Базы данных на Java — введение

Мы приступаем к одному из очень важных разделов программирования на Java — работа с базами данных. Данные являются наверно наиглавнейшей составляющей программирования и вопрос их хранения крайне актуален. Не буду больше говорить о важности этого вопроса — тут можно писать много-много-много разных интересных слов.

Сервер баз данных

Сама идея сервера баз данных и СУБД в виде отдельной программы появилось по совершенно очевидным причинам. Базы данных мгновенно стали МНОГОПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИМИ. Данные нужны всем и возможность одновременного доступа к ним является очевидной. Проблема базы данных в виде обычного файла заключается в том, что к этому файлу будет обращаться сарзу много программ, каждая из которых захочет внести изменения или получить данные. Организовать такой доступ на уровне файловой системы — по сути, невыполнимая задача.
Во-первых — файл должен быть доступен всем пользователям, что требует перекачку данных по сети и хранение этого файла где-то на сетевом диске. Большие объемы данных по сети (пусть даже с высокой скоростью) — кроме слова “отвратительно” у меня ничего не приходит на ум.
Во-вторых — попытка одновременной записи в файл несколькими программами обречена на провал. Для организации такого доступа обычной файловой системы явно не достаточно.
В-третьих — организация прав доступа к тем или иным данным тоже становится непосильной задачей.
В-четвертых — надо “разруливать” конфликты при одновременном доступе к одним и тем же данным.
После небольшого анализа, кроме этих вопросов, можно увидеть еще немалое количество проблем, которые надо решить при мультипользовательском доступе к данным.
В итоге было принято (и реализовано) вполне здравое решение — написать специальную программу, которая имеет несколько названий — Система Управления Базами Данных (СУБД), сервер баз данных и т.д. Я буду называть ее СУБД.
Суть и цель этой программы — организовать централизованный доступ к данным. Т.е. все запросы на получение или изменение данных от клиентских приложений (клинетов) посылаются (обычно по сети и по протоколу TCP/IP) именно в эту программу. И уже эта программа будет заниматься всеми вышеупомянутыми проблемами:

  1. СУБД будет иметь некоторый набор команд, который позволит записывать и получать данные
  2. СУБД будет сама работать с файловой системой (нередко у нее бывает своя собственная файловая система для скорости)
  3. СУБД предоставит механизмы разграничения доступа к разным данным
  4. СУБД будет решать задачи одновременного доступа к данным

В итоге мы получаем достаточно ясную архитектуру — есть СУБД, которая сосредоточена на работе с данными и есть клиенты, которые могут посылать запросы к СУБД.

При работе с СУБД клиенты должны решить достаточно четкие задачи:

  1. Клиент должен соединиться с СУБД. Как я уже упоминал, чаще всего для общения используется сетевой протокол TCP/IP. В момент подключения клиент также передает свой логин/пароль, чтобы СУБД могла его идентифицировать и в дальнейшем позволить (или не позволить) производить те или иные действия над данными
  2. Клиент может посылать команды для изменения/получения данных в СУБД
  3. Данные внутри СУБД хранятся в определенных структурах и к этим структурам можно обратиться через команды

SQL базы данных

Могу предположить,что вышеупомянутые задачи и породили именно SQL-базы данных. В них есть удобные и понятные структуры для хранения данных — таблицы. Эти таблицы можно связывать в виде отношений и тем самым дается возможность хранить достаточно сложно организованные данные. Был придуман специальный язык — SQL (Structured Query Language — структурированный язык запросов). Этот язык хоть и имеет всего 4 команды для манипулирования данными, позволяет создавать очень сложные и заковыристые запросы.
На сегодняшний день SQL-базы данных являются самыми распространенными. В последние годы наметилась тенденция к использованию баз данных, основанные на других способах хранения и обработки данных, но пока их применение достаточно узконаправлено, хотя в некоторых случаях они действительно помогают решать важные задачи более эффективно, но все-таки пока SQL — самое главное направление баз данных. Почему я про это упоминаю ? Потому, что все наше знакомство с технологией работы с базами данных из Java будет сконцентрировано на SQL базах данных. С основными командами SQL вы можете познакомиться в различных учебниках. Их сейчас достаточно много и в большинстве своем они вполне понятны.
Возможно, что я тоже когда-нибудь внесу свою лепту в рассказы про SQL, но в данном разделе предполагается, что вы уже знакомы с основными идеями построения реляционных баз данных и с самим языком SQL.

JDBC — Java Database Connectivity — архитектура

Если попробовать определить JDBC простыми словами, то JDBC представляет собой описание интерфейсов и некоторых классов, которые позволяют работать с базами данных из Java. Еще раз: JDBC — это набор интерфейсов (и классов), которые позволяют работать с базами данных.
И вот с этого момента я попробую написать более сложное и в тоже время более четкое описание архитектуры JDBC. Главным принципом архитектуры является унифицированный (универсальный, стандартный) способ общения с разными базами данных. Т.е. с точки зрения приложения на Java общение с Oracle или PostgreSQL не должно отличаться. По возможности совсем не должно отличаться.
Сами SQL-запросы могут отличаться за счет разного набора функций для дат, строк и других. Но это уже строка запроса другая, а алгоритм и набор команд для доставки запроса на SQL-сервер и получение данных от SQL-сервера отличаться не должны.

Наше приложение не должно думать над тем, с какой базе оно работает — все базы должны выглядеть одинакого. Но при всем желании внутреннее устройство передачи данных для разных СУБД разное. Правила передачи байтов для Oracle отличается от правил передачи байтов для MySQL и PostgreSQL. В итоге имеем — с одной стороны все выглядят одинакого, но с другой реализации будут разные. Ничего не приходит в голову ?
Еще раз — разные реализации, но одинаковый набор функциональности.

Думаю, что вы уже догадались — типичный полиморфизм через интерфейсы. Именно на этом и строится архитектура JDBC. Смотрим рисунок.

Как следует из рисунка, приложение работает с абстракцией JDBC в виде набора интерфейсов. А вот реализация для каждого типа СУБД используется своя. Эта реализация называется “JDBC-драйвер”. Для каждого типа СУБД используется свой JDBC-драйвер — для Oracle свой, для MySQL — свой. Как приложение выбирает, какой надо использовать, мы увидим чуть позже.
Что важно понять сейчас — система JDBC позволяет загрузить JDBC-драйвер для конкретной СУБД и единообразно использовать компоненты этого драйвера за счет того, что мы к этим компонентам обращаемся не напрямую, а через интерфейсы.
Т.е. наше приложение в принципе не различает, обращается оно к Oracle или PostgreSQL — все обращения идут через стандартные интерфейсы, за которыми “прячется” реализация.

Пока я предлагаю отметить несколько важных интерфейсов, которые мы будем рассматривать позже, но мне бы хотелось, чтобы у вас этот список уже был, чтобы вы могли по мере прочтения отмечать — “да, вот он важный интерфейс/класс и я теперь знаю, куда он встраивается”. Вот они:

  1. java.sql.DriverManager
  2. java.sql.Driver
  3. java.sql.Connection
  4. java.sql.Statement
  5. java.sql.PreparedStatement
  6. java.sql.CallableStatement
  7. java.sql.ResultSet

Теперь давайте рассмотрим несложный пример и поймем, как работает JDBC.

JDBC — пример соединения и простого вызова

Попробуем посмотреть на несложном примере, как используется JDBC-драйвер. В нем же мы познакомимся с некоторыми важными интерфейсами и классами.

Предварительно нам необходимо загрузить JDBC-драйвер для PostgreSQL. На данный момент это можно сдеать со страницы PostgreSQL JDBC Download

Если вы не нашли эту страницу, то просто наберите в поисковике “PostgreSQL JDBC download” и в первых же строках найдете нужную страницу.
Т.к. я пишу эти статьи для JDK 1.7 и 1.8, то я выбрал строку “JDBC41 Postgresql Driver, Version 9.4-1208” — может через пару-тройку лет это будет уже не так.
Если вы выполнили SQL-скрипт из раздела Установка PostgreSQL, который создавал таблицу JC_CONTACT и вставил туда пару строк, то эта программа позволит вам “вытащить” эти данные и показать их на экране. Это конечно же очень простая программа, но на ней мы сможем посмотреть очень важные моменты. Итак, вот код:

Для запуска этой програмы необходимо подключить JDBC-драйвер для PostgreSQL. Прочитайте раздел Что такое JAR-файлы для того, чтобы подключить нужный JAR с JDBC-драйвером к проекту в NetBeans.
Для запуска нашей программы из командной строки достаточно собрать этот код (причем здесь не надо подключать JAR на этапе компиляции — только на момент запуска).
Итак, команда для сборки:

И теперь команда для запуска:

Для запуска проекта в NetBeans предлагаю вам самостоятельно разобраться, как подключить JAR-файл — пример этого указан в статье Что такое JAR-файлы

Начнем разбор нашей программы с самого начала. Итак, в чем же заключается yf,jh вызовов для создания соединения с базой

Вызов Class.forName() мы уже встречали, когда разговаривали о рефлексии. Если вы этого не сделали — обязательно прочитайте, иначе многое будет непонятно. Так вот наш вызов загружает один из ключевых классов JDBC, который реализует очень важный интерфейс java.sql.Driver. Почему этот класс так важен, мы разберем чуть ниже.
Следующим важным вызовом явлется DriverManager.getConnection(url, login, password);.
Думаю, что параметры login и password достаточно оччевидны — это логин и пароль для подключения к СУБД. А вот первый параметр — url надо рассмотреть подробно.
Параметр url является строкой и я люблю его разбивать надве части. Первая часть jdbc:mysql: позволяет идентифицировать, к какому типу СУБД вы подключаетесь — Oracle, MySQL, PostgreSQL, IBM DB2, MS SQL Server.
Вторая часть — //localhost:3306/st_student — определяет конкретный экземпляр выбранной базы данных. Т.е. если первая часть url указывает, что мы хотим работать с PostgreSQL, то вторая часть указывает на каком хосте и на какому порту (опять вспоминаем основы TCP/IP) работает конкретный экземпляр PostgreSQL. Еще раз — первая часть поределяет только тип, вторая часть — параметры оединения с конкретным экземпляром СУБД.
Как вы можете видеть, вторая часть включает помимо IP-адреса и порта (localhost:3306) включает имя базы данных, с которой вы будете соединяться.

И вот теперь возвращаемся к интерфейсу java.sql.Driver. Достаточно очевидно, что сложное приложение на Java может работать с несколькими типами СУБД и одновременно в приложнении участвют несколько JDBC-драйверов для разных типов СУБД. Так как же класс DriverManager определяет, какой тип СУБД вы собираетесь использовать ?
Придется нам вернуться к моменту загрузки класса — Class.forName(). Большинство классов в момент своей загрузки выполняют очень важный шаг — они РЕГИСТРИРУЮТСЯ у класса DriverManager. Как они это делают ? Посмотрите документацию на класс DriverManager — например здесь:
< href=”https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/sql/DriverManager.html”>DriverManager
Среди методов мы можете найти этот: registerDriver(Driver driver). Причем метод статический и создавать экземпляр DriverManager не надо. Таким образом драйвер под конкретный тип СУБД регистрируется у DriverManager. У этого класса (можно глянуть в исходники) создается список драйверов, каждый из которых реализует интерфейс java.sql.Driver. Что же происходить дальше ? Зайдем в документацию java.sql.Driver. Там есть два очень интересных метода:

  1. boolean acceptsURL(String url)
  2. Connection connect(String url, Properties info)

Первый метод как раз и позволяет классу DriverManager пройти по всему списку зарегистрированных у него драйверов и у каждого спросить — “ты умеешь работать с этим URL”. Отметим, что драйвер под конкретный тип СУБД работает с уникальным набором — MySQL принимает строку “jdbc:mysql:”, PostgreSQL — “jdbc:postgresql:” и т.д. Т.е. первая часть параметра url, о которой мы говорили немного раньше, как раз и позволяет классу DriverManager выбрать драйвер для определенного типа СУБД. Первый шаг сделан — мы выбрали нужный драйвер.
И вот тут приходит очередь второго метода — именно он позволяет создать соединение — возвращает экземпляр класса, который реализует еще один важный интерфейс — java.sql.Connection. Второй метод использует вторую часть url с адресом, портом и именем базы, а также используется логин и пароль. Снова обращаю ваше внимание на тот факт, что реальный класс будет какой-то специальный, под конкретный тип СУБД, но он обязательно должен реализовать интерфейс java.sql.Connection.
java.sql.Connection — это реальное соединение с конкретным экземпляром СУБД определенного типа. Наше соединение готово. Можем продолжать.
Следущий фрагмент кода уже будет проще:

Первая строка создает еще один важный элемент — запрос, который реализует интерфейс
java.sql.Statement. Кроме этого интерфейса используются тажке java.sql.PreparedStatement и java.sql.CallableStatement, но о них мы поговорим несколько позже.
Что здесь важно отметить — создание запроса делается через обращение к методу объекта java.sql.Connection — createStatement. И опять обращаю ваше внмание, что каждый производитель СУБД пишет свою реализацию всех интерфейсов.
Т.к. реализация java.sql.Connection будет под определенный тип СУБД, то и реализация java.sql.Statement тоже будет под определенный тип СУБД. В качестве домашного задания — попробуйте через рефлексию узнать настоящие имена этих класов.
Вторая строка с помощью объекта-запроса java.sql.Statement делает запрос в таблицу st_student и получает еще один важный элемент — объект java.sql.ResultSet.
После получения данных в виде объекта ResultSet, мы можем через его методы “пробежать” по всему набору данных (это очень похоже на итераторы в коллекциях) и выбрать поля из этого набора.

Как видите, все достаточно несложно. Упрощенно ResultSet можно рассматривать, как указатель на строку в таблице. Метод rs.next() делает попытку передвинуться на следущую запись. В случае успеха он возвращает true и передвигает указатель на следущую строку. Если строки закончились (или их не было вообще), возвращается false.
Когда мы передвинулись на следущую строку, то с помощью набора методов можно получить значения колонок в строке — мы использовали метод getString() в двух вариантах — один находит колонку по имени, второй — по индексу. Учтите, что номера колонок начинаются с 1, а не с 0, как это делается в массивах и коллекциях. Кроме метода getString() для получения строк, ResultSet имеет методы для получения чисел (цеых и вещественных), дат и много чего еще.
И наконец обратите внимание, что я вызываю у всех объектов метод close(). Особенно важным (я бы даже сказал критичным) является закрытие Connection. Закрытие Statement тоже является достаточно хорошим решением, но не настолько критичным, В этом случае вы просто быстрее освобождаете память от ресурсов, которые создавались при запросе. Учтите, что Statement закрывается автоматически при уничтожении объекта. Что же касается ResultSet, то он автоматически закрывается в момент закрытия Statement.
Этот момент весьма важен, но пока я не буду останавливаться на тонкостях — просто примите это как важную необходимость.
Также советую обратить внимание на способ построения обработки исключений. Сначала я создаю коннект во внешнем блоке try … catch и потом уже во внутреннем блоке try … catch выполняю запрос и получаю из результата данные. В этом же блоке в разделе finally происходит закрытие соединения.
Такое построение дает уверенность, что вне зависимости от результата выполнения запроса и получения данных, соединение будет обязательно закрыто.
Т.к. при работе приложения исключения при выполнении запроса не должны быть частыми, то “незакрытие” Statement не должно повлечь каких-либо осложнений. Хотя кто-то может со мной не согласиться и решительно скажет, что надо закрывать все — вполне допускаю такой вариант.

Исходный код проекта на NetBeans вы можете закачать здесь — SimpleDb
Я поместил в архив JDBC-драйвер для PostgreSQL и ссылка на него из проекта относительная, так что по идее все должно работать сразу. Если не будет, то это значит — вам придется приложить некоторое количество усилий. Может это и хорошо — лучше станете понимать материал.
Итак, мы с вами сделали первый шаг на пути изучения JDBC — в качестве самостоятельной работы попробуйте создать свою базу данных, таблицу, заполнить ее данными и сделать запрос из приложения на Java.