什么是数据库？

数据定义控制系统中数据的形状和结构

创建和控制数据在数据库中采用的结构是数据库管理的重要组成部分。这可以帮助您在将数据摄取到系统之前控制数据的形状或结构。它还允许您设置约束，以确保您的数据符合某些参数。

在处理高度规则数据的数据库（如关系型数据库）中，这些定义通常被称为数据库的模式。数据库模式是数据必须如何格式化才能被特定数据库接受的严格大纲。这涵盖了单个记录中必须存在的特定字段，以及对值（如数据类型、字段长度、最小值或最大值等）的要求。数据库模式是数据库所有者用来影响和控制将存储在系统中的数据的最重要工具之一。

重视灵活性而非规则性的数据库管理系统通常被称为无模式数据库。虽然这似乎意味着存储在这些数据库中的数据没有结构，但通常情况并非如此。相反，数据库的结构由数据本身以及应用程序对数据的了解和关系决定。数据库通常仍然遵循结构，但数据库管理系统较少参与强制约束。这是一种设计选择，根据情况，它有优点和缺点。

数据更新以摄取、修改和删除系统中的数据

数据更新包括任何操作，该操作

• 将新数据输入系统
• 修改现有条目
• 从数据库中删除条目

这些功能对于任何数据库都是必不可少的，并且在许多情况下，构成数据库系统处理的大部分操作。这些类型的活动——导致系统数据发生变化的操作——统称为写入操作。

写入操作对于任何会随时间变化的数据源都很重要。即使是删除数据这种破坏性操作，也被认为是写入操作，因为它修改了系统内的数据。

由于写入操作可以更改数据，因此这些操作可能很危险。大多数数据库管理员配置他们的系统，以限制对某些应用程序进程的写入操作，从而最大限度地减少意外或恶意数据损坏的可能性。例如，数据分析使用现有数据来回答有关网站性能或访问者行为的问题，只需要读取权限。另一方面，应用程序中记录用户订单的部分需要能够将新数据写入数据库。

检索数据以提取信息或回答特定问题

存储数据并不是很有用，除非您有一种在需要时检索数据的方法。由于返回数据不会影响当前存储在数据库中的任何信息，因此这些操作称为读取操作。读取操作是收集已存储在数据库中的数据的主要方式。

数据库管理系统几乎总是有一种通过唯一标识符（通常称为主键）访问数据的直接方法。这允许通过提供密钥来访问任何一个条目。

许多系统还具有复杂的数据库查询方法，以返回符合特定条件的数据集或返回有关条目的部分信息。这种查询灵活性有助于数据库管理系统除了基本的数据存储功能外，还作为数据处理器运行。通过开发特定的查询，用户可以提示数据库系统仅返回他们需要的信息。此功能通常与写入操作结合使用，以按其属性查找和修改特定记录。

管理数据库系统以保持一切顺利运行

数据库经常支持的最后一类操作是管理功能。这是一个广泛的、通用的操作类别，有助于支持数据库环境，而不会直接影响数据本身。可能属于此组的一些项目包括

• 管理用户、权限、身份验证和授权
• 设置和维护备份
• 配置用于存储的后备介质
• 管理复制和其他扩展注意事项
• 提供在线和离线恢复选项

这组操作与任何现代应用程序常见的基本管理问题相一致。

管理操作可能不是核心数据管理功能的核心，但这些功能通常使类似的数据库管理系统脱颖而出。能够轻松备份和恢复数据、实施连接到现有系统的用户管理或扩展数据库以满足需求都是在生产环境中运行的必要功能。未能关注这些领域的数据库通常难以在实际环境中获得采用。

通过忠实记录和重建来维护数据完整性

数据完整性是数据库系统的基本要求，无论其用途或设计如何。加载到数据库中的数据应该能够可靠地检索，而不会发生意外的修改、操纵或擦除。这需要可靠的数据加载和检索方法，以及在必要时序列化和反序列化数据以将其存储在物理介质上。

数据库通常依赖于在写入或检索数据时验证数据的功能，例如校验和，或者使用预写式日志等技术来防止意外关闭引起的问题。数据存储越分布式，数据完整性就越具挑战性，因为系统的每个部分都必须反映每个数据项的当前所需状态。这通常通过在系统中更改数据时来自多个成员的更强大的要求和响应来实现。

提供满足部署环境要求的性能

数据库必须表现良好才能有用。您需要的性能特征在很大程度上取决于您的应用程序的特定需求。每个环境都具有独特的读取和写入请求平衡，您必须决定这两种类别可接受的性能意味着什么。

数据库通常更擅长执行某些类型的操作。操作性能特征通常反映了使用的数据库类型、数据模式或结构以及操作本身。在某些情况下，诸如索引之类的功能（它创建了常用数据的替代性能优化存储）可以为这些项目提供更快的检索速度。有时，数据库可能只是不适合所请求的访问模式。在决定需要哪种类型的数据库时，这是需要考虑的事情。

设置允许安全并发访问的进程

虽然这不是严格的要求，但实际上，数据库必须允许并发访问。这意味着多个方面必须能够同时使用数据库。记录应可由任意数量的用户同时读取，并在当前未被其他用户锁定时可写入。

并发访问通常意味着数据库必须实现其他一些基本功能，如用户帐户、权限系统以及身份验证和授权机制。它还必须制定策略，以防止多个用户尝试同时操作相同的数据。记录锁定和事务通常用于解决这些问题。

单独或聚合检索数据

数据库的基本职责之一是能够根据请求检索数据。请求可能是针对与单个记录关联的单个数据片段，或者可能涉及检索在许多不同记录中找到的数据。在大多数系统中，这两种情况都必须是可能的。

在大多数数据库中，数据库本身在检索期间提供一定程度的数据处理。这些可以包括以下类型的操作

• 按条件搜索
• 过滤和遵守约束
• 提取特定字段
• 平均、排序等

这些选项可帮助您表达您想要的数据以及最有用的格式。

本地内存或临时文件系统

有时，应用程序会生成无用或仅在应用程序生命周期内相关的数据。在这些情况下，您可能希望将数据保存在内存中或将其卸载到临时文件系统，因为一旦应用程序退出，您将不再需要它。对于数据永远无用的情况，您可能希望完全禁用输出或将其记录到 /dev/null。

将应用程序数据直接序列化到本地文件系统

可能不需要数据库的另一种情况是，可以直接序列化和反序列化少量数据。这仅适用于少量数据，且具有可预测的使用模式，不涉及太多（如果有的话）并发。这不能很好地扩展，但对于某些情况可能很有用，例如输出本地日志信息。

直接将类文件对象存储到磁盘或对象存储

有时，应用程序的数据可以直接写入磁盘或替代存储，而不是存储到数据库中。例如，如果数据已经组织成面向文件的格式，如图像或音频文件，并且不需要额外的元数据，那么直接将其存储到磁盘或专用对象存储可能最容易。

存储和处理站点数据

数据库的主要用途之一是存储和处理与站点相关的数据。这些项影响站点上信息的组织方式，并且在许多情况下，构成了站点的大部分“内容”。

在上面提到的示例应用程序中，数据库将填充站点的大部分内容，包括产品信息、库存详细信息和用户信息。这意味着每次需要显示产品列表、产品详细信息页面或用户个人资料时，都会查询数据库或某些中间缓存。

在显示当前和过去的订单、计算运费以及通过检查折扣代码或计算常客奖励来应用折扣时，也会涉及到数据库。我们的示例站点将使用数据库系统通过组合产品信息、库存和用户信息来正确构建订单。记录在订单中的复合信息将再次存储在数据库中，以跟踪订单处理、允许退货、取消或修改订单或实现更好的客户支持。

分析信息以帮助做出更好的决策

上一类中的操作与网站的基本功能相关。虽然这些对于处理应用程序层的数据要求非常重要，但它们并不代表整个情况。

一旦您的 Web 应用程序开始注册用户和处理订单，您可能希望能够回答有关不同产品的销售情况、谁是您最赚钱的用户以及哪些因素影响您的销售额等详细问题。这些是可以随时运行的分析问题，以收集有关您组织趋势和绩效的最新情报。

这些类型的操作通常称为商业智能或分析。它们共同帮助组织了解过去发生的事情并做出明智的更改。数据库系统存储这些过程中使用的大部分数据，并且必须提供适当的工具或查询功能来回答有关数据的问题。

在我们的示例应用程序中，可以查询数据库以回答有关产品趋势、用户注册数量、我们发货最多的州或谁是我们最忠诚的用户等问题。这些相对基本的查询可用于组成更复杂的问题，以更好地理解和控制影响产品绩效的因素。

管理软件配置

某些类型的数据库用作网络上其他软件的配置值的存储库。这些数据库充当网络上配置值的中央真实来源。当启动新服务时，它们被配置为在配置数据库的网络地址检查特定键的值。这使您能够在一个位置存储引导服务所需的所有信息。

引导启动后，可以将应用程序配置为监视与其配置相关的键的变化。如果检测到更改，应用程序可以重新配置自身以使用新配置。此过程有时由管理流程协调，该流程通过在新服务启动时关闭旧服务，随着时间的推移更改活动配置以保持可用性来逐步推出新值。

我们的应用程序可以使用这种类型的数据库来存储我们整个应用程序环境的持久配置数据。我们的应用程序服务器、Web 服务器、负载均衡器、消息队列等可以配置为引用配置数据库以获取其生产设置。然后，应用程序的开发人员可以通过调整中央位置的配置值来修改环境的行为。

收集日志、事件和其他输出

正在运行的应用程序可以生成大量输出，这些应用程序正在主动服务请求。这包括日志文件、事件和其他输出。这些可以写入磁盘或某些其他非托管位置，但这限制了它们的有用性。在数据库中收集此类数据可以更轻松地使用、发现模式以及在发生意外情况或需要了解更多有关历史性能的信息时分析事件。

我们的示例应用程序可能会在一个数据库中收集来自我们每个系统的日志，以便于分析。如果我们试图分析问题的根源或了解我们环境的整体健康状况，这可以帮助我们找到事件之间的相关性。

另外，我们可能会在时间序列数据库中收集由我们的基础设施和代码生成的指标，时间序列数据库是专门为随时间跟踪值而设计的数据库。此数据库可用于支持实时监控和可视化工具，以便为应用程序的开发和运营团队提供有关性能、错误率等的信息。

数据架构师

数据架构师负责数据库系统的整体宏观结构、它们向应用程序和开发团队公开的接口，以及满足组织数据需求所需的基础技术和基础设施。

担任此角色的人员通常会决定用于不同应用程序的适当数据库模型和实现。他们负责通过调查选项、决定技术、将其与现有系统集成以及为组织制定全面的数据策略来实施数据库决策。他们整体地处理数据系统，并参与决定和实施各种项目的数据模型。

DBA（数据库管理员）

数据库管理员，或 DBA，是负责保持数据系统平稳运行的个人。他们负责规划新的数据系统、安装和配置软件、为其他方设置数据库系统以及管理性能。他们还经常负责保护数据库安全、监控数据库是否存在问题以及调整系统以优化使用模式。

数据库管理员是单个数据库系统以及如何将它们与底层操作系统和硬件良好集成以最大限度地提高性能的专家。他们与使用数据库的团队广泛合作，以帮助管理容量和性能，并帮助团队排除数据库系统的问题。

应用程序开发人员

应用程序开发人员以许多不同的方式与数据库交互。他们开发许多与数据库交互的应用程序。这非常重要，因为这些几乎总是控制单个用户或客户如何与数据库系统管理的数据交互的唯一应用程序。性能、正确性和可靠性对于应用程序开发人员来说非常重要。

开发人员管理与其应用程序关联的数据结构，以将其数据持久化到磁盘。他们必须创建或使用可以将他们的编程数据映射到数据库系统的机制，以便组件可以和谐地协同工作。随着应用程序的变化，他们必须保持数据库系统内的数据和数据结构同步。我们将在本文后面的内容中详细讨论开发人员如何使用数据库。

SRE（站点可靠性工程师）和运维专业人员

SRE（站点可靠性工程师）和运维专业人员从基础设施和应用程序配置的角度与数据库系统交互。他们可能负责提供额外的容量、启动数据库系统、确保数据库配置与组织准则匹配、监控正常运行时间以及管理备份。

在许多方面，这些人与 DBA 有重叠的职责，但并非仅专注于数据库。运维人员确保组织其他部门依赖的系统（包括数据库系统）可靠地运行并具有最短的停机时间。

商业智能和数据分析师

商业智能部门和数据分析师主要对数据库系统中已收集和可用的数据感兴趣。他们致力于根据数据中的趋势和模式开发见解，以便他们可以预测未来的绩效、就潜在的变化向组织提供建议，并回答营销和销售等其他部门有关数据的问题。

数据分析师通常可以完全使用对数据系统的只读访问权限。他们运行的查询通常具有与主应用程序使用的查询截然不同的性能特征。因此，他们经常使用数据库副本或副本，以便他们可以执行长时间运行和性能密集型聚合查询，否则可能会影响主数据库系统的资源使用。

在应用程序和数据库之间转换数据

您将需要创建或使用现有接口来与数据库通信。您可以使用常规网络功能直接连接到数据库，利用简单的库或更高级别的编程库（例如，查询构建器或 ORM）。

ORM，或对象关系映射器，是映射层，可将关系数据库中找到的表转换为面向对象编程语言中使用的类，反之亦然。虽然这种转换通常很有用，但它永远不会完美。对象关系阻抗失配是一个术语，用于描述关系数据库和面向对象程序结构数据的方式不同所引起的摩擦。

尽管关系数据库和面向对象编程描述了两个特定的设计选择，但在应用程序层和数据库层之间进行转换的问题是一个普遍存在的问题，无论数据库类型或编程范例如何。数据库抽象层是更通用的术语，用于指责在两种上下文之间进行转换的软件。

保持结构更改与数据库同步

当您开发应用程序时，您将发现的一个重要事实是，由于数据库存在于您的代码库之外，因此需要特别注意以应对数据结构的更改。这个问题在某些数据库设计中比其他数据库设计中更为普遍。

将应用程序的数据结构与数据库同步的最常见方法是称为数据库迁移或模式迁移（两者俗称迁移）的过程。迁移涉及更新数据库的结构，以反映应用程序数据模型演变时的更改。这些通常采用一系列文件的形式，每个演变一个文件，其中包含将数据库转换为新格式所需的语句。

保护对数据的访问并清理输入

作为开发人员，使用数据库时的一项重要责任是确保您的应用程序不允许未经授权访问数据。数据安全是一个广泛的、多层面的问题，涉及许多利益相关者。最终，一些安全注意事项将是您有责任处理的。

您的应用程序将需要对数据库的特权访问才能执行例行任务。为了安全起见，数据库的授权框架可以帮助限制您的应用程序可以执行的操作类型。但是，您需要确保您的应用程序适当地限制这些操作。例如，如果您的应用程序管理用户个人资料数据，则您必须阻止用户操纵该访问权限以查看或编辑其他用户的信息。

一个具体的挑战是清理用户输入。清理输入意味着在处理用户提供的任何数据时采取特殊的预防措施。恶意行为者长期以来一直使用正常的用户输入机制来欺骗应用程序泄露敏感数据。设计您的应用程序以防止这些情况发生是一项重要的技能。