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Nota
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Esse post é baseado em um capítulo do livro Database Internals de Alex Petrov. |
Agora que entendemos o que é uma base de dados relacional e como podemos interagir com ela usando SQL, vamos ver como uma base de dados relacional é construída internamente. Entender como umas base de dados funciona internamente pode nos ajudar a compreender melhor seu comportamento e com isso podemos tomar decisões mais informadas sobre o uso ou a escolha de uma base de dados.
Todas as implementações de bancos de dados são diferentes, mas a maioria delas compartilha de funcionalidades e arquiteturas semelhantes. No diagrama abaixo, temos uma visão geral de uma possível arquitetura de um sistema de gerenciamento de banco de dados relacional (DBMS - Database Management System), mas é importante lembrar que cada implementação pode variar em detalhes específicos.
Para descrever essa arquitetura, vamos usar uma abordagem de cima para baixo, começando pelo módulo de transporte.
Módulo de Transporte (Transport)
A grande maioria das bases de dados modernas são implementadas usando uma arquitetura cliente-servidor. Isso significa que a aplicação que utiliza o banco de dados atua como cliente, enquanto o processo do banco de dados atua como servidor. Para isso o módulo de transporte é responsável por gerenciar a comunicação entre a aplicação cliente e, em caso de bancos distribuídos, entre as diferentes instâncias do banco de dados.
As queries SQL são então processadas pelo módulo Client Communication, que interpreta as requisições vindas do cliente e as encaminha para o próximo módulo, o Query Processor.
Quando a comunicação é feita entre diferentes instâncias do banco de dados, ela não envolve o processamento de consultas SQL e por isso é tratada diretamente pela Execution Engine.
Módulo de Processamento de Consultas (Query Processor)
O módulo de processamento de consultar é responsável por interpretar, validar e otimizar as consultas SQL recebidas do módulo de transporte. Ele é composto por dois submódulos principais: o Query Parser e o Query Optimizer. O submódulo Query Optimizer é responsável por analisar a consulta SQL e determinar a forma mais eficiente de executá-la, levando em consideração fatores como índices disponíveis, estatísticas de dados e custos de execução.
Um plano de execução é gerado baseado na query SQL recebida e é passado para o próximo módulo, a Execution Engine.
Módulo Motor de Execução (Execution Engine)
Para que o plano de execução gerado pelo módulo de processamento de consultas seja executado, ele pode ser executado localmente ou remotamente, se o banco de dados for distribuído. O módulo de execução é responsável por interpretar o plano de execução e coordenar as operações necessárias para recuperar ou modificar os dados conforme especificado na consulta SQL.
Módulo Motor de Armazenamento (Storage Engine)
O módulo motor de armazenamento é responsável por gerenciar a forma como os dados são armazenados fisicamente no disco. Ele é dividido em cinco submódulos principais: o Transaction Manager, o Lock Manager, o Access Methods, o Buffer Manager e o Recovery Manager.
Um dos grandes desafios enfrentados pelas bases de dados é melhorar o desempenho do acesso ao disco. Todas as informações em um banco de dados são armazenadas em algum tipo de mídia não-volátil, mesmo que esteja em algum sistema de armazenamento em nuvem, e qualquer acesso a esses dados envolve operações de leitura e escrita que são muito mais lentas que as operações realizadas na memória volátil (RAM).
Outro desafio é que a leitura e escrita de dados no disco é feita em blocos de tamanho fixo, o que significa que mesmo que apenas um pequeno pedaço de informação seja necessário, o sistema precisa ler ou escrever o bloco inteiro. Esse comportamento é diferente do acesso à memória volátil, onde é possível acessar qualquer byte individualmente.
| Tempo de Acesso | Tipo de Memória |
|---|---|
~1ns |
L1 Cache Ref |
~4ns |
L2 Cache Ref |
~100ns |
DRAM |
~16.000ns |
SSD |
~2.000.000ns |
HDD |
~50.000.000ns |
Rede |
~1.000.000.000ns |
Fita |
Todos os dados de um banco de dados, em última instância, são armazenados em arquivos no sistema de arquivos. Esses arquivos podem ser organizados de diferentes maneiras, dependendo da implementação do banco de dados, mas geralmente são divididos em páginas ou blocos de tamanho fixo (por exemplo, 4KB ou 8KB). Cada página pode ser organizada por tuplas (linhas), log estruturado ou orientado a índices.
Gerenciador de Transações (Transaction Manager)
O gerenciador de transações é responsável por organizar a execução das transações garantindo que a base de dados esteja sempre em um estado consistente.
Gerenciador de Bloqueios (Lock Manager)
O gerenciador de bloqueios é responsável por controlar o acesso concorrente aos dados envolvidos em transações concorrentes, garantindo o isolamento entre elas.
Métodos de Acesso (Access Methods)
Os métodos de acesso são responsáveis por definir como os dados são organizados e acessados no armazenamento físico. Eles utilizam estruturas de dados como árvores B, árvores LSM e arquivos heap.
Gerenciador de Buffer (Buffer Manager)
O gerenciador de buffer é responsável por gerenciar a memória volátil (RAM) utilizada para armazenar temporariamente os dados que estão sendo lidos ou escritos no disco. Ele otimiza o desempenho do banco de dados reduzindo o número de acessos ao disco.
Gerenciador de Recuperação (Recovery Manager)
O gerenciador de recuperação é responsável por garantir a integridade dos dados em caso de falhas, como quedas de energia ou erros de software. Ele utiliza técnicas como logs de transações e pontos de verificação para restaurar o banco de dados a um estado consistente após uma falha.
Conclusão
Bancos de Dados são sistemas com diversas implementações diferentes, mas a maioria deles compartilha de funcionalidades e arquiteturas semelhantes. Entender como uma base de dados relacional é construída internamente pode nos ajudar a compreender melhor seu comportamento e com isso podemos tomar decisões mais informadas sobre o uso ou a escolha de uma base de dados.
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