O que é um banco de dados na memória?

Um banco de dados na memória armazena todos os dados de uma organização ou indivíduo na memória principal de um computador.

A análise de dados no banco de dados na memória é rápida em comparação com bancos de dados tradicionais, que usam dispositivos de armazenamento secundário. Esses dispositivos de armazenamento secundário incluem um disco rígido ou dispositivos de estado sólido. A unidade central de processamento (CPU) de um computador tem acesso direto apenas aos dados armazenados na memória principal. Portanto, um computador pode ler/gravar dados na memória principal muito mais rápido do que os dados no dispositivo de armazenamento secundário. Isso torna os bancos de dados na memória incrivelmente rápidos.

As organizações usam um banco de dados na memória para aplicações que exigem operações de banco de dados de alta velocidade. O leilão em tempo real para anúncios publicitários usa um banco de dados na memória. Nos lances de anúncios em tempo real, uma plataforma coloca um anúncio para leilão enquanto o usuário carrega uma página da web. A plataforma de leilão em tempo real coleta os dados de vários participantes, seleciona um leilão vencedor com base em várias regras e exibe o anúncio do vencedor. Tudo isso precisa acontecer em milissegundos enquanto a página da web é carregada. Um banco de dados na memória ajuda a plataforma de lances em tempo real a realizar todas essas operações de dados com latência de milissegundos.

Por que as organizações precisam de um banco de dados na memória?

Com o advento da Internet das Coisas (IoT) e o crescimento de soluções baseadas em nuvem, as organizações precisam processar dados em tempo real. Milhões de dispositivos, como monitores de saúde e segurança, geram dados a cada segundo. É crucial analisar esses dados em tempo real. As organizações precisam de soluções de banco de dados de alto desempenho para processar seus dados em tempo real. Os bancos de dados na memória também ajudam as organizações a melhorar sua produtividade, acelerando suas operações de banco de dados, e a aproveitar os benefícios do Big Data. Se uma organização tiver algum das seguintes necessidades, deve considerar a adoção de um banco de dados na memória:

• A organização precisa aproveitar as vantagens do Big Data em tempo real.
• A organização coleta dados regularmente e precisa de acesso rápido.
• A persistência de dados não é um grande problema para a organização.

Banco de dados na memória vs. banco de dados baseado em disco

• Um banco de dados na memória permite leituras/gravações mais rápidas em comparação com um banco de dados tradicional baseado em disco. Em bancos de dados tradicionais, cada operação de banco de dados requer gravação/leitura do disco, o que envolve uma operação de entrada/saída (IO). Esse processo extra torna os bancos de dados baseados em disco mais lentos.
• Os dados nos bancos de dados tradicionais baseados em disco são persistentes em comparação com os dados no banco de dados na memória. A memória principal usada no banco de dados na memória é volátil. Os dados podem ser perdidos em caso de falha do sistema. Os bancos de dados na memória usam várias técnicas para superar o problema da volatilidade dos dados.
• Em bancos de dados tradicionais, as estruturas utilizadas para armazenamento de dados são complexas, a fim de garantir que o acesso aos dados do disco seja eficiente. Normalmente, o acesso aleatório dos dispositivos de armazenamento secundário leva muito tempo. Bancos de dados tradicionais usam várias estruturas de dados como B-Trees para superar isso. No caso de bancos de dados na memória, as estruturas de armazenamento são simples, pois o acesso aleatório aos dados da memória principal é altamente eficiente.
• Os bancos de dados tradicionais baseados em disco só podem ser executados em sistemas com um dispositivo de armazenamento secundário. Muitos dispositivos integrados não suportam armazenamento secundário. Os bancos de dados na memória podem ser executados com eficiência na memória principal desses dispositivos integrados. Organizações que trabalham no setor de Internet das Coisas costumam escolher bancos de dados na memória devido a esse recurso.
• Os bancos de dados na memória são mais adequados para aplicações com baixos requisitos de dados. Embora tenha havido um aumento significativo no tamanho da memória RAM, ela ainda está na faixa de vários gigabytes. Em bancos de dados tradicionais baseados em disco, não há essa restrição. Eles podem operar em tamanho de dados de vários terabytes.

Como um banco de dados na memória garante a durabilidade dos dados?

É um pré-requisito para todo banco de dados garantir as propriedades ACID:

• Atomicidade
• Consistência
• Isolamento
• Durabilidade

Embora os bancos de dados na memória garantam as três primeiras propriedades, etapas adicionais precisam ser executadas para garantir a durabilidade. Esta propriedade determina que todos os dados devem estar intactos, mesmo se houver uma falha de sistema ou de energia. Os bancos de dados na memória são baseados na memória principal volátil. A memória volátil é projetada de tal forma que todos os dados serão perdidos se o sistema for desligado. Os bancos de dados na memória usam várias técnicas para garantir que os dados não sejam apagados após um desligamento ou uma falha do sistema.

Captura instantânea

Um banco de dados na memória cria instantâneos periódicos do banco de dados e os armazena nas unidades de disco (não voláteis). Esta captura instantânea do banco de dados é uma cópia desse banco de dados inteiro em um determinado momento. Embora a captura instantânea periódica seja uma maneira de preservar os dados, ela pode não garantir a durabilidade. Sempre há uma chance de falha do sistema depois que uma captura instantânea é salva. Todas as alterações após o instantâneo serão perdidas.

Registro de transações

Nesse método, o banco de dados na memória mantém um registro de todas as modificações feitas no banco de dados. Esses logs de transações terão os detalhes de cada operação de inserção e modificação. Eles são armazenados em um arquivo não volátil que pode ser usado para recuperar o banco de dados em caso de falha. Em bancos de dados que realizam milhares de operações por minuto, o log de transações adiciona sobrecarga ao desempenho e à capacidade de armazenamento do sistema. A maioria dos bancos de dados na memória mantém os logs de transações até que um instantâneo seja feito e os descarta.

Memória RAM não volátil (NVRAM)

Outra maneira de garantir a durabilidade dos dados é usando uma memória RAM não volátil. A NVRAM retém os dados mesmo após o desligamento da energia. A NVRAM é uma solução popular usada por bancos de dados na memória para alcançar a durabilidade dos dados. Os bancos de dados na memória usam RAM estática alimentada por bateria ou memória somente leitura programável apagável eletricamente (EEPROM).

Recursos essenciais de um banco de dados na memória

Com o aumento de aplicações em tempo real, a demanda pelo banco de dados na memória também aumentou. Vários bancos de dados na memória estão disponíveis no mercado. Às vezes, é difícil escolher uma solução de banco de dados na memória perfeita. A seguir estão os recursos essenciais que um banco de dados na memória deve possuir para ser útil nos atuais cenários de mercado.

Pronto para migração para a nuvem

A maioria das organizações está migrando para a nuvem e prefere o modelo de negócios de software como serviço (SAAS). O banco de dados na memória também precisa ser compatível com o modelo de nuvem. Isso significa que o banco de dados na memória deve ser oferecido como um banco de dados como serviço. Com o banco de dados como serviço, desenvolvedores e usuários podem usar um pool compartilhado de recursos de banco de dados sob demanda. Depois de concluídos, os recursos do banco de dados são retornados ao pool de recursos. Os bancos de dados na memória prontos para a nuvem são rápidos, escaláveis e flexíveis.

Pronto para a Internet das Coisas

Se uma organização deseja explorar o mercado da Internet das Coisas, ela precisa de um banco de dados em tempo real projetado para suportá-la. A Internet das Coisas inclui centenas de sensores (como monitores de saúde e segurança) que enviam continuamente dados em tempo real. O banco de dados na memória deve estar pronto para lidar com milhões de mensagens enviadas por vários sensores presentes em todo o mundo. O banco de dados na memória deve armazenar e recuperar esses dados muito rapidamente para que a análise possa tomar decisões rápidas.

Compatível com ACID

Cada banco de dados deve atender aos requisitos de atomicidade, consistência, isolamento e durabilidade. Esses recursos são essenciais para a integridade dos dados. Do ponto de vista comercial, ter um banco de dados que atenda às propriedades do ACID ajudará a organização a tomar decisões corretas. O uso de uma implementação proprietária de um banco de dados na memória que não possui propriedades ACID pode levar a dados imprecisos e decisões errôneas. Faça sua escolha com cuidado.

Quais são as vantagens dos bancos de dados na memória?

Desempenho

Os bancos de dados na memória armazenam dados na memória principal do computador, que o processador pode acessar diretamente. As operações de leitura e gravação de um banco de dados na memória são muito mais rápidas do que os bancos de dados tradicionais baseados em disco.

Simplicidade

Os requisitos de armazenamento dos bancos de dados tradicionais são complexos, pois precisam otimizar as operações de leitura/gravação no dispositivo de armazenamento secundário. Isso inclui a lógica para armazenar dados em blocos contínuos de discos, o que facilita a recuperação. Com um banco de dados na memória, o acesso aleatório é altamente eficiente. Portanto, as estruturas de dados para armazenar os bancos de dados na memória são bastante simples.

Uso em sistemas integrados

Um banco de dados na memória não precisa de um dispositivo de armazenamento secundário. Esta propriedade é muito útil no caso dos dispositivos altamente móveis de hoje. Dispositivos integrados, como consoles de jogos ou smart TVs, não podem ter o custo adicional de um dispositivo de armazenamento secundário. Assim, eles podem usar um banco de dados na memória. Esta propriedade é muito significativa no mundo de hoje, onde a Internet das Coisas se tornou bastante popular e os dispositivos de armazenamento secundário são uma impossibilidade.

Quais são as desvantagens dos bancos de dados na memória?

Durabilidade dos dados

Enquanto a memória de acesso aleatório facilita as operações de dados de alta velocidade, os bancos de dados na memória são suscetíveis a perdas de dados. Os dados no banco de dados na memória são armazenados apenas temporariamente. Em caso de falha do sistema, há uma chance de perda de dados.

Solução: vimos na seção anterior como os bancos de dados na memória usam técnicas diferentes, como captura instantânea, logs de transações e memória de acesso aleatório não volátil para resolver o problema de durabilidade dos dados.

Tamanho dos dados

Como o tamanho da memória de acesso aleatório de um computador é limitado (normalmente em gigabytes), os bancos de dados na memória podem não ser capazes de lidar com grandes necessidades de dados.

Solução: este problema tem várias soluções. Conectar vários computadores pela grade para aumentar o tamanho da memória principal é uma maneira de resolver o problema de tamanho. Além disso, com computadores com vários núcleos, podemos estender o tamanho da memória RAM.