数据库设计教程

本文由 Erin Doherty 撰写，最初发表于Educative。

数据库无处不在——它们是我们日常使用的技术的基础。从电信系统、银行系统、视频游戏，到几乎所有需要维护一定量持久数据的软件系统，数据库都是至关重要的组成部分。

在本教程中，我们将介绍以下内容：

• 什么是数据库？
• 数据库在 Web 应用中处于什么位置
• 为什么我们需要数据库？
• 什么是云计算？
• 关系数据库 - RDBMS
• SQL 教程
• 非关系数据库
• NoSQL 的优势
• SQL 与 NoSQL

什么是数据库？

数据库是信息的集合。乍一看，数据库并不美观——它只是一些原始数据，需要经过大量工作才能在用户界面上良好地显示出来。数据库之所以重要，是因为它体现了信息的逻辑建模方式。

数据本身现在甚至被视为一种宝贵的资源——许多公司通过向广告商出售用户数据来赚钱——比如谷歌。

本文的读者对象是刚接触计算机编程的开发人员。

数据库在 Web 应用程序中处于什么位置？

回到 Web 开发，在服务器-客户端模型中，数据库就是服务器。

• 数据以一种丑陋、原始、未格式化的形式存储在服务器（数据库）上。通常，信息是根据数据模式进行逻辑分组的，而不是根据用户想要查看的内容。
• 客户端是浏览器，用户在这里与数据进行交互。数据以用户易于阅读的方式显示，包括炫酷的颜色、按钮、图片等等！

数据库主要有两种类型：具有表模式的关系数据库和各不相同的 NoSQL 数据库。

为什么我们需要数据库？

想象一下，如果您经营一家宠物店，并且正在搜索该年内宠物的数量：

如果您使用收据来存储信息，则必须：

1. 手工查看数百张收据
2. 按宠物对收据进行分组，这样您就不会重复计算两次被保姆照顾过的宠物
3. 创建所有宠物的列表以获取数量

数据库将信息以有序的表格形式存储，因此您可以查询数据库，了解一年中您饲养的宠物数量。数据库的一大优势在于，您可以轻松进一步细分信息：有多少只狗、多少只猫，以及它们来过您的宠物托管中心的次数，都可以通过数据库快速访问。

什么是云计算？

很久以前，也就是 2000 年代，大多数公司都会购买自己的服务器，并将其存放在自己的办公楼里。这些服务器上会有很多数据库，用于存放表格和信息。这被称为本地部署 (On-Prem)。数据库就在你的本地。

在这种本地部署的时代，情况变得非常复杂。公司必须聘请自己的 DBA（数据库管理员），并弄清楚如果断电该怎么办。此外，所有数据库都各自为政，彼此孤立。每家公司都有自己的服务器、数据库和存储信息的表模式，但公司之间几乎不可能共享数据。

然后云计算来了！云计算就是花钱聘请数据库专家来为你的公司管理服务器和数据库。这对企业意味着什么？企业可以专注于自身的价值主张，而不是电脑！例如：

• 您的宠物店可以雇用更多疯狂的猫女士，并减少数据库管理员，因为您将服务器外包给一家大公司。
• 更好的数据库：由于 Petstore 付钱给专业人员来关注数据库，您将拥有更好的产品。
• 维护更容易，因为像 Microsoft Azure、Amazon Web Services 或 Google Cloud 这样的巨头公司会运行技术更新
• 更多按需技术帮助。您的云提供商的专业人员可以帮助您了解一些基本的技术标准：例如如何设置数据库、使用哪些工具以及购买哪些软件。

所有这些云计算都引出了以 aaS 结尾的所有缩写词：

• 软件即服务
• 平台即服务
• 函数即服务

关系数据库 RDBMS

最初是关系型数据库。RDBMS 代表关系数据库管理系统，是一种控制数据库系统的方法。
关系型数据库使用表（通常称为表格关系）对数据进行逻辑建模。

Excel 中的电子表格是一个很好的比喻，可以用来理解关系数据库的工作原理。关系数据库就像表格——也就是说，它们就像 Excel 中的表格。如果将关系数据库想象成一个 Excel 工作簿：

• 电子表格就像数据库
• 每个标签就像一个数据库表
• 表格在不同的选项卡中定义
• 每个表都有一个键
• 使用键在表之间链接数据

宠物店老板示例

假设你经营着一家宠物托管公司。你如何追踪宠物主人的信息？我们先从以下两条信息开始。

• 姓名
• 地址

这些信息都会发生变化——人们结婚、搬家。那么，程序员该如何快速更新信息，并灵活应对生活中的各种变化呢？

开发人员设计了一个关系数据库，其中包含版本化的名称表和版本化地址表。每个表都有一个主键——一个指向该行信息的唯一编号。NameId 和 AddressId。主键不会重复——在 Excel 屏幕截图中——主键是开发人员查找精确信息行的方式。

架构

设计关系数据库的第一步是定义模式。模式是所有数据在表中的位置映射——表名、列名。模式显示了表之间的关系——从上面的例子中，我们可以看到如何使用姓名表来查找与人员相关的地址。

在关系数据库中，所有信息都使用模式进行排序、结构化、定义和设计。当开发人员知道数据输入的内容时，关系数据库非常适用。例如，如果地址信息出现在表单中，则数据本身就已经具有定义好的结构。

SQL 教程

SQL，即结构化查询语言，是查询关系数据库最常用的方式。查询是从数据库中提取信息的一种方式。在查询数据库时，开发人员注重效率。想象一下一个包含数十亿个地址的数据库，我们如何快速找到一个地址并显示给用户？

答案是使用键来提高效率。主键（或聚集索引）是指向特定数据的唯一地址。主键不可重复使用。非聚集索引是开发人员和数据库管理员添加到数据库中的附加键，用于加快常用查询的速度。辅助键通常在软件投入生产后添加，通过监控性能，开发人员可以识别最大的速度瓶颈，并添加辅助键来缓解流量。

继续学习。

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软件工程师数据库设计基础知识

SQL代码解释

在上面的 SQL 代码片段中，我们创建了两个 SQL 表。Schema 定义了如何创建和链接这两个表。

请注意，在查询中，我们根据 AddressId 连接了两个表。星号 * 表示提取所有列，因此此查询会提取两个表的所有列。我们还指示 SQL 使用主键 NameId 查找正确的数据行。出于效率考虑，尽可能使用主键至关重要。想象一下拥有数十亿行数据的数据库；当信息量巨大时，查找正确的信息可能需要很长时间。

非关系数据库

当开发人员不知道将要接收什么样的信息时，他们该怎么办？最近，非关系数据库取得了许多进展，它们可以接收非结构化信息并将其存储。非关系数据库不需要太多的前期设计，而且更加灵活。非关系数据库的缺点是它们通常更难使用——因为开发人员不知道将要接收什么样的信息——数据可能来自图片、电影、.zip 文件或纯文本。存储之后，一旦开发人员必须使用非关系数据库中的信息，由于选项太多，编写代码逻辑来处理这些信息会变得更加困难。

NoSQL

NoSQL 意味着数据库不是 SQL，而是不同于传统表格关系的东西。NoSQL 非常适合大数据和实时 Web 应用。说 No SQL 有点夸张。NoSQL 更应该被认为是“不仅仅是 SQL”，许多 NoSQL 数据库既使用表关系，也使用其他关系。例如，图片存储数据库可能包含多种类型的文件，但仍然保留了键到文件表的关系。NoSQL
牺牲了一致性——开发人员在查询 NoSQL 数据库时不知道会得到什么——以换取其他好处。

NoSQL 的优势

• 简约设计
• 更简单的水平扩展
• 控制可用性
• 限制对象关系阻抗不匹配
• 可用性、分区容错性和速度
• 但是……NoSQL 牺牲了一致性来实现这 3 个好处，从而导致了 NoSQL 具有“最终一致性”的想法。

开发 NoSQL 数据库时，会用到不同的数据结构。我们这里不会深入探讨，但以下列出了一些常见的 NoSQL 数据结构，以便您了解一些概念：

• 键值
• 宽柱
• 图形
• 文档

NoSQL 数据库拥有不同的查询选项，查询就是向数据库请求信息。NoSQL
数据库通常用于存储未格式化的信息。软件可以先获取数据，然后再进行处理。当你不知道预先会得到什么样的信息时，这非常有用：例如，当用户可以通过电子邮件发送图片、PDF、附件或文本时。

SQL 与 NoSQL

何时选择 SQL 数据库？

如果您正在编写股票交易、银行业务或金融应用，或者需要存储大量关系数据（例如，编写像 Facebook 这样的社交网络应用），那么您应该选择关系数据库。原因如下：

事务和数据一致性

如果您编写的软件与金钱或数字有关，那么事务、ACID 和数据一致性对您来说至关重要。关系型数据库在事务和数据一致性方面表现出色。它们符合 ACID 规则，历史悠久，并且久经考验。

存储关系

如果你的数据有很多关系，比如你的哪些朋友住在某个城市？你的哪些朋友已经在你计划今天去的餐厅吃过饭了？等等。没有什么比关系数据库更适合存储这类数据了。

关系数据库是为了存储关系而构建的。它们已经过实践检验，并被 Facebook 等业内巨头用作面向用户的主要数据库。

流行的关系数据库：

• MySQL
• 微软 SQL 服务器
• PostgreSQL
• MariaDB

何时选择 NoSQL 数据库

以下是选择 NoSQL 数据库的几个原因：

处理大量读写操作

当您需要快速扩展时，NoSQL 数据库是您的不二之选。例如，当您的网站有大量读写操作，并且需要处理大量数据时，NoSQL 数据库是最佳选择。由于 NoSQL 数据库能够动态添加节点，因此能够以最小的延迟处理更多并发流量和海量数据。

运行数据分析
NoSQL 数据库也最适合数据分析用例，在这些用例中我们必须处理大量数据的涌入。

流行的NoSQL数据库：

• MongoDB
• Redis
• 卡桑德拉
• HBASE

如果您想尝试像 MongoDB 这样的 NoSQL 数据库，那么我强烈建议您查看 Nikola Zivkovic 的课程《MongoDB 权威指南》。

总结

这篇文章涵盖了很多内容，但我们只是触及了皮毛。你应该花时间学习数据建模、规范化、函数依赖和 SQL。

《软件工程师数据库设计基础》是一门学习数据库设计关键方面的优秀课程。在本课程中，你将学习：

• 掌握数据库系统的基础知识。
• 接触不同类型的数据库。
• 了解实体关系图及其用途。
• 能够规范化数据库以提高查询效率。
• 已经学习了查询数据库的基本SQL命令。

您可以点击上面的链接查看免费预览。

学习愉快！