Прежде чем начать рассказывать о базах данных, скажу, для кого эта статья. Если вы бывалый разработчик, то смело пропускайте статью, ничего нового вы с ней не найдете. Статья для тех, кто только планирует начать карьеру в дата-аналитике или data science, кто много раз слышал словосочетание «база данных», но не до конца понимает, что это.

Я решила написать эту статью, потому что именно такой статьи мне очень не хватало несколько лет назад, когда я только начала карьеру в аналитике данных. Тогда я часто слышала слова «база данных», «реляционная база», «primary key», примерно понимала, что они означают, но единую картину в голове у меня сложить не получалось.

Что такое база данных и зачем она?

Компании часто собирают информацию о своих клиентах, сотрудниках, операциях, финансах и т. д. Потом эту информацию можно выгодно использовать. Например, можно ее проанализировать и понять, какими способами можно увеличить прибыль. Можно на ее основе построить хитрые MLмодели, которые помогут улучшить продукт. Или, в конце концов, эту информацию можно просто перепродать другим компаниям.

Чтоб собирать и анализировать информацию, надо уметь ее сохранять. Конечно, можно сохранять информацию в печатном виде в обычных папках или в Excel-файлах. И многие компании до сих пор так сохраняют информацию. Однако, такое подойдет только для маленьких компаний с небольшим количеством данных. Когда компания вырастает, то и данных становится много, такие варианты сохранения информации становятся непригодны. Тогда на помощь приходят базы данных.

Базы данных помогают справиться с большим количеством проблем, решить которые папкам и Excel-файлам не под силу:

• В базе данных можно хранить очень огромное количество данных – миллиарды и триллионы записей;

• Базы помогают защищать данные - они позволяют давать доступ к данным только определенному кругу лиц. При этом можно ставить ограничения, кому к каким данным можно давать доступ и какого типа доступ, только чтение или редактирование тоже;

• Базы данных могут помогать следить за правильностью данных с помощью различного вида проверок;

• Также, базы данных могут позволять большому количеству людей одновременно взаимодействовать с данными.

Так что же такое база данных? Если говорить коротко, то это определенная структура, в которой хранится информация. Я понимаю, что из этого определения пока мало что понятно. Однако, более конкретное определение дать сложно, потому что существует много типов баз данных, и все они совершенно разные.

Я думаю, это определение станет понятнее, когда я далее опишу наиболее популярные типы баз данных на конкретных примерах.

Типы баз данных

Существует много разных типов баз данных. Наиболее популярные типы:

• Реляционные базы данных

• Key-value базы данных

• Документно-ориентированные базы данных

• Графовые базы данных

• Колоночные базы данных

Далее я расскажу о каждом из этих типов. Однако, начну я реляционных баз данных и больше всего буду рассказывать о них, потому что именно этим типом баз данных чаще всего пользуются аналитики данных и data scientist-ы.

Реляционные базы данных (MySQL, PostgreSQL, Oracle DB)

Реляционная база данных – это база данных, которая состоит из таблиц. У реляционной базы данных 2 очень важные характеристики:

• Данные распределены по смыслу по таблицам

• Между таблицами есть отношения

Рассмотрим пример реляционной базы. Допустим, у нас есть сервис доставки еды. Тогда, если мы построим реляционную базу данных для этого сервиса, то она, скорее всего, будет содержать следующие таблицы:

• Таблица с заказами

• Таблица с клиентами

• Таблица с курьерами

• Таблица с ресторанами

На рисунке 1 я попыталась изобразить графически реляционную базу данных. Мы видим таблицы, из которых состоит база, и также видим, какие столбцы содержит каждая из таблиц.

Как я отметила выше, второй важной характеристикой реляционных баз данных является то, что между таблицами существуют отношения. Отношения между таблицами определяются с помощью primary key и foreign key.

Primary key – это столбец (или группа столбцов) таблицы, который содержит уникальные значения для каждой строки. На примере выше primary key каждой таблицы я выделила зеленым цветом. То есть, например, в таблице с заказами каждая строка будет описывать отдельный заказ. Не будет 2 строк, которые описывают один и тот же заказ, потому ID заказа будет разный для каждой строки.

Foreign key – это столбец в таблице, который содержит primary key другой таблицы. На рисунке foreign key отмечены желтым. То есть, таблица с заказами содержит ID клиента, который является primary key в таблице с клиентами, но в таблице с заказами он будет foreign key.

Primary key и foreign key помогают не только связывать между собой таблицы реляционной базы данных отношениями. Они еще помогают следить за целостностью и правильностью данных в базе. Например, если мы ошибемся в ID клиента, добавляя новый заказ в таблицу с заказами, то база выдаст ошибку, так как не найдет соответствующий ID клиента в таблице с клиентами.

Для взаимодействия с реляционными базами данных чаще всего используется SQL (Structured QueryLanguage). Это специальный язык программирования, на котором пишутся запросы к реляционной базе. SQL-запросами можно создавать и удалять таблицы в реляционной базе, изменять данные в существующих таблицах и доставать из таблиц необходимую информацию.

Как я уже говорила выше, реляционные базы данных удобно использовать в аналитике, так как информация в них структурирована и распределена по смыслу, что, конечно, мечта любого аналитика. Однако, аналитики часто пишут сложные и не очень эффективные SQL-запросы, потому важно придумывать способы ускорения обработки запросов к реляционной базе.

Одним из наиболее популярных методов ускорения работы запросов к реляционным базам данных является индексирование таблиц. Индекс – это определенный столбец в таблице, по которому осуществляется поиск. 

Приведу пример работы индекса. Например, мы хотим найти все заказы клиента 007 из ресторана 1. Тогда, если у нас в таблице с заказами нет индекса, то мы будем перебирать все заказы пока не найдем нужные. Если же у нас есть индекс в таблице с заказами, то ситуация будет иной. Допустим, что индексом является столбец ID ресторана. Тогда наши данные в таблице с заказами будут сгруппированы по ID ресторана. И тогда при поиске заказов клиента 007 из ресторана 1, мы не будем перебирать всю таблицу с заказами, а найдем группу заказов из ресторана 1 и будем искать необходимые данные внутри этой группы.

Из примера выше с индексом выше понятно, что индексом удобно выбирать такой столбец, в разрезе которого часто ищутся данные.

Также, одним из важных свойств реляционных баз данных является соответствие требованиям ACID. Я не буду углубляться в детали этих требований, только отмечу, что эти требования гарантируют целостность и корректность данных, несмотря на ошибки, системные сбои, перебои в питании, изменение данных несколькими пользователями одновременно и прочие необычные ситуации.

Выглядит так, что реляционная база данных идеальная база, и непонятно, почему бы постоянно ее не использовать. Однако, у реляционной базы данных есть и недостатки, и потому данный тип не всегда подходит для нужд бизнеса. Например, реляционная база данных не подходит для данных без четкой структуры, потому что мы не сможем разложить эти данные в отдельные таблицы по смыслу. А данных без четкой структуры гораздо больше, чем данных с четкой структурой.

Какие еще есть типы баз данных?

Прочие типы баз данных, которые не реляционные, часто называются noSQL базы данных. Обсудим наиболее популярные типы нереляционных баз данных.

Key-value базы данных (пример - Redis)

Название говорит о том, какие данные удобно хранить в Key-value базе – в такой базе хранят данные, которые удобно представить в виде пары ключ-значение. Основное преимущество таких баз – это очень быстрый поиск значения по ключу. При этом значение может содержать какие угодно типы данных. 

Такие базы данных удобно применять в проектах, где необходимо выдавать быстрый результат по ключу, например, для онлайн торгов или сделок.

Документно-ориентированные (пример - Mongo DB)

В документно-ориентированной базе данных единицей хранения является документ (который может быть в формате json, или xml, или в каком-нибудь еще формате). Удобство таких баз в том, что в них быстро и легко записывать любые типы данных, при этом эти данные не обязаны обладать четкой структурой. Минус таких баз в том, что данные в них неудобно анализировать. 

В моей предыдущей компании такой тип баз данных служил базой для реляционных баз. То есть сначала все данные попадали и сохранялись в документно-ориентированной базе. Потом команда дата инженеров обрабатывала эти огромные полотна информации, структурировала и складывала в реляционную базу данных, которую уже могла использовать команда аналитиков и Data Science.

Графовые базы данных (пример - Orient DB)

Как следует из названия, в графовой базе данных данные хранятся в виде графов. Данный тип баз удобен, когда надо находить информацию не только о каком-то объекте, но и доставать информации о связах этого объекта с другими. 

Например, в моей текущей компании данный тип баз используется для нахождения куки конкретного юзера и всех взаимосвязанных с этой кукой идентификаторов. Также, такой тип данных часто используется социальными сетями для сохранения информации не только о пользователях, но и о связях каждого пользователя с другими.

Колоночные (столбцовые) базы данных (примеры - Cassandra, Clickhouse)

В реляционных базах данных данные записаны в виде строк. Что же касается колоночных баз данных, то тут данные записываются в виде столбцов. Потому поиск данных в колоночной базе данных осуществляется не перебором всех строк, как это происходит в реляционной базе данных, а поиском необходимого значения в тех столбцах таблицы, которые нас интересуют. 

Преимущество колоночных баз данных в том, что они могут быстро находить определенные значения в столбцах, которые нас интересуют.

Ну и напоследок

В заключение скажу, что типов баз данных великое множество. Какие-то типы приобретают популярность, какие-то больше не используются. У каждого типа свои преимущества и недостатки. И, выбирая тот или иной тип баз данных, надо исходить в первую очередь от вида вашего бизнеса и его потребностей.