Banco de dados

Exemplo de output (saída) de uma interrogação SQL a uma base de dados.

Bancos de dados ^{(português brasileiro)} ou bases de dados ^{(português europeu)} são conjuntos de arquivos relacionados entre si, com registros sobre pessoas, lugares ou informações em geral. São coleções organizadas de dados que se relacionam de forma a criar algum sentido (informação) e dar mais eficiência durante uma pesquisa ou estudo científico. São de vital importância para empresas e há mais de duas décadas, se tornaram a principal peça dos sistemas de informação e segurança. Normalmente, existem por vários anos sem alterações em sua estrutura sistemática.

Os bancos de dados são operados pelos Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados (SGBD), que surgiram na década de 1970. Antes destes, as aplicações usavam sistemas de arquivos do sistema operacional para armazenar suas informações. Na década de 1980, a tecnologia de SGBD relacional passou a dominar o mercado; Atualmente é utilizada em praticamente todos os bancos de dados. Outro tipo notável é o SGBD Orientado a Objetos, implementado em bancos de dados com estruturas complexas ou aplicações que mudam constantemente.

A principal aplicação de banco de dados é o controle de operações empresariais. Outra aplicação também importante é o gerenciamento de informações de estudos, como fazem os Bancos de Dados Geográficos, que unem informações convencionais a espaciais.

Modelos de base de dados

Composição de cinco modelos de banco de dados.

Existem vários Modelos de Base de Dados: Modelo Plano (ou tabular), Modelo em Rede, Modelo Hierárquico, Modelo Relacional, Orientado a objetos e Objeto-Relacional.

• O modelo plano (ou tabular) consiste de matrizes simples, bidimensionais, compostas por elementos de dados: inteiros, números reais, etc. Este modelo plano é a base das planilhas eletrônicas;
• O modelo em rede permite que várias tabelas sejam usadas simultaneamente por meio do uso de apontadores (ou referências). Algumas colunas contêm apontadores para outras tabelas ao invés de dados. Assim, as tabelas são ligadas por referências, o que pode ser visto como uma rede;
• O modelo hierárquico é uma variação particular do modelo em rede, limitando as relações a uma estrutura semelhante à de uma árvore (hierarquia - tronco, galhos), ao invés do modelo mais geral direcionado por grafos;
• Bases de dados relacionais consistem, principalmente, em três componentes:
  • Uma coleção de estruturas de dados, conhecidas como relações, ou informalmente tabelas;
  • Uma coleção dos operadores, a álgebra e o cálculo relacionais;
  • Uma coleção de restrições da integridade, definindo o conjunto consistente de estados de base de dados e de alterações de estados. As restrições de integridade podem ser de quatro tipos: de domínio (também conhecidas como type), de atributo, "relvar" (variável relacional) e restrições de base de dados.

Bases de dados relacionais

Bem diferente dos modelos hierárquico e de rede, não existem quaisquer apontadores, de acordo com o Princípio da Informação: toda a informação deve ser representada como dados; qualquer tipo de atributo representa relações entre conjuntos de dados. As bases de dados relacionais permitem aos utilizadores (incluindo programadores) escreverem consultas (queries) que não foram antecipadas por quem projetou a base de dados. Como resultado, bases de dados relacionais podem ser utilizadas por várias aplicações em formas que os projetistas originais não previram, o que é especialmente importante em bases de dados que são utilizadas por longos períodos. Isto tem tornado as bases de dados relacionais muito populares no meio empresarial.

O modelo relacional é uma teoria matemática desenvolvida por Edgar Frank Codd para descrever como as bases de dados devem funcionar. Embora esta teoria seja a base para o software de bases de dados relacionais, poucos sistemas de gestão de bases de dados seguem o modelo de forma restrita ou a pé da letra - lembre-se das 12 leis do modelo relacional - e todos têm funcionalidades que violam a teoria, desta forma variando a complexidade e o poder. A discussão se esses bancos de dados merecem ser chamados de relacional ficou esgotada com o tempo, com a evolução dos bancos existentes. Os bancos de dados hoje implementam o modelo definido como objeto-relacional. Os primeiros sistemas comerciais baseados no modelo relacional foram disponibilizados em 1980, e desde então ele vem sendo implementado em muitos sistemas, tais como Access, Oracle, MySQL, PostgreSQL, entre outros.

Aplicações de bancos de dados

Sistemas Gerenciadores de Bancos de dados são usados em muitas aplicações, atravessando virtualmente a gama inteira de software de computador. Os Sistemas Gerenciadores de Bancos de dados são o método preferido de armazenamento/recuperação de dados/informações para aplicações multiusuárias grandes onde a coordenação entre muitos usuários é necessária. Até mesmo usuários individuais os acham conveniente, entretanto, muitos programas de correio eletrônico e organizadores pessoais estão baseados em tecnologia de banco de dados standard.

Transação

Uma transação é um conjunto de procedimentos, executados num banco de dados, que o usuário percebe como uma única ação.

A integridade de uma transação depende de quatro propriedades, conhecidas como ACID:

• Atomicidade
  • Todas as ações que compõem a unidade de trabalho da transação devem ser concluídas com sucesso, para que seja efetivada. Se durante a transação qualquer ação que constitui unidade de trabalho falhar, a transação inteira deve ser desfeita (rollback). Quando todas as ações são efetuadas com sucesso, a transação pode ser efetivada e persistida em banco (commit).
• Consistência
  • Todas as regras e restrições definidas no banco de dados devem ser obedecidas. Relacionamentos por chaves estrangeiras, checagem de valores para campos restritos ou únicos devem ser obedecidos para que uma transação possa ser completada com sucesso.
• Isolamento
  • Cada transação funciona completamente à parte de outras transações. Todas as operações são parte de uma transação única. O principio é que nenhuma outra transação, operando no mesmo sistema, possa interferir no funcionamento da transação corrente (é um mecanismo de controle). Outras transações não podem visualizar os resultados parciais das operações de uma transação em andamento (ainda em respeito à propriedade da atomicidade).
• Durabilidade
  • Significa que os resultados de uma transação são permanentes e podem ser desfeitos somente por uma transação subsequente. Por exemplo: todos os dados e status relativos a uma transação devem ser armazenados num repositório permanente, não sendo passíveis de falha por uma falha de hardware.

A transação possui os seguintes estados:

• Ativa
  • É o estado inicial de toda transação e, enquanto está ativa ela executa uma ou mais operações read e write.
• Em processo de efetivação
  • A transação irá entrar nesse processo quando executar sua última operação, a solicitação do commit.
  • É nesse processo onde o sistema precisa garantir que a transação ocorra com êxito, e em caso de falhas deve ser utilizada alguma técnica de recuperação.
• Efetivada
  • Uma transação entra nesse estado após ela ter sido realizada com sucesso.
• Em processo de aborto
  • Caso uma transação não consiga proceder em sua execução ela entra nesse estado.
  • Só é possível que passe para esse estado caso esteja ativa ou em processo de efetivação.
  • Em caso de uma transação que não foi concluída com sucesso, ela pode ser reiniciada automaticamente.
• Concluída
  • Estado final da transação.
  • Suas informações mantidas em catálogo já podem ser excluídas.
  • Em caso de uma transação que não foi concluída com sucesso, ela pode ser reiniciada automaticamente.

Controle de concorrência

Controle de concorrência é um método usado para garantir que as transações sejam executadas de uma forma segura e sigam as regras ACID. Os SGBD devem ser capazes de assegurar que nenhuma ação de transações completadas com sucesso (committed transactions) seja perdida ao desfazer transações abortadas (rollback).

Uma transação é uma unidade que preserva consistência. Requer-se, portanto, que qualquer escalonamento produzido ao se processar um conjunto de transações concorrentemente seja computacionalmente equivalente a um escalonamento produzido executando essas transações serialmente em alguma ordem. Diz-se que um sistema que garante esta propriedade assegura a seriabilidade, ou também serialização.

Bloqueio

Em vez de bloquear (locking) um banco de dados inteiro, uma transação pode bloquear apenas os itens de dados que ela acessa. Sobre tal política, a transação precisa manter bloqueios por tempo suficiente para garantir a serialização, mas por um período curto o suficiente para não prejudicar o desempenho excessivamente.

Segurança

Os bancos de dados são utilizados para armazenar diversos tipos de informações, desde dados sobre uma conta de e-mail até dados importantes da Receita Federal. A segurança do banco de dados herda as mesmas dificuldades que a segurança da informação enfrenta, que é garantir a integridade, a disponibilidade e a confidencialidade. Um sistema gerenciador de banco de dados deve fornecer mecanismos que auxiliem nesta tarefa.

Uma forma comum de ataque à segurança do banco de dados é injeção de SQL, em bancos de dados que façam uso desta linguagem, mas bancos de dados NoSQL também podem ser vítimas. Para evitar estes ataques, o desenvolvedor de aplicações deve garantir que nenhuma entrada possa alterar a estrutura da consulta enviada ao sistema.

Os bancos de dados SQL implementam mecanismos que restringem ou permitem acessos aos dados de acordo com papéis ou roles fornecidos pelo administrador. O comando GRANT concede privilégios específicos para um objeto (tabela, visão, banco de dados, função, linguagem procedural, esquema ou espaço de tabelas) para um ou mais usuários ou grupos de usuários.

Falhas

Em um bancos de dados pode haver falhas, elas podem ser falhas de transação, de sistema ou de mídia. Na falha de transação, (falha mais comum) a transação é finalizada irregularmente. Ela normalmente é causada por falta de dados necessários ou programação equivocada. Na falha de sistema (probabilidade de ocorrência mediana), a execução do sistema é interrompida por causa de problemas como falta de energia, falha no hardware ou mau funcionamento do sistema operacional. Em falha de mídia, o banco de dados não fica plenamente acessível, fazendo com que parte do disco perca dados. Normalmente ocorrido por causa de disfunções na leitura ou parte do disco danificado.

Recuperação

Existem alguns mecanismos capazes de permitir a recuperação de um banco de dados de alguma inconsistência causada por falhas internas (erros de consistência, como recuperação de um estado anterior a uma transação que deu erro) e externas (queda de energia, catástrofe ambiental).. Entretanto, não é um método 100% seguro.

Os mecanismos mais comuns são o Log de dados, no qual é usado em conjunto dos outros métodos; utilização de Buffer no qual, apesar de normalmente ser feito pelo próprio sistema operacional, é controle por rotinas de baixo nível pelo Sistema de gerenciamento de banco de dados. Possui também as possibilidades de Predefinição:Ill e informações das transações possibilitando o REDO (refazer) e o UNDO (desfazer), assim sempre possibilitando a volta do banco de dados a um estado anterior consistente, além de cópias de sombra dos logs e dos últimos dados alterados do banco de dados.

Ações básicas da recuperação de banco de dados:

• Transaction UNDO
  • Ocorre caso uma transação não conclua suas operações, nesse caso, todas as alterações feitas por ela são desfeitas.
• Global UNDO
  • Ocorre quando mais de uma transação não consiga concluir suas operações, nesse caso, todas as alterações feitas por tais transações são desfeitas.
• Partial REDO
  • Em caso de falha, alguma transação pode ter sido concluída porém sem que suas ações fosse refletidas na base de dados. Nesse caso, as modificações realizadas por essa transição são refeitas.
• Global REDO
  • Ocorre caso a base de dados seja corrompida e todas as transações commited no banco de dados são perdidas. Nesse caso, todas as alterações vindas dessas transações que foram perdidas são refeitas.

Pesquisa

A tecnologia de banco de dados tem sido um tópico de pesquisa ativo desde 1960, tanto na academia como nos grupos de pesquisa e desenvolvimento de empresas (por exemplo, IBM Research). A atividade de pesquisa inclui teoria e desenvolvimento de protótipos. Tópicos de pesquisa notáveis incluem modelos, o conceito de transação atômica e técnicas relacionadas controle de concorrência, linguagens de consulta e métodos otimização de consulta, RAID e muito mais.

A área de pesquisa de banco de dados tem vários periódicos acadêmicos dedicados (por exemplo, ACM Transactions on Database Systems - TODS, Data and Knowledge Engineering - DKE) e conferências anuais (por exemplo, ACM SIGMOD, ACM PODS, VLDB e IEEE ICDE).

Funções internas comuns

• Tabelas
• Regras
• Procedimentos armazenados (mais conhecidos como stored procedures)
• Gatilho
• Default
• Visão
• Índice
• Generalizadores

Ver também

• Big Data
• CDDB
• Cliente-servidor
• Oracle (banco de dados)
• Sistema de gerenciamento de banco de dados
• Normalização
• Banco de dados distribuídos
• Arquitetura de dados
• Banco de dados geográficos
• Administração de dados
• Banco de dados hierárquico
• Banco de Dados Orientado a Objetos
• Prevayler
• MongoDB
• OLAP
• Modelo relacional
• SQL (Structured Query Language)
• SQLite
• Matriz CRUD
• Engenharia de software
• Lista de banco de dados

Ligações externas

• CNET News.com article, An