Banco de dados

Diante da necessidade humana de registrar os eventos e informações relevantes, foram criadas diversas técnicas com esse fim. Técnicas como pinturas pré-históricas, hieróglifos, escrita cuneiforme e, posteriormente, a própria escrita alfabética, foram usadas como meios para registrar dados. Com a invenção do papel em meados de 105 d.C. e, no âmbito ocidental, da prensa móvel de Gutenberg, as tecnologias de impressão evoluíram muito, e, a partir do século XV, o papel passou a ser o meio físico mais comum de registro de informações.

Essa herança fez com que no início da era computacional, se usasse o papel perfurado e, depois, o cartão perfurado em máquinas, ambos idealizados por Herman Hollerith, fundador da International Business Machines (IBM). A continuidade do papel no presente como um meio indispensável de armazenamento pode ser encontrada em bancos de dados não computadorizados, como ocorre com arquivos de aço, fichas e pastas.

 

Entretanto, novos fatores que levaram ao desenvolvimento dos bancos de dados computadorizados foram a praticidade, eficiência, rapidez e confiabilidade do registro de informações em meios eletrônicos, em conjunto com o barateamento e disponibilidade de sua oferta.

A origem dos programas de bancos de dados ocorreu de maneira síncrona ao surgimento dos computadores, tendo em vista que, antes mesmo do desenvolvimento de programas específicos para este uso, os computadores já utilizavam recursos de gravação e leitura de dados em disco.

Apesar de cada aplicação ser responsável pelo gerenciamento de dados, alguns fatores dificultaram o seu uso, como:

• Falta de controle de acesso dos usuários;
• Impossibilidade de executar mais de um processo ao mesmo tempo;
• Estrutura do arquivo armazenada no próprio código do aplicativo, criando forte dependência do arquivo em relação à aplicação;
• Inconsistência e dificuldade de acesso e isolamento de dados;
• Segurança dos dados;
• Duplicidade de informações;
• Incompatibilidade entre formatos de arquivos.

Em sistemas orientados a arquivos, ocorre um fluxo de informações em duas vias, em que há interações entre o usuário e a aplicação, e a aplicação com o banco de dados, e vice-versa.

Esses sistemas são conhecidos como sistemas de processamento de arquivos, pois não possuem estruturas de dados definidas no código-fonte, tornando sua manutenção muito difícil.

Além disso, o compartilhamento de dados de um mesmo arquivo entre vários programas também é um problema, visto que todo fragmento de código responsável pela definição da estrutura de dados precisa necessariamente ser copiada para vários programas.

Outro fator que dificultava a utilização de sistemas deste tipo era o método de acesso ao arquivo de dados, em que as rotinas de leitura e escrita estavam inseridas no próprio código-fonte, ocasionando um desalinhamento do padrão, visto que cada aplicação trabalhava de forma diferente em relação à metodologia de acesso dos arquivos.

Em um sistema de banco de dados, os aplicativos não possuem nenhum conhecimento relacionado aos métodos de gravação e leitura dos dados nas tabelas; em vez disso, eles se comunicam com o software de gerenciamento para recuperar ou armazenar registros, fazendo com que vários programas consigam acessar um mesmo banco de dados ao mesmo tempo, sem implicações nos aplicativos.

Dessa forma, os sistemas gerenciadores de banco de dados (SGBDs) oferecem uma produtividade maior no desenvolvimento de softwares e aplicativos, proporcionando um nível mais alto de qualidade às aplicações.

Uma das maiores vantagens de se utilizar um gerenciador de banco de dados é a confiabilidade das informações, devido à coerência em que se encontram os dados.

Por ser um ótimo segmento e muito lucrativo, houve um grande investimento por parte do mercado em sistemas de gerenciamento e hoje existem diversas versões de banco de dados disponíveis em várias plataformas e sistemas operacionais.

Nos dias de hoje, é indispensável o uso do banco de dados, uma vez que é possível encontrar inúmeras atividades que possuem alguma interação com eles, desde redes sociais até aplicativos de gerenciamento de produção.^[12]

 

Existem vários modelos de bases de dados: Modelo Plano (ou tabular), Modelo de Memória Transacional, Modelo em Rede, Modelo Hierárquico, Modelo Relacional, Orientado a objetos e Objeto Relacional.

• O modelo plano (ou tabular) consiste em 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 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.

Diferentemente 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) escrever 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 torna 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 ao pé da letra - as 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 à medida que os bancos de dados evoluíram.

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 foi implementado em muitos sistemas, tais como Access, Oracle, MySQL, PostgreSQL, entre outros.^[13]

Nos últimos anos, os bancos de dados relacionais (RDBMS) passaram por várias evoluções significativas, impulsionadas por novas tecnologias e a crescente demanda por recursos mais avançados. Aqui estão algumas das principais tendências e desenvolvimentos:

• Integração com Inteligência Artificial e Machine Learning: A automação está se tornando uma característica central em muitos RDBMS. Ferramentas baseadas em IA agora podem otimizar o gerenciamento de dados, melhorar o desempenho das consultas e até mesmo realizar a auto reparação de sistemas. Isso reduz significativamente a carga administrativa dos administradores de banco de dados​. Um exemplo é o Neuronimbus.
• Avanços em Segurança: Com o aumento das ameaças cibernéticas, a segurança dos bancos de dados se tornou uma prioridade. Novos mecanismos de criptografia, monitoramento de atividades e detecção de anomalias estão sendo implementados para proteger dados sensíveis tanto em repouso quanto em trânsito​.
• Adoção de Cloud e Modelos Híbridos: A migração para soluções baseadas em nuvem está em alta, com muitos negócios adotando o modelo de Banco de Dados como Serviço (DBaaS). Isso permite escalabilidade e flexibilidade, e as empresas estão cada vez mais utilizando arquiteturas híbridas que combinam bancos de dados on-premise e em nuvem ​.^[14]
• Adoção de Novos Padrões SQL: Com o crescente uso de bancos de dados NoSQL, há uma pressão para que os RDBMS se adaptem e integrem funcionalidades que antes eram exclusivas de bancos de dados não relacionais, como consultas flexíveis e armazenamento de dados não estruturados. Isso inclui suporte melhorado para operações em tempo real e análise de dados em larga escala​. Um exemplo de banco de dados NoSQL é o RavenDB.
• Interoperabilidade com NoSQL: Embora os bancos de dados relacionais permaneçam populares, muitos desenvolvedores estão utilizando uma combinação de RDBMS e NoSQL, aproveitando as forças de ambos os sistemas. Isso permite que as organizações atendam a necessidades específicas de processamento de dados enquanto mantêm a integridade e a estrutura oferecidas pelos bancos de dados relacionais​.

Essas tendências indicam um futuro dinâmico para os bancos de dados relacionais, à medida que eles continuam a se integrar com novas tecnologias e a se adaptar às necessidades em evolução dos usuários. Se você quiser saber mais sobre esses desenvolvimentos, você pode conferir mais detalhes nas fontes citadas.

Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados são usados em muitas aplicações, abrangendo virtualmente a gama inteira de software de computador. Os Sistemas Gerenciadores de Bancos de Dados são o método preferido de armazenamento e recuperação de dados/informações para aplicações multiusuários grandes, onde a coordenação entre os usuários é necessária.^[15] Até mesmo usuários individuais os consideram convenientes, entretanto, muitos programas de correio eletrônico e organizadores pessoais estão baseados em tecnologia de banco de dados padrão.

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^[16]:

• Atomicidade:
  • Todas as ações devem ser concluídas com sucesso para que a transação 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 princípio é que nenhuma outra transação operando no mesmo sistema possa interferir na transação corrente, sendo assim 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 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 de leitura e gravação.
• Em processo de efetivação
  • A transação irá entrar nesse processo quando executar sua última operação, a solicitação do commit.
  • É nesse processo que 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 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.
  • Caso uma transação não tenha sido concluída com sucesso, ela pode ser reiniciada automaticamente.
• Concluída
  • Estado final da transação.
  • Suas informações mantidas em catálogo já podem ser excluídas.
  • Caso uma transação não tenha sido concluída com sucesso, ela pode ser reiniciada automaticamente.

Controle de concorrência é um método usado para garantir que as transações sejam executadas de 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 processar um conjunto de transações concorrentemente seja computacionalmente equivalente a um escalonamento produzido executando essas transações serialmente em alguma ordem. Um sistema que garante esta propriedade assegura a serialização.^[17]

Em vez de bloquear (blocking) 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.^[18]

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 enfrenta 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 utilizam essa 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 acesso aos dados de acordo com papéis (roles) fornecidos pelo administrador. O comando GRANT concede privilégios específicos para um objeto (tabela, visão, banco de dados, função, linguagem procedimental, esquema ou espaço de tabelas) para um ou mais usuários ou grupos de usuários.

Em um banco de dados podem ocorrer falhas: de transação, de sistema ou de mídia. A falha de transação, que é a mais comum, é aquela em que a transação é finalizada irregularmente, normalmente por falta de dados necessários ou programação equivocada. A falha de sistema, que tem probabilidade de ocorrência mediana, ocorre quando a execução do sistema é interrompida por causa de problemas como falta de energia, falha no hardware ou mau funcionamento do sistema operacional. Em uma falha de mídia, o banco de dados não fica plenamente acessível, fazendo com que parte do disco perca dados. Normalmente ocorre devido a disfunções na leitura ou partes do disco danificadas.^[18]

Existem alguns mecanismos capazes de permitir a recuperação de um banco de dados de algumas inconsistências causadas 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).^[17] Entretanto, não é um método 100% seguro.

Os mecanismos mais comuns são o Log de dados, que é usado em conjunto com 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 Write-ahead logging 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 fossem refletidas na base de dados. Neste caso, as modificações realizadas por essa transição são refeitas.
• Global REDO
  • Ocorre caso a base de dados seja corrompida e todas as transações aplicadas no banco de dados são perdidas. Nesse caso, todas as alterações vindas dessas transações que foram perdidas são refeitas.

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 ao controle de concorrência, linguagens de consulta e métodos de 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).

• Tabelas
• Regras
• Procedimentos armazenados (mais conhecidos como stored procedures)
• Gatilho
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• Visão
• Índice
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• Big Data
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• Cliente-servidor
• Oracle (banco de dados)
• Sistema de gerenciamento de banco de dados
• Normalização
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• 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