Введення в теорію баз даних

Навіщо потрібні бази даних?

Уявіть ситуацію: Ви працюєте в невеликій бібліотеці. У вас є тисячі книг, сотні читачів, щоденні видачі та повернення. Як ви будете зберігати всю цю інформацію?

Еволюція зберігання даних

Паперові картотеки (до 1950-х років)

У минулому бібліотекарі використовували картотечні шафи з папками та картками:

• 📁 Картка на кожну книгу
• 📝 Окрема картка для кожного читача
• 📋 Журнал видач

Проблеми паперового підходу:

Файлова система (1950-1960-ті роки)

З появою комп'ютерів дані почали зберігати у файлах:

library_books.txt
library_readers.txt
library_loans.txt

Покращення:

Але нові проблеми:

Системи управління базами даних (1970-ті - сьогодення)

СУБД вирішує всі попередні проблеми, надаючи:

graph TD
    A[СУБД] --> B[Централізоване зберігання]
    A --> C[Контроль цілісності]
    A --> D[Багатокористувацький доступ]
    A --> E[Безпека даних]
    A --> F[Оптимізація запитів]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style B fill:#64748b,color:#fff
    style C fill:#64748b,color:#fff
    style D fill:#64748b,color:#fff
    style E fill:#64748b,color:#fff
    style F fill:#64748b,color:#fff

Історія та етапи розвитку баз даних

Хронологія ключових подій

timeline
    title Еволюція баз даних
    1950-1960 : Перші дослідження
              : Файлові системи
    1968 : IBM IMS
         : Ієрархічна модель
    1970 : Стаття Кодда
         : Реляційна модель
    1975 : Стандарт CODASYL
         : Мережева модель
    1979 : Oracle v2
         : Перша комерційна РСУБД
    1982 : IBM DB2
    1988 : MS SQL Server 1.0
    1992 : MS Access 1.0
    2000-now : NoSQL, NewSQL
             : Розподілені БД

Початок досліджень (кінець 1950-х)

Дослідження по створенню баз даних стали можливими завдяки появі програмного забезпечення обробки записів і почалися наприкінці 50-х років минулого століття.

Основна ідея: Автоматизація офісної роботи, пов'язаної зі зберіганням та обліком даних, яка виконувалася вручну та потребувала великих витрат праці.

IBM IMS (1968) - Ієрархічна модель

Лідер досліджень: Компанія IBM

У 1968 році IBM випустила свою першу систему управління базами даних IMS (IBM Information Management System), засновану на ієрархічній моделі даних.

Особливості IMS:

• Дані організовані у вигляді дерева
• Зв'язки типу "батько-нащадок"
• Використовувалася для систем резервування авіаквитків

System R та SQL (середина 1970-х)

Революція від IBM:

В середині 70-х років компанія IBM створила першу реляційну систему управління базами даних — IBM System R.

Комерційні продукти (1979-1992)

Oracle v2 (1979)

У 1979 році компанія Oracle випустила першу комерційну РСУБД Oracle v2. Це був переломний момент - реляційні бази даних вийшли за межі дослідницьких лабораторій.

IBM DB2 (1982)

У 1982 році з'явилася РСУБД DB2 від IBM - потужна корпоративна система, яка використовується досі.

Microsoft SQL Server 1.0 (1988)

В 1988 році фірми Microsoft і Ashton-Tate випустили спільний продукт Ashton-Tate/Microsoft SQL Server 1.0.

Microsoft Access (1992)

1992 рік - з'явилася перша версія РСУБД Access від компанії Microsoft - настільна база даних для малого бізнесу та персонального використання.

Основні поняття

База даних (БД)

Приклад: При створенні бази даних навчального закладу ми розміщуємо в ній необхідні набори даних:

graph LR
    A[База даних Університету] --> B[Студенти]
    A --> C[Викладачі]
    A --> D[Факультети]
    A --> E[Дисципліни]
    A --> F[Оцінки]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style B fill:#f59e0b,color:#fff
    style C fill:#f59e0b,color:#fff
    style D fill:#f59e0b,color:#fff
    style E fill:#f59e0b,color:#fff
    style F fill:#f59e0b,color:#fff

Згодом ми керуємо отриманою БД за допомогою програмного забезпечення як єдиним цілим.

Система управління базами даних (СУБД)

Приклади СУБД:

• Microsoft SQL Server
• Oracle Database
• PostgreSQL
• MySQL
• SQLite
• MongoDB (NoSQL)

Компоненти СУБД

СУБД складається з низки серверних та клієнтських засобів:

graph TB
    subgraph "Клієнтська частина"
        A[Інструменти адміністрування]
        B[Конструктори запитів]
        C[Звіти та аналітика]
    end

    subgraph "Серверна частина"
        D[Обробник запитів]
        E[Оптимізатор]
        F[Менеджер пам'яті]
        G[Менеджер транзакцій]
        H[Система безпеки]
    end

    subgraph "Сховище даних"
        I[(Файли даних)]
        J[(Журнал транзакцій)]
        K[(Індекси)]
    end

    A --> D
    B --> D
    C --> D

    D --> E
    E --> F
    F --> I
    D --> G
    G --> J
    E --> K
    D --> H

    style D fill:#3b82f6,color:#fff
    style I fill:#f59e0b,color:#fff

Функції СУБД:

Предметна область

Приклади предметних областей:

Дані vs. Інформація vs. Знання

Важливо розуміти різницю між цими поняттями:

graph LR
    A[Дані] -->|Контекст| B[Інформація]
    B -->|Аналіз| C[Знання]
    C -->|Досвід| D[Мудрість]

    style A fill:#64748b,color:#fff
    style B fill:#3b82f6,color:#fff
    style C fill:#f59e0b,color:#fff
    style D fill:#10b981,color:#fff

25, "Київ", 2024

Температура: 25°C
Місто: Київ
Рік: 2024

У Києві в 2024 році середня температура влітку - 25°C.
Це на 2 градуси вище, ніж 10 років тому.

Порівняння моделей баз даних

Моделі баз даних відрізняються правилами взаємозв'язку основних типів структур даних та операціями над ними. Кожна СУБД використовує логічну структуру зберігання даних, яка залежить від конкретної моделі.

Огляд моделей

timeline
    title Хронологія моделей баз даних
    1960-ті : Файлова модель
            : Набір незв'язаних файлів
    1968 : Ієрархічна модель
         : Деревоподібна структура
    1970 : Мережева модель
         : Графова структура
    1970 : Реляційна модель
         : Таблиці та зв'язки
    1990-ті : Об'єктно-орієнтована
            : Об'єкти та класи
    2000-ні : NoSQL
            : Гнучкі схеми

Файлова модель

Структура файлової моделі

Основні типи структур даних:

graph TD
    A[Файл] -->|складається з| B[Записів]
    B -->|складаються з| C[Полів]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style B fill:#64748b,color:#fff
    style C fill:#f59e0b,color:#fff

Компоненти:

ISBN: 978-966-498-123-4
Назва: "Кобзар"
Автор: "Тарас Шевченко"
Рік: 1840

Приклад файлової структури

Файл: students.txt

1|Іваненко Петро|20|КНТ-21
2|Коваленко Марія|19|КНТ-21
3|Сидоренко Олег|21|КНТ-22

Файл: groups.txt

КНТ-21|Комп'ютерні науки|2021
КНТ-22|Комп'ютерні науки|2022

Файл: grades.txt

1|Математика|95
1|Фізика|87
2|Математика|92

Історичний контекст

Файлова модель була першою моделлю зберігання даних. Її можна вважати моделю без СУБД, адже:

Чому це проблема?

Уявіть, що програміст Іван створив програму для обліку книг у бібліотеці. Він зберігає дані у файлі books.dat у своєму власному форматі. Через рік програміст Марія отримує завдання написати іншу програму для цієї ж бібліотеки. Вона не може просто прочитати файл Івана, бо не знає його структури!

Недоліки файлової моделі

Приклад проблеми дублювання:

У бібліотеці є три файли:

• books.txt - містить автора кожної книги
• loans.txt - містить автора взятої книги
• reservations.txt - містить автора зарезервованої книги

Якщо автор змінив прізвище (наприклад, одружилася), треба змінити дані в трьох місцях. Легко пропустити одне з них!

Ієрархічна модель

Структура ієрархічної моделі

graph TD
    A[Університет] --> B[Факультет КН]
    A --> C[Факультет Економіки]

    B --> D[Група КНТ-21]
    B --> E[Група КНТ-22]

    C --> F[Група ЕКО-21]

    D --> G[Студент: Іваненко]
    D --> H[Студент: Коваленко]

    E --> I[Студент: Петренко]

    F --> J[Студент: Сидоренко]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style B fill:#64748b,color:#fff
    style C fill:#64748b,color:#fff
    style D fill:#f59e0b,color:#fff
    style E fill:#f59e0b,color:#fff
    style F fill:#f59e0b,color:#fff

Характеристики

Переваги:

Приклад природної ієрархії:

• Організаційна структура компанії
• Файлова система операційної системи
• Класифікація живих організмів (царство → тип → клас → рід → вид)

Недоліки:

Приклад проблеми:

Студент Іван вивчає дисципліну "Бази даних", яку викладають на двох факультетах. У ієрархічній моделі доведеться створити два записи для цієї дисципліни - по одному в кожній гілці дерева!

graph TD
    A[Університет] --> B[Факультет КН]
    A --> C[Факультет Математики]

    B --> D["Дисципліна: Бази даних"]
    C --> E["Дисципліна: Бази даних ← ДУБЛІКАТ!"]

    style D fill:#f59e0b,color:#fff
    style E fill:#ef4444,color:#fff

IBM IMS

Найвідоміша СУБД: IBM IMS (Information Management System)

Застосування:

• Системи бронювання авіаквитків
• Банківські системи
• Облік запасів на складах

Сучасність:

Хоча ієрархічна модель як окрема СУБД майже не використовується, ієрархічні структури застосовуються в:

• Файлових системах (папки та підпапки)
• XML/JSON документах
• Організаційних структурах

Мережева модель

Історична довідка: Чарльз Бахман

Структура мережевої моделі

На відміну від ієрархічної моделі, у мережевій моделі вузол може мати кілька батьків:

graph TD
    S1[Студент: Іваненко] --> D1[Дисципліна: Математика]
    S1 --> D2[Дисципліна: Фізика]
    S1 --> D3[Дисципліна: Програмування]

    S2[Студент: Петренко] --> D1
    S2 --> D3

    S3[Студент: Коваленко] --> D2
    S3 --> D3

    D1 --> T1[Викладач: Іванов]
    D1 --> T2[Викладач: Сидорова]

    D2 --> T2

    D3 --> T3[Викладач: Петров]

    style S1 fill:#3b82f6,color:#fff
    style S2 fill:#3b82f6,color:#fff
    style S3 fill:#3b82f6,color:#fff
    style D1 fill:#64748b,color:#fff
    style D2 fill:#64748b,color:#fff
    style D3 fill:#64748b,color:#fff

Стандартизація CODASYL

У 1975 році організація CODASYL (Conference of Data System Languages) стандартизувала мережеву модель:

Базові поняття:

• Set (набір) - зв'язок між записами
• Owner (власник) - батьківський запис
• Member (член) - дочірній запис
• Record type (тип запису) - схема структури даних

Переваги та недоліки

Переваги:

Недоліки:

Порівняння з ієрархічною:

Реляційна модель

Історична довідка: Едгар Кодд

Основна ідея

Революційна концепція Кодда: Відмовитися від складних зв'язків типу "батько-нащадок" та використовувати прості таблиці!

graph LR
    A[Ієрархічна/<br/>Мережева] -->|Революція<br/>Кодда| B[Реляційна]

    A -.->|Складні<br/>зв'язки| C[Дерева/<br/>Графи]
    B -.->|Прості<br/>структури| D[Таблиці]

    style A fill:#64748b,color:#fff
    style B fill:#3b82f6,color:#fff
    style C fill:#ef4444,color:#fff
    style D fill:#10b981,color:#fff

Структура реляційної моделі

Замість деревоподібних структур - звичайні таблиці:

Таблиця Students:

Таблиця Groups:

Зв'язок: Через group_id ми знаємо, до якої групи належить студент!

Ключові особливості

Переваги реляційної моделі

Приклади РСУБД

Комерційні:

• Oracle Database - найпотужніша корпоративна СУБД
• Microsoft SQL Server - популярна у Windows-середовищі
• IBM DB2 - для великих підприємств

Відкриті:

• PostgreSQL - найпросунутіша open-source СУБД
• MySQL - найпопулярніша для веб
• MariaDB - форк MySQL
• SQLite - вбудована БД для мобільних додатків

Хмарні:

• Amazon RDS - керована база даних AWS
• Google Cloud SQL - від Google
• Azure SQL Database - від Microsoft

Об'єктно-орієнтована модель

Основна концепція

Ідея: Якщо ми програмуємо об'єктно-орієнтованими мовами (Java, C++, Python), чому б не зберігати дані також як об'єкти?

classDiagram
    class Student {
        +int id
        +string name
        +Study(Course)
    }
    class Course {
        +int id
        +string title
        +AddStudent(Student)
    }
    Student "many" -- "many" Course : enrolls

Базові поняття ООП у БД

Переваги

Недоліки

Об'єктно-реляційні СУБД

Багато сучасних РСУБД доповнюються елементами ООП:

Oracle Database:

• Підтримка об'єктних типів
• Методи в таблицях
• Наслідування типів

PostgreSQL:

• Користувацькі типи даних
• Наслідування таблиць
• Об'єктні можливості

Приклад (PostgreSQL):

-- Створення користувацького типу
CREATE TYPE address AS (
    street VARCHAR(100),
    city VARCHAR(50),
    zip_code VARCHAR(10)
);

-- Використання в таблиці
CREATE TABLE customers (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100),
    home_address address,
    work_address address
);

Порівняльна таблиця моделей

Висновок по моделях

Початок 70-х років минулого століття став переломним моментом - реляційна модель Едгара Кодда змінила світ баз даних назавжди.

Дванадцять правил Кодда

У процесі розробки реляційної моделі баз даних, Едгар Кодд сформулював вимоги, яким має відповідати будь-яка реляційна СУБД. Він опублікував їх у 1985 році.

Правило 0: Основне правило

Що це означає?

Система може називатися "реляційна СУБД" тільки якщо вона використовує виключно таблиці та реляційні операції. Не можна "хитрувати" та використовувати нереляційні механізми для основних функцій.

Приклад порушення:

❌ Погано: Зберігати дані в таблицях, але використовувати
          файлові покаж чики для зв'язування записів

✅ Добре: Використовувати виключно таблиці та зовнішні
         ключі для всіх операцій

Правило 1: Правило інформації

Пояснення:

Дані можуть зберігатися ТІЛЬКИ в комірках таблиць. Ніякої додаткової інформації за межами таблиць!

Візуалізація:

graph LR
    A[Вся інформація] --> B[Таблиця 1]
    A --> C[Таблиця 2]
    A --> D[Таблиця 3]

    B --> E[Рядки та стовпці]
    C --> F[Рядки та стовпці]
    D --> G[Рядки та стовпці]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style E fill:#10b981,color:#fff
    style F fill:#10b981,color:#fff
    style G fill:#10b981,color:#fff

Приклади:

Таблиця: Users
+----+-----------+----------+
| id | name      | age      |
+----+-----------+----------+
| 1  | Іван      | 25       |
| 2  | Марія     | 30       |
+----+-----------+----------+

Вся інформація в комірках!

Таблиця + окремі мета-дані в файлі config.txt:
"Користувач Іван - адміністратор"

Інформація поза таблицею!

Правило 2: Правило гарантованого доступу

Формула доступу:

Значення = Таблиця[Первинний_Ключ].Стовпець

Приклад:

Таблиця Students:

Доступ до даних:

-- Щоб отримати ім'я студента з ID=2:
Таблиця: Students
Ключ: student_id = 2
Стовпець: first_name
Результат: "Марія"

Чому це важливо?

Правило 3: Правило підтримки недійсних значень

Що таке NULL?

NULL - це не нуль, не порожній рядок, а спеціальне значення, що означає "невідомо" або "не застосовується".

age = NULL  -- Вік невідомий
age = 0     -- Вік - 0 років

Різні речі!

email = NULL  -- Email невідомий
email = ''    -- Email - порожній рядок

Різні речі!

CREATE TABLE Employees (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100) NOT NULL,    -- Обов'язкове
    middle_name VARCHAR(100) NULL, -- Можна NULL
    phone VARCHAR(20) NULL         -- Можна NULL
);

-- Іван без по-батькові
INSERT INTO Employees VALUES (1, 'Іван', NULL, '0501234567');

-- Марія без телефону
INSERT INTO Employees VALUES (2, 'Марія', 'Петрівна', NULL);

Чому NULL потрібен?

Правило 4: Правило динамічного каталогу

Що таке метадані?

Метадані - це "дані про дані":

• Які таблиці існують?
• Які стовпці в кожній таблиці?
• Які є обмеження (constraints)?
• Які індекси створені?

Ключова ідея: Метадані = такі ж таблиці, як і звичайні дані!

Приклад (SQL Server):

-- Переглянути всі таблиці в БД
SELECT * FROM sys.tables;

-- Переглянути стовпці конкретної таблиці
SELECT * FROM sys.columns WHERE object_id = OBJECT_ID('Students');

-- Переглянути зовнішні ключі
SELECT * FROM sys.foreign_keys;

Системні таблиці (приклад структури):

Чому це важливо?

Правило 5: Правило вичерпної підмови даних

Що має робити ця мова?

У реляційних БД це SQL:

-- Створення таблиці
CREATE TABLE Students (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100)
);

-- Зміна структури
ALTER TABLE Students ADD age INT;

-- Видалення
DROP TABLE Students;

-- Вставка
INSERT INTO Students VALUES (1, 'Іван', 20);

-- Оновлення
UPDATE Students SET age = 21 WHERE id = 1;

-- Видалення
DELETE FROM Students WHERE id = 1;

-- Вибірка даних
SELECT name, age
FROM Students
WHERE age > 18;

-- З'єднання таблиць
SELECT s.name, g.group_name
FROM Students s
JOIN Groups g ON s.group_id = g.id;

-- Надати права
GRANT SELECT ON Students TO user_name;

-- Відібрати права
REVOKE INSERT ON Students FROM user_name;

Важливо: Не можна вимагати використання спеціальних інструментів для базових операцій. Все через мову!

Правило 6: Правило оновлення представлень

Що таке представлення (view)?

View - це "віртуальна таблиця", що є результатом запиту.

Приклад:

-- Створення представлення
CREATE VIEW ActiveStudents AS
SELECT id, name, age
FROM Students
WHERE is_active = 1;

-- Представлення повинно працювати як таблиця
SELECT * FROM ActiveStudents;           -- ✅ Читання
INSERT INTO ActiveStudents VALUES(...);  -- ✅ Вставка (якщо можливо)
UPDATE ActiveStudents SET age = 21;      -- ✅ Оновлення (якщо можливо)
DELETE FROM ActiveStudents WHERE id = 1; -- ✅ Видалення (якщо можливо)

Реальність:

На практиці не всі view можна оновлювати. Наприклад:

-- Складне представлення з агрегацією
CREATE VIEW GroupStats AS
SELECT group_id, COUNT(*) as student_count, AVG(age) as avg_age
FROM Students
GROUP BY group_id;

-- Як тут вставити запис? Неможливо!

Правило 7: Правило додавання, оновлення та видалення

Приклад:

-- Видалити одного студента
DELETE FROM Students WHERE id = 1;

-- Оновити одного студента
UPDATE Students SET age = 21 WHERE id = 1;

-- Видалити всіх студентів старше 25
DELETE FROM Students WHERE age > 25;

-- Оновити всіх студентів групи
UPDATE Students SET group_id = 102 WHERE group_id = 101;

-- Видалити ВСІ записи
DELETE FROM Students;

-- Оновити ВСІ записи
UPDATE Students SET is_active = 0;

Чому це важливо?

Правило 8: Правило незалежності фізичних даних

Що це означає?

Ваша програма не повинна знати:

• На якому диску зберігаються файли БД
• Яка файлова система використовується
• Скільки RAM у сервера
• Який процесор встановлено

Приклад:

graph TB
    A[Ваша програма] --> B[SQL запити]
    B --> C[СУБД]

    C -.->|Ви не знаєте про це| D[SSD диск]
    C -.->|Ви не знаєте про це| E[RAID масив]
    C -.->|Ви не знаєте про це| F[Кешування]
    C -.->|Ви не знаєте про це| G[Індекси]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style C fill:#64748b,color:#fff
    style D fill:#f59e0b,color:#333
    style E fill:#f59e0b,color:#333
    style F fill:#f59e0b,color:#333
    style G fill:#f59e0b,color:#333

Переваги:

Правило 9: Правило незалежності логічних даних

Приклад:

Була таблиця:

CREATE TABLE Users (
    id INT,
    full_name VARCHAR(200)  -- Повне ім'я в одному полі
);

Змінили на:

CREATE TABLE Users (
    id INT,
    first_name VARCHAR(100),  -- Розділили на частини
    last_name VARCHAR(100)
);

-- Створили view для сумісності
CREATE VIEW Users_Old AS
SELECT id,
       first_name + ' ' + last_name AS full_name
FROM Users;

Старі програми продовжують працювати з Users_Old!

Правило 10: Правило незалежності умов цілісності

Типи перевірок:

CREATE TABLE Students (
    id INT PRIMARY KEY,
    age INT CHECK (age >= 16 AND age <= 100),
    email VARCHAR(100) CHECK (email LIKE '%@%')
);

CREATE TABLE Users (
    id INT PRIMARY KEY,
    name VARCHAR(100) NOT NULL,  -- Обов'язкове поле
    email VARCHAR(100) NOT NULL
);

CREATE TABLE Users (
    id INT PRIMARY KEY,
    email VARCHAR(100) UNIQUE  -- Унікальне значення
);

CREATE TABLE Students (
    id INT PRIMARY KEY,
    group_id INT,
    FOREIGN KEY (group_id) REFERENCES Groups(id)
);
-- Не можна вказати group_id, якого немає в Groups!

Правило 11: Правило незалежності поширення

Розподілена БД:

graph TB
    A[Користувач] --> B[SQL запит]
    B --> C[Головний сервер]

    C --> D[БД Київ]
    C --> E[БД Львів]
    C --> F[БД Одеса]

    D --> G[Студенти Києва]
    E --> H[Студенти Львова]
    F --> I[Студенти Одеси]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style C fill:#64748b,color:#fff

Приклад запиту:

-- Користувач не знає, що дані на різних серверах!
SELECT name, city
FROM Students
WHERE age > 20;

-- СУБД сама:
-- 1. Відправляє запит на всі сервери
-- 2. Збирає результати
-- 3. Повертає об'єднаний результат

Правило 12: Правило єдності

Що це означає?

Не можна:

• Редагувати файли БД напряму (блокнотом)
• Змінювати дані через низькорівневі API
• Обходити перевірки прав доступу

Приклад порушення:

❌ ПОГАНО:
# Відкрити файл БД і змінити байти
hexedit /var/lib/mysql/students.ibd

✅ ДОБРЕ:
# Використовувати тільки SQL
UPDATE Students SET age = 21 WHERE id = 1;

Чому це важливо?

Підсумок правил Кодда

Порівняння сучасних СУБД

На сьогоднішній день існує велика кількість систем керування базами даних. Для порівняння візьмемо чотири популярні РСУБД: MS SQL Server, Oracle, PostgreSQL і MySQL.

Microsoft SQL Server

Розробник: Microsoft Corporation

Перша версія: 1988 рік (SQL Server 1.0)

Остання версія: SQL Server 2022

Ліцензія: Комерційна (є безкоштовна Express редакція)

Oracle Database

Розробник: Oracle Corporation

Перша версія: 1979 рік (Oracle v2)

Ліцензія: Комерційна

PostgreSQL

Розробник: Спільнота розробників

Перша версія: 1996 рік

Ліцензія: Open Source (безкоштовна)

MySQL

Розробник: Oracle Corporation (раніше MySQL AB)

Перша версія: 1995 рік

Ліцензія: Open Source / Комерційна

Детальне порівняння

Oracle Database

Переваги:

Недоліки:

Коли використовувати:

Microsoft SQL Server

Переваги:

Недоліки:

Редакції:

Коли використовувати:

PostgreSQL

Переваги:

Недоліки:

Унікальні можливості:

-- Зберігання JSON
CREATE TABLE products (
    id SERIAL PRIMARY KEY,
    data JSONB
);

-- Запити до JSON
SELECT data->>'name' FROM products
WHERE data @> '{"category": "books"}';

-- Стовпець-масив
CREATE TABLE posts (
    id INT,
    tags TEXT[]
);

INSERT INTO posts VALUES (1, ARRAY['sql', 'database', 'tutorial']);

-- Розширення PostGIS
CREATE EXTENSION postgis;

-- Робота з координатами
SELECT name FROM cities
WHERE ST_Distance(location, 'POINT(30.5 50.5)') < 10000;

Коли використовувати:

MySQL

Переваги:

Недоліки:

Популярні форки:

Коли використовувати:

Порівняльна таблиця

Висновок: Яку СУБД обрати?

MS SQL Server - "Золота середина"

Microsoft SQL Server є золотою серединою серед СУБД:

Для навчання ми обрали MS SQL Server!

Ця СУБД:

1. Широко використовується в індустрії
2. Має зручні інструменти
3. Добре документована
4. Безкоштовна для навчання (Express)
5. Чудовий баланс між функціональністю та складністю

Рекомендації вибору

graph TD
    A[Вибір СУБД] --> B{Бюджет?}
    B -->|Необмежений| C[Oracle]
    B -->|Середній| D{Платформа?}
    B -->|Обмежений| E{Складність?}

    D -->|Windows/.NET| F[MS SQL Server]
    D -->|Linux/кроссплатформа| G[PostgreSQL]

    E -->|Проста| H[MySQL]
    E -->|Складна| G

    style C fill:#ef4444,color:#fff
    style F fill:#3b82f6,color:#fff
    style G fill:#10b981,color:#fff
    style H fill:#f59e0b,color:#333

Встановлення Microsoft SQL Server

У цьому розділі ми детально розглянемо процес встановлення MS SQL Server 2016 Express та інструментів управління.

Версії та редакції Microsoft SQL Server

Перша версія MS SQL Server (SQL Server 1.0) з'явилася в 1988 році. Наступна версія — SQL Server 1.1 — вийшла у 1990 році.

Хронологія основних версій:

Редакції SQL Server 2016

Доступні редакції:

Інсталяція Microsoft SQL Server 2016 Express

Системні вимоги

Перш ніж розпочати встановлення, переконайтеся, що ваш комп'ютер відповідає вимогам:

Завантаження інсталятора

1. Перейдіть на офіційний сайт Microsoft:
   https://www.microsoft.com/en-us/sql-server/sql-server-downloads
2. Знайдіть секцію Express edition
3. Натисніть кнопку Download

Крок 1: Вибір типу установки

Після запуску інсталятора з'явиться вікно вибору типу установки.

Доступні варіанти:

Виберіть Custom (Користувацька установка) для повного контролю.

Крок 2: Вибір розташування

У наступному вікні відображається:

• Необхідний вільний простір на диску
• Розмір завантаження
• Папка встановлення

Рекомендація: Залишіть розташування за замовчуванням або виберіть диск з достатнім вільним місцем.

Натисніть кнопку Install для початку завантаження.

Крок 3: Завантаження пакету

Розпочнеться завантаження пакету установки. Цей процес може зайняти кілька хвилин залежно від швидкості інтернету.

Крок 4: Початок нової установки

Після завантаження з'явиться вікно SQL Server Installation Center.

Виберіть перший пункт: "New SQL Server stand-alone installation or add features to an existing installation"

Крок 5: Ліцензійна угода

Ознайомтеся з ліцензійною угодою від Microsoft.

Важливо:

• Прочитайте умови використання
• Поставте галочку "I accept the license terms"
• Натисніть Next

Крок 6: Встановлення файлів інсталяції

Програма здійснить:

• Пошук оновлень
• Завантаження необхідних файлів
• Підготовку до установки

Зачекайте завершення цього етапу.

Крок 7: Правила встановлення

Програма перевірить систему на потенційні проблеми.

Можливі попередження:

Натисніть Next для продовження.

Крок 8: Вибір компонентів

Основні компоненти для вибору:

✅ Database Engine Services (ОБОВ'ЯЗКОВО)
   └─ SQL Server Replication

✅ Full-Text and Semantic Extractions

⚠️  Analysis Services (опціонально)

⚠️  Reporting Services (опціонально)

❌ Machine Learning Services (не потрібно для початку)

✅ Database Engine Services

Цього достатньо для навчання!

Рекомендація для навчання: Виберіть Database Engine Services та Reporting Services.

Крок 9: Встановлення компонентів

Розпочнеться встановлення вибраних компонентів.

Прогрес установки відображається для кожного компонента. Цей процес може зайняти 5-10 хвилин.

Після успішного встановлення натисніть Next.

Крок 10: Налаштування екземпляру

Що таке екземпляр (Instance)?

Типи екземплярів:

Рекомендація: Виберіть Named instance з ім'ям SQLEXPRESS (за замовчуванням).

Крок 11: Конфігурація сервера

Налаштування облікових записів служб та параметрів сортування.

Служби SQL Server:

Рекомендація: Залишіть налаштування за замовчуванням та натисніть Next.

Крок 12: Database Engine Configuration

Це найважливіший крок установки!

Вкладка "Server Configuration"

Режим автентифікації:

Налаштування адміністраторів:

Додайте поточного користувача Windows як адміністратора:

1. Натисніть кнопку Add Current User
2. Або Add... для додавання інших користувачів

Вкладка "Data Directories"

Налаштування розташування файлів бази даних.

Типи каталогів:

Data root directory
├── User database directory     (.mdf файли даних)
├── User database log directory (.ldf файли журналів)
├── Backup directory            (Резервні копії)
└── TempDB directory            (Тимчасові дані)

C:\SQLDB\                     ← Data root
├── C:\SQLDB\Data\           ← User databases
├── C:\SQLDB\Logs\           ← Log files
├── C:\SQLDB\Backup\         ← Backups
└── C:\SQLDB\TempDB\         ← Temporary

Інші вкладки

TempDB:

• Налаштування тимчасової бази даних
• Можна залишити за замовчуванням

User Instances:

• Дозвіл користувачам запускати екземпляр
• За замовчуванням увімкнено

FILESTREAM:

• Зберігання великих бінарних даних (файли, зображення)
• За замовчуванням вимкнено
• Можна увімкнути пізніше

Натисніть Next для продовження.

Крок 13: Reporting Services Configuration

Якщо ви встановили Reporting Services, з'явиться це вікно.

Варіанти:

Виберіть Install and configure та натисніть Next.

Крок 14: Microsoft R Open (опціонально)

SQL Server 2016 включає підтримку R для статистичного аналізу.

Натисніть Accept (або Skip якщо не потрібно).

Крок 15: Процес установки

Розпочнеться основна установка SQL Server. Це найдовший етап!

Що відбувається:

• Копіювання файлів
• Створення служб Windows
• Налаштування Database Engine
• Встановлення Reporting Services
• Конфігурація безпеки

Крок 16: Завершення установки

Успіх! SQL Server встановлено.

Вікно показує:

• ✅ Успішно встановлені компоненти
• ⚠️ Попередження (якщо є)
• ❌ Помилки (якщо є)

Натисніть Close для завершення.

Крок 17: Перевірка встановлення

Відкрийте Панель керування → Програми та компоненти

Ви повинні побачити Microsoft SQL Server 2016 у списку встановлених програм.

Важливо: Перезавантажте комп'ютер після установки!

Встановлення SQL Server Management Studio (SSMS)

SQL Server Management Studio (SSMS) - це візуальне середовище для роботи з SQL Server.

Навіщо потрібен SSMS?

Без SSMS:

# Робота через командний рядок
sqlcmd -S localhost\SQLEXPRESS
1> SELECT * FROM Users;
2> GO

З SSMS:

• 🖱️ Графічний інтерфейс
• 📝 Редактор запитів з підсвічуванням
• 🗂️ Object Explorer для перегляду структури
• 📊 Візуальні діаграми
• 🔧 Інструменти налаштування

Завантаження SSMS

Варіант 1: Через Installation Center

1. Запустіть SQL Server 2016 Installation Center
2. Виберіть Install SQL Server Management Tools

3. Відкриється браузер з сторінкою завантаження

Варіант 2: Пряме завантаження

Перейдіть на:
https://docs.microsoft.com/en-us/sql/ssms/download-sql-server-management-studio-ssms

Натисніть Download SQL Server Management Studio

Встановлення SSMS

Після завантаження запустіть інсталятор.

Крок 1: Початок установки

Натисніть Install для початку.

Крок 2: Завантаження пакетів

SSMS завантажить необхідні компоненти.

Крок 3: Процес установки

Установка може зайняти 5-10 хвилин.

Крок 4: Перезавантаження

Після установки рекомендується перезавантажити комп'ютер.

Натисніть Restart або Close (якщо перезавантаження пізніше).

Перевірка встановлення SSMS

Після перезавантаження знайдіть у меню Пуск:

Microsoft SQL Server Tools 17
└─ Microsoft SQL Server Management Studio 17

Перше підключення до SQL Server

Запуск SSMS

Запустіть SQL Server Management Studio з меню Пуск.

При першому запуску:

1. Завантаження налаштувань користувача
2. Ініціалізація середовища
3. Вікно підключення до сервера

Вікно підключення

Параметри підключення:

1. Server type (Тип сервера)

✅ Основна служба БД
Використовуйте це для роботи з даними

⚠️ Аналітична обробка даних
OLAP, бізнес-аналітика

⚠️ Створення звітів
Публікація звітів

⚠️ ETL процеси
Інтеграція даних

Для роботи з даними: Виберіть Database Engine.

2. Server name (Ім'я сервера)

Формат:

localhost
.
(local)
COMPUTER_NAME

localhost\SQLEXPRESS
.\SQLEXPRESS
COMPUTER_NAME\SQLEXPRESS

SSMS автоматично знаходить локальні сервери. Виберіть зі списку:

• (local)\SQLEXPRESS - ваш локальний екземпляр
• . - скорочена форма localhost

3. Authentication (Автентифікація)

Режими автентифікації:

Для локального SQL Server Express: Виберіть Windows Authentication.

Успішне підключення!

Після натискання Connect ви побачите:

graph LR
    A[Object Explorer] --> B[Databases]
    A --> C[Security]
    A --> D[Server Objects]
    A --> E[Management]

    B --> F[System Databases]
    B --> G[User Databases]

    F --> H[master]
    F --> I[tempdb]
    F --> J[model]
    F --> K[msdb]

    style A fill:#3b82f6,color:#fff
    style B fill:#64748b,color:#fff
    style F fill:#f59e0b,color:#333

Перевірте підключення:

• У Object Explorer розкрийте Databases
• Ви повинні побачити системні бази даних: master, tempdb, model, msdb

Інструменти SQL Server

Давайте розглянемо встановлені компоненти та утиліти.

SQL Server Configuration Manager

Призначення: Керування службами та мережевими налаштуваннями

Можливості:

Як запустити:

Start Menu → SQL Server 2016 Configuration Manager

Основні служби:

Reporting Services Configuration Manager

Призначення: Налаштування сервера звітів

Що можна налаштувати:

SQL Server Import and Export Data

Призначення: Копіювання даних між джерелами

Підтримувані формати:

✅ SQL Server
✅ Oracle
✅ MySQL
✅ PostgreSQL
✅ Access
✅ Excel

✅ CSV, TXT
✅ Excel (.xlsx, .xls)
✅ XML
✅ JSON

✅ Azure SQL Database
✅ Azure Blob Storage
✅ Amazon RDS

Коли використовувати:

• Міграція даних
• Імпорт з Excel в SQL
• Експорт даних для аналізу
• Регулярне копіювання

Практичне завдання

Завдання 1: Створення тестової бази даних

1. Відкрийте SSMS
2. Підключіться до сервера
3. У Object Explorer → правою кнопкою на Databases → New Database...
4. Введіть ім'я: TestDB
5. Натисніть OK

Результат: База даних TestDB з'явилася у списку.

Завдання 2: Створення таблиці

1. Розкрийте TestDB → Tables
2. Правою кнопкою → New → Table...
3. Додайте стовпці:

4. Зробіть id первинним ключем (правою кнопкою на id → Set Primary Key)
5. Збережіть таблицю (Ctrl+S) з ім'ям Users

Завдання 3: Вставка даних

1. Правою кнопкою на таблиці Users → Edit Top 200 Rows
2. Введіть дані:

3. Натисніть в іншому місці для збереження

Завдання 4: Запит даних

1. Натисніть New Query
2. Введіть SQL:

SELECT * FROM TestDB.dbo.Users;

3. Натисніть Execute (F5)

Очікуваний результат:

id    name      age
1     Іван      25
2     Марія     22
3     Петро     30

Поширені проблеми та рішення

Проблема 1: Не можу підключитися до SQL Server

Симптоми:

A network-related or instance-specific error occurred while establishing
a connection to SQL Server.

Рішення:

Проблема 2: SQL Server Authentication не працює

Симптоми:

Login failed for user 'sa'.

Причина: Можливо, під час установки вибрали тільки Windows Authentication.

Рішення:

1. Підключіться через Windows Authentication
2. Object Explorer → правою кнопкою на сервері → Properties
3. Security → виберіть SQL Server and Windows Authentication mode
4. Натисніть OK
5. Перезапустіть службу SQL Server

Проблема 3: Недостатньо прав

Симптоми:

The user does not have permission to perform this action.

Рішення:

1. Переконайтеся, що ваш обліковий запис Windows - адміністратор
2. Або додайте себе до ролі sysadmin:

-- Виконайте під обліковим записом з правами
USE master;
GO
CREATE LOGIN [DOMAIN\Username] FROM WINDOWS;
GO
ALTER SERVER ROLE sysadmin ADD MEMBER [DOMAIN\Username];
GO

Висновок

Ви готові до вивчення баз даних!

У наступних уроках ми детально розглянемо:

• Реляційну модель та математичні основи
• ER-моделювання
• Проектування логічної схеми
• Класифікацію таблиць