Как оптимизировать базу данных — принципы оптимизации и лучшие практики

Базы данных — неотъемлемый компонент при создании приложений, будь то веб-, настольные или мобильные. Они символически служат митохондриями приложения, поскольку их основная функция - управление данными.

Управление базами данных — важнейший навык, которым должен обладать разработчик для создания масштабируемых приложений с высоким уровнем эффективности. При неправильном подходе это может привести к потере данных и неправильному управлению со стороны разработчика базы данных.

Следовательно, базы данных должны быть структурированы и построены с учетом потребностей пользователей и с использованием лучших практик.

Цель этой статьи — осветить общие принципы лучших практик работы с базами данных, а также объяснить каждую особенность. Но прежде чем мы обсудим это в деталях, давайте рассмотрим, что представляют собой транзакции баз данных.

Что такое транзакции базы данных?

Транзакции базы данных — это просто группы операций, которые можно назвать единицей рабочего процесса, выполняемого над базой данных в системе управления базами данных.

Они включают в себя как базовые операции, такие как операции CRUD, так и более сложные операции, такие как индексирование, кэширование и нормализация базы данных.

При таком большом количестве пользователей, выполняющих множество транзакций одновременно, важно убедиться, что база данных поддерживает параллелизм, чтобы предотвратить вмешательство в данные двух или более пользователей, обращающихся к одному и тому же ресурсу.

Отсюда возникает необходимость в принципе ACID. Что же представляет собой ACID?

• Atomicity — Атомарность
• Consistency — Согласованность
• Isolation — Изоляция
• Durability — Долговечность

Далее мы подробно рассмотрим каждый пункт. Первым в нашем списке стоит атомарность.

Что такое принцип атомарности базы данных?

Что подразумевает атомарность базы данных? Атомарность базы данных означает, что операция базы данных не может быть разбита на части. Это означает, что операции или транзакции базы данных выполняются полностью, и если в процессе выполнения возникает какая-либо ошибка, вся операция полностью отменяется, не оставляя места для выполнения частичных операций.

Если база данных не является атомарной, это может привести к предоставлению недостоверных неполных данных и в конечном итоге к хаосу всей системы. Как база данных обеспечивает атомарность? Для этого она создает копию существующей базы данных перед выполнением операции, а затем инициирует операцию аварийного восстановления и резервного копирования в случае сбоя операции.

Важно также отметить, что другие принципы баз данных, такие как согласованность и долговечность, опираются на необходимость атомарности базы данных, чтобы быть действительно выполненными.

Обсудив это, перейдем к принципу согласованности базы данных.

Что такое принцип согласованности баз данных?

Этот принцип подразумевает наличие в базе данных определенных ограничений, каскадов, триггеров и других требований, которые должны выполняться при внесении изменений в существующую базу данных. Невыполнение этих требований приводит к ошибкам согласованности, возвращая базу данных в прежнее стабильное состояние.

Кроме того, принцип согласованности гарантирует, что данные, обновленные пользователем, будут доступны как последняя версия данных в базе данных всем пользователям, желающим читать эту базу данных. Наличие этого принципа исключает возникновение несоответствий и способствует более быстрому поиску информации.

Понимание того, что значит для базы данных быть последовательной, предполагает, что операция, выполняемая с базой данных, проходит проверку целостности перед успешным выполнением. Разобравшись с этим, давайте обсудим принцип изоляции базы данных.

Что такое принцип изоляции базы данных?

Зачем нужно изолировать базу данных и как сделать одну операцию с базой данных независимой от других операций с базой данных?

Изоляция необходима в системе управления базами данных, чтобы гарантировать, что доступ пользователя к информации в базе данных не будет нарушен другими одновременными транзакциями, выполняемыми другими пользователями в базе данных. Для обеспечения этого использование уровней изоляции в каждой операции с базой данных помогает сохранить целостность информации.

Чтобы эффективно гарантировать целостность базы данных, необходимо использовать определенные уровни изоляции базы данных. Вот некоторые из уровней изоляции, расположенные в иерархическом порядке:

• Read uncommitted
• Read committed
• Repeatable read
• Serializability

Уровень изоляции read uncommitted

Уровень изоляции базы данных read uncommitted позволяет другим пользователям иметь доступ к чтению текущих транзакций базы данных, которые еще не были полностью или успешно выполнены. Это позволяет получить доступ к чтению того, что называют грязным чтением, что является одной из несогласованностей данных, которые можно увидеть. Этот уровень изоляции данных не рекомендуется.

Уровень изоляции read committed

Этот уровень изоляции базы данных запрещает другим пользователям читать или иметь доступ к транзакции базы данных, которая еще не была зафиксирована. Таким образом, она не позволяет другим пользователям видеть, обновлять или перезаписывать её до тех пор, пока она не будет полностью выполнена.

Уровень изоляции repeatable read

Этот уровень изоляции изолирует транзакцию исключительно от других транзакций, происходящих параллельно, не позволяя другим пользователям читать и обновлять транзакции.

Уровень изоляции seializability

Это самый высокий уровень изоляции данных, который называют самым строгим. Он изолирует несколько транзакций, выполняемых одновременно, и выполняет их эффективно, поскольку они выполняются последовательно. Он также предотвращает несоответствия в базе данных.

Без этих уровней могут возникнуть такие казусы с непоследовательной базой данных, как грязное чтение, неповторяющееся чтение, фантомное чтение и многие другие. На этом перейдем к последнему пункту о долговечности базы данных и обсудим его подробно.

Что такое принцип долговечности базы данных?

Что означает, когда мы называем базу данных долговечной, и как обеспечить долговечность базы данных? Долговечность - это принцип, который обеспечивает высокий уровень устойчивости баз данных.

Независимо от любых неблагоприятных последствий, с которыми может столкнуться система управления базой данных, таких как сбои и аварии, не должно быть никакой потери информации в базе данных.

Как базы данных пытаются достичь этого? Перед выполнением любой новой операции база данных создает журнал транзакций, который содержит записанные данные. В случае любого из этих неблагоприятных событий журнал транзакций служит в качестве резервного хранилища, гарантируя, что информация в базе данных сохранится до момента, предшествующего выполнению операции, и тем самым защищая от утечки и потери данных.

Мы также расскажем о других полезных передовых методах работы с базами данных, которые также могут быть применены.

Другие лучшие методы работы с базами данных

Принцип BASE, который больше подходит для баз данных NoSQL, таких как MongoDB, Redis, Cassandra и так далее. Он предполагает, что база данных должна:

• В принципе быть доступна

• Существовать в состоянии soft

• В конечном счёте, быть последовательной

Бытие в доступе

Это означает, что база данных отдает приоритет доступности операций базы данных, а не согласованности и параллельности. Это вполне применимо к распределенным системам, для эффективного функционирования которых требуется высокий уровень эффективности.

Состояние soft

Это обеспечивает гибкость базы данных, позволяя масштабировать ее размер, выполнять операции и увеличивать параллелизм для оптимальной производительности базы данных в любое время. Это позволяет поддерживать отказоустойчивость данных.

Бытие последовательной

Это означает, что независимо от того, как транзакции выполняются в последовательности, в конечном итоге достигается эффективная согласованность. Это достигается путем разрешения конфликтов и согласования. В итоге это способствует созданию устойчивой системы данных.

Заключение

На этом мы подошли к концу урока. Мы надеемся, что вы узнали много нового об оптимизации операций с базами данных и их эффективности с использованием принципа ACID и других лучших практик.

Не стесняйтесь оставлять комментарии и вопросы в поле ниже, а также ознакомьтесь с другими моими статьями здесь. До следующего раза, продолжайте кодить!