[CS] 데이터베이스란?

📌파일 시스템과 데이터 베이스

1. 파일 시스템

• 운영체제가 파일을 저장하고 관리하는 기본적인 시스템
• 데이터를 개별적인 파일로 저장하며, 디렉터리를 통해 파일을 조직
• 단순한 데이터 저장 구조로 빠른 접근이 가능하지만, 데이터 중복 및 무결성 유지가 어렵다

2. 데이터베이스

• 체계적으로 데이터를 저장하고 관리하는 시스템
• 데이터를 구조적으로 저장하며, 관계형 모델(RDBMS)이나 NoSQL 등의 방식이 있다
• 트랜잭션 관리, 동시성 제어, 데이터 무결성 보장 들의 기능을 제공
• SQL과 같은 질의 언어를 이용하여 데이터를 효율적으로 접근하고 관리한다.

파일 시스템은 단순한 데이터 저장이 필요할 때 유용하지만, 데이터 간의 관계, 검색, 보안, 동시성 처리가 필요하면 데이터베이스를 사용하는 것이 적합한다.

파일 시스템에 이미지를 저장하고, 데이터베이스에 해당 파일의 메타데이터(경로, 크기, 생성 시간)를 저장하곤 한다.

 

📌데이터베이스의 정의와 DBMS의 역할

1. 데이터베이스란?

• 데이터를 체계적으로 저장하고 관리하는 시스템
• 여러 사용자가 데이터를 쉽게 검색, 수정, 삭제, 추가할 수 있도록 지원
• 중복을 최고화하고 일관성과 무결성을 유지할 수 있도록 설계
• 데이터를 관리하기 쉽게 구조화해서 저장하는 저장소

2. DBMS의 역할

• Database Management System (데이터 관리 시스템)
• 데이터 베이스를 효율적으로 관리해주는 프로그램으로 SQL 같은 언어로 데이터를 쉽게 다룰 수 있게 해준다.

역할	설명
데이터 저장 및 관리	데이터를 효율적으로 저장하고, 빠르게 검색할 수 있도록 구조화
데이터 무결성 유지	데이터가 손상되지 않고, 일관성을 유지하도록 제약 조건 관리
트랜잭션 관리	여러 작업을 하나의 단위로 처리하여 데이터 정합성 유지
동시성 제어	여러 사용자가 동시에 데이터를 읽고 쓰는 경우 충돌 방지
보안 및 접근 제어	사용자 권한을 설정하고 인증을 통해 보안 강화
백업 및 복구	데이터 손실을 방지하고 장애 발생 시 복구 가능

 

데이터베이스(DB) = 데이터를 저장하는 공간 

DBMS = 데이터베이스를 관리하는 프로그램 (MySQL, PostgreSQL, Oracle, MongoDB)

 

DBMS없이 데이터베이스를 효율적으로 관리하기 어렵다.

 

📌RDBMS와 릴레이션 모델의 기본 개념

1. RDBMS란?

• 관계형 모델을 기반으로 데이터를 저장하고 관리하는 DBMS
• 데이터를 테이블 형식으로 저장하며, 각 테이블을 행과 열로 구성된다.

2. 릴레이션 모델

• 데이터를 테이블(표, Relation) 형태로 구조화하여 저장하고 관리하는 데이터 모델
• 모든 데이터를 행과 열로 구성된 테이블에 저장하며, 여러 테이블 간의 관계를 설정하여 데이터의 일관성 유지
• 릴레이션 = 테이블
  • 데이터가 저장되는 기본 단위
• 튜플 = 행 = 레코드
  • 테이블의 한 줄을 의미
  • 하나의 개체에 대한 데이터를 담음
• 애트리뷰트 = 열 = 필드
  • 테이블에서 데이터의 속성을 정의하는 열
  • 각 애트리뷰트는 특정 데이터 타입을 가진다. (정수형, 문자열, 날짜형 등..)
• 도메인
  • 하나의 애트리뷰트가 가질 수 있는 값의 범위 (gender 컬럼 => man, woman)
• 차수
  • 컬럼의 개수
• 카디널리티
  • 행의 개수

 

📌데이터베이스 키와 무결성 제약조건

1. 키(Key)

데이터베이스에서 키는 튜플(행)을 유일하게 식별하는 속성이다.

(1) 슈퍼 키

• 한 테이블에서 튜플을 유일하게 식별할 수 있는 속성 또는 속성들의 집합
• 기본 키도 슈퍼 키에 포함
• ex) "학번" ,"학번+이름", "학번+이름+전화번호" => 불필요한 속성이 포함될 수 있다.

(2) 후보 키

• 슈퍼 키 중에 최소한의 속성만 포함하여 튜플을 유일하게 식별할 수 있는 키
• 여러 개 존재할 수 있으며, 그중 하나가 기본 키로 선택 된다.
• 후보 키 ⊆ 슈퍼 키
• ex) "학번", "이메일", "전화번호" => 불필요한 속성이 제거된 최소 키

(3) 기본 키

• 후보 키 중에서 대표로 선택된 키 ex) "학번"
• NULL 값을 가질 수 없으며, 중복될 수 없다

(4) 대체 키

• 후보 키 중에서 기본 키로 선택되지 않은 키
• ex) "이메일", "전화번호"

(5) 외래 키

• 다른 테이블의 기본 키를 참조하는 속성
• 외래 키가 가리키는 값이 반드시 존재해야 한다 (참조 무결성 유지)

 

2. 무결성 제약조건

무결성 제약 조건은 DB의 데이터가 일관성을 유지하도록 강제하는 규칙이다.

 

(1) 개체 무결성

• 기본 키는 NULL이거나 중복될 수 없다.

(2) 참조 무결성

• 외래 키는 참조하는 기본 키 값이 존재해야 한다.

(3) 도메인 무결성

• 컬럼의 값 정의된 도메인 범위(자료형과 제약조건)를 벗어나지 않도록 제한한다.

(4) 고유 무결성

• 특정 컬럼에 대해 중복을 허용하지 않도록 설정한다.
• 기본 키와 다르게 NULL 허용
• UNIQUE 제약 조건 사용

(5) NULL 무결성

• 특정 컬럼의 값이 NULL이면 안 된다.
• NOT NULL 제약조건을 사용

 

📌 MySQL과 InnoDB의 주요 특징 및 동작 원리

MySQL은 오픈 소스 관계형 데이터베이스 관리 시스템(RDBMS)이고, InnoDB는 MySQL에서 기본적으로 사용되는 스토리지 엔진이다.

 

1. MySQL

• 관계형 데이터베이스로 데이터를 테이블 형태로 저장하고 관리한다.
• 오픈 소스이며, 빠르고 안정적이고 확장성이 뛰어나다.

2. InnoDB

• MySQL의 기본 스토리지 엔진으로, 트랜잭션을 지원하는 강력한 엔진
• ACID 보장, 외래 키 지원, 데이터 무결성 유지, 데이터 충돌 최소화 등의 기능 제공
  • ❔ACID?
    • 원자성(Atomicity): 하나의 트랜잭션이 모두 실행되거나 전혀 실행되지 않음
    • 일관성(Consistency): 트랜잭션 전후로 데이터베이스 상태가 일관됨
    • 격리성(Isolation): 동시 트랜잭션 간 영향을 최소화
    • 지속성(Durability): 트랜잭션이 커밋되면 데이터가 영구적으로 저장
  • ❔외래키 지원 => 참조 무결성 보장
    • 외래키를 지원하여 참조 무결성을 보장한다.
    • 부모 테이블의 데이터 삭제 시 자식 데이블 데이터도 함께 삭제 (ON DELETE CASCADE)
  • ❔충돌 최소화? => MVCC(다중 버전 동시성 제어) 지원
    • 여러 트랜잭션이 동시에 데이터를 읽고 수정할 때 충이 발생하지 않도록 관리하는 방식
    • 데이터 변경 시 이전 데이터를 유지해서, 트랜잭션이 동시에 실행될 때도 각 트랜잭션이 자신만의 일관된 데이터를 볼 수 있도록 해주는 기술
    • InnoDB는 데이터를 변경할 때 기존 데이터를 바로 덮어쓰지 않고, Undo Log에 이전 버전을 저장해둔다.
      • Undo Log (롤백 로그)
        • 롤백 시 Undo Log를 사용하여 이전 상태로 복원 가능하다.
      • Redo Log (재실행 로그)
        • MySQL이 갑자기 종료되더라고 Redo Log를 사용하여 데이터 복구 가능하다.
    • 트랜잭션이 시작될 때 그 시점에서 볼 수 있는 스냅샷을 유지한다.
    • 즉, MVCC는 커밋되지 않은 변경 사항이 다른 트랜잭션에 영향을 주지 않도록 해준다.
• 기본적으로 Clustered Index(B+Tree) 구조를 사용하여 데이터를 저장
  • ❔클러스터형 인덱스
    • 데이터를 실제로 저장하는 방식
    • 기본 키를 기준으로 정렬되어 저장된다.
    • 기본 키 인덱스와 데이터가 함께 저장된다.
  • ❔B+Tree
    • 데이터베이스 및 파일 시스템에서 널리 사용되는 균형 탐색 트리
    • InnoDB 스토리지 엔진이 인덱스를 저장하는 방식