Достоинства

• Проверка целостности записей и отношений (также можем разрешать добавлять дубликаты, где необходимо)
• Последовательное расположение записей
• Эффективность реализации (за счет группировки данных одного типа)

Недостатки

• Представление только древовидных данных
• Существенно меняющееся время запроса в отношении многие-ко-многим в зависимости от того, кто выше в иерархии. Можно хранить две версии, однако возникает проблема с их согласованием, то есть в этот момент мы начинаем допускать некорректные данные.

Реализации

• IBM Information Management System
• Windows registry

Сетевые базы данных

Сетевая модель данных

Нет единой строгой иерархии, могут существовать дополнительные. Предложена CODASYL в 1969.

Представление данных

• Ориентированный граф записей
• Отношения владелец – запись

Пример

Достоинства

• Представление всех типов связей
• Возможность описания структуры
• Эффективность реализации (сильно меняется от основной иерархии к дополнительной)

Недостатки

• Сложность реализации
• Жесткое ограничение структуры

Реализации

• Integrated Data Store
• Integrated Database Management System
• TurboIMAGE

Реляционные базы данных

Реляционная модель данных

Предложена Э. Ф. Коддом в 1969.

Структура

• Данные хранятся в таблицах
• Проверка целостности заданных связей
• Связи задаются в запросах

Пример

Достоинства

• Представление всех типов связей
• Гибкая структура данных
• Математическая модель (благодаря этому можем находить более эффективные эквивалентные запросы)

Недостатки

• Сложность реализации
• Сложность представления иерархических данных
• Сложность составления эффективных запросов (сильно зависит от оптимизатора)

Реализации

• Oracle Database
• SQLite

Объектные базы данных

Объектная модель данных

Уметь хранить графы объектов в памяти очень полезно. Предложена в 1985. Сейчас такие базы данных в основном реализуются через слой трансляции в реляционную базу.

Структура

• Сущность – объект
• Связь – поле
• Ограничения целостности – определение объекта

Пример

Достоинства

• Простота представления объектов
• Гибкая структура данных
• Логичное направление ссылок (соответственно направлению в объектах)

Недостатки

• Сложность реализации
• Сложность миграции схемы
• Малая распространенность

Реализации

• Oracle Database Objects
• ObjectDB

NoSQL

Документ-ориентированные

Представление данных

• Слабоструктурированные документы
  • XML
  • JSON
• Выборка по свойствам

Пример

Ключ-значение

Представление данных

• Ключ
• Произвольное значение

Пример

Другие

Табличные

• Одна большая таблица
• Хранится построчно

Столбчатые

• Одна большая таблица
• Хранится по столбцам

Графовые

• Граф объектов
• Данные в узлах
• Данные на ребрах

Достоинства

• Большой выбор
• Гибкость (возникают проблемы, если появляется незапланированный сценарий использования)
• Скорость работы

Недостатки

• Множество вещей делается в коде
• Нет оптимизатора
• Легко ошибиться (так как большинство вещей делается в коде)