リレーショナルデータベース (Relational Databases SQL PostgreSQL MySQL)

1. RDB入門とリレーショナルモデル MOC

• リレーショナルデータベース (RDB) とは
  • RDBの定義 (リレーション(テーブル)に基づいてデータを構造化するデータベース)
  • RDBの歴史 (エドガー・F・コッドと「リレーショナルモデル」)
  • RDBMS (Relational Database Management System) の役割
  • RDBの利点 (データの一貫性・整合性の維持、柔軟なデータアクセス)
• リレーショナルモデルの基本概念
  • リレーション (Relation) / テーブル (Table)
    • 行 (Row) / タプル (Tuple) / レコード (Record)
    • 列 (Column) / 属性 (Attribute) / フィールド (Field)
  • ドメイン (Domain) / 型 (Type) (属性が取りうる値の集合)
  • 次数 (Degree) と濃度 (Cardinality)
  • リレーションの性質 (行の順序は無関係, 列の順序は無関係, 重複行は存在しない)
• キー (Keys) MOC
  • キーの役割 (行の一意性の保証、リレーション間の関連付け)
  • スーパーキー (Super Key)
  • 候補キー (Candidate Key)
  • 主キー (Primary Key - PK)
    • 主キーの制約 (一意性、非NULL)
  • 外部キー (Foreign Key - FK)
    • 参照整合性 (Referential Integrity)
    • 外部キー制約 (ON DELETE, ON UPDATE)
  • 代理キー (サロゲートキー - Surrogate Key) vs. 自然キー (Natural Key)
  • (オプション) 代替キー (Alternate Key)
  • (オプション) 複合キー (Composite Key)

2. リレーショナルデータモデリングと設計 MOC

• データベース設計のプロセス (要求分析、概念設計、論理設計、物理設計)
• ERモデル (Entity-Relationship Model) MOC
  • エンティティ (Entity)
  • 属性 (Attribute)
  • リレーションシップ (Relationship)
  • リレーションシップのカーディナリティ (1対1, 1対多, 多対多)
  • ER図 (ER Diagram - ERD) の書き方 (IE記法, IDEF1X記法など)
• 正規化 (Normalization) MOC
  • 正規化の目的 (データ冗長性の排除, 更新時異常の防止)
  • 第一正規形 (1NF) (属性の原子性)
  • 関数従属性 (Functional Dependency)
    • 部分関数従属と完全関数従属
    • 推移的関数従属
  • 第二正規形 (2NF) (部分関数従属の排除)
  • 第三正規形 (3NF) (推移的関数従属の排除)
  • ボイス・コッド正規形 (BCNF)
  • 第4正規形 (4NF) と多値従属性 (Multivalued Dependency) (概要)
  • 第5正規形 (5NF) と結合従属性 (Join Dependency) (概要)
• 非正規化 (Denormalization) MOC
  • 非正規化の目的 (クエリパフォーマンスの向上)
  • 非正規化のトレードオフ (データ冗長性と更新時異常のリスク)
  • 非正規化の具体的な手法
• インデックス設計 (詳細はパフォーマンスセクションで)

3. SQL (Structured Query Language) MOC

3.1. SQL入門 MOC

• SQLの歴史と標準 (ANSI SQL)
• SQLの方言 (PostgreSQL, MySQL, Oracle, SQL Serverなど)
• SQLの分類
  • データ定義言語 (DDL - Data Definition Language)
  • データ操作言語 (DML - Data Manipulation Language)
  • データ検索言語 (DQL - Data Query Language)
  • [[データ制御言語 (DCL - Data Control Language)]
  • トランザクション制御言語 (TCL - Transaction Control Language)

3.2. データ定義言語 (DDL) MOC

• データベースとスキーマの操作
  • CREATE DATABASE / SCHEMA
  • DROP DATABASE / SCHEMA
• テーブルの操作
  • CREATE TABLE
    • データ型 (Data Types) (INTEGER, VARCHAR, CHAR, TEXT, NUMERIC, REAL, DATE, TIMESTAMPなど、RDBMSごとの違い)
    • 制約 (Constraints)
      • NOT NULL
      • UNIQUE
      • PRIMARY KEY
      • FOREIGN KEY
      • CHECK
      • DEFAULT
  • ALTER TABLE (列の追加/削除/変更、制約の追加/削除)
  • DROP TABLE
  • TRUNCATE TABLE
• ビュー (View) の操作
  • CREATE VIEW
  • DROP VIEW
  • ビューの利点 (単純化、セキュリティ)
• インデックス (Index) の操作
  • CREATE INDEX
  • DROP INDEX

3.3. データ操作言語 (DML) MOC

• INSERT 文
  • 単一行の挿入
  • 複数行の挿入
  • SELECT結果の挿入 (INSERT INTO … SELECT …)
• UPDATE 文
  • WHERE句による更新対象の指定
• DELETE 文
  • WHERE句による削除対象の指定
  • DELETE vs. TRUNCATE vs. DROP
• (オプション) MERGE 文 (UPSERT)

3.4. データ検索言語 (DQL) / SELECT文 MOC

• SELECT 文の基本構造
  • SELECT句 (列の選択, *, DISTINCT, 別名(AS))
  • FROM句 (テーブルの指定)
• WHERE 句 (行のフィルタリング)
  • 比較演算子 (=, !=, <, >など)
  • 論理演算子 (AND, OR, NOT)
  • “BETWEEN...AND ...
  • “IN(...) /NOT IN (...)
  • “LIKE(ワイルドカード:%, _)
  • IS NULL` / `IS NOT NULL
• ORDER BY 句 (結果のソート)
  • ASC (昇順), DESC (降順)`
  • 複数列によるソート
• LIMIT / OFFSET 句 (結果行数の制限とページネーション) (FETCH FIRSTなどの方言も)
• 集約関数 (Aggregate Functions) MOC
  • COUNT()
  • SUM()
  • AVG()
  • MAX()
  • MIN()
• GROUP BY 句 (データのグループ化)
  • 集約関数との組み合わせ
• HAVING 句 (グループ化後のフィルタリング)
  • WHERE と HAVING の違い
• 結合 (JOIN) MOC
  • INNER JOIN (内部結合)
  • LEFT JOIN (LEFT OUTER JOIN) (左外部結合)
  • RIGHT JOIN (RIGHT OUTER JOIN) (右外部結合)
  • FULL OUTER JOIN (完全外部結合)
  • CROSS JOIN (交差結合)
  • 自己結合 (Self Join)
  • USING 句と ON 句
• 集合演算子 (Set Operators) MOC
  • UNION と UNION ALL
  • INTERSECT
  • EXCEPT / MINUS
• サブクエリ (Subquery) MOC
  • スカラーサブクエリ
  • 複数行サブクエリ (IN, ANY, ALL)
  • 相関サブクエリ (Correlated Subquery)
  • “EXISTS 演算子
• 共通テーブル式 (CTE - Common Table Expressions) / WITH 句 MOC
  • 再帰的CTE
• ウィンドウ関数 (Window Functions) MOC
  • ウィンドウ関数の構文 (OVER句)
  • “PARTITION BY, ORDER BY, ROWS/RANGE フレーム
  • 集約ウィンドウ関数 (SUM, AVGなど)
  • ランキング関数 (ROW_NUMBER, RANK, DENSE_RANK)
  • オフセット関数 (LAG, LEAD)
• CASE式 (条件分岐)
• (オプション) ピボットテーブル (PIVOT)

3.5. データ制御言語 (DCL) とトランザクション制御言語 (TCL) MOC

• GRANT (権限付与)
• REVOKE (権限剥奪)
• COMMIT (トランザクションの確定)
• ROLLBACK (トランザクションの取り消し)
• SAVEPOINT (部分的なロールバック)

4. トランザクション管理 MOC

• トランザクションの定義と目的 (All or Nothing)
• ACID特性 MOC
  • 原子性 (Atomicity) (全て実行されるか、全く実行されないか)
  • 一貫性 (Consistency) (トランザクション前後でデータベースの整合性が保たれる)
  • 独立性 (Isolation) / 分離性 (複数のトランザクションが互いに影響しない)
  • 永続性 (Durability) (コミットされた変更は失われない)
• トランザクション分離レベル (Isolation Levels) MOC
  • READ UNCOMMITTED
    • ダーティリード (Dirty Read) の可能性
  • READ COMMITTED
    • ノンリピータブルリード (Non-repeatable Read / Fuzzy Read) の可能性
  • REPEATABLE READ
    • ファントムリード (Phantom Read) の可能性
  • SERIALIZABLE
• ロック (Locking) MOC
  • 共有ロック (Shared Lock / Read Lock)
  • 排他ロック (Exclusive Lock / Write Lock)
  • ロックの粒度 (行ロック、テーブルロック)
  • 2相ロック (Two-Phase Locking - 2PL)
• デッドロック (Deadlock) MOC
  • デッドロックの発生条件
  • デッドロックの検出と解消
• (オプション) 多版型同時実行制御 (MVCC - Multi-Version Concurrency Control) (PostgreSQL, Oracleなど)

5. データベースのパフォーマンスと最適化 MOC

• インデックス (Index) MOC
  • インデックスの役割 (データ検索の高速化)
  • B-Treeインデックス (B木/B+木インデックス) (最も一般的)
  • ハッシュインデックス
  • (オプション) 全文検索インデックス
  • (オプション) 空間インデックス (R-treeなど)
  • 複合インデックス (Composite Index)
  • カバリングインデックス (Covering Index)
  • インデックスの利点と欠点 (検索速度 vs. 更新/挿入/削除のオーバーヘッド)
  • 効果的なインデックスの設計戦略
• クエリの実行計画 (Query Execution Plan) MOC
  • 実行計画とは (クエリ実行の内部的な手順)
  • “EXPLAIN/EXPLAIN ANALYZEコマンドの使い方
  • 実行計画の読み方 (スキャン方法: フルテーブルスキャン vs. インデックススキャン, 結合アルゴリズム: Nested Loop Join, Hash Join, Merge Join)
• クエリチューニング
  • インデックスの活用
  • “WHERE句の改善 (SARGableな条件)
  • “JOINの最適化
  • サブクエリの最適化
• データベースの統計情報 (オプティマイザが実行計画を立てるために使用)
• マテリアライズドビュー (Materialized View)
• パーティショニング (Partitioning) (大規模テーブルの分割)
• コネクションプーリング (Connection Pooling)

6. 主要なRDBMSの実装 MOC

6.1. PostgreSQL MOC

• PostgreSQLの歴史と特徴 (高機能、拡張性、標準SQL準拠)
• PostgreSQLのアーキテクチャ (プロセスベースアーキテクチャ)
• PostgreSQLのデータ型 (JSON/JSONB, 配列型, hstore, 幾何データ型など豊富な型)
• PostgreSQLの高度な機能
  • MVCC (多版型同時実行制御)
  • テーブル継承
  • 外部データラッパー (FDW - Foreign Data Wrappers)
  • 豊富なインデックス種類 (GIN, GiSTなど)
  • 高度なトランザクション制御
• PostgreSQLの管理と運用
  • 主要な設定ファイル (postgresql.conf, pg_hba.conf)
  • バックアップとリカバリ (pg_dump, pg_restore)
  • レプリケーション (ストリーミングレプリケーション)
  • VACUUM と `ANALYZE“
• PostgreSQLのエコシステム (pgAdmin, psqlコマンドラインツール)

6.2. MySQL MOC

• MySQLの歴史と特徴 (Webでの圧倒的実績、高速性、シンプルさ)
• MySQLのアーキテクチャ (スレッドベースアーキテクチャ)
• ストレージエンジン MOC
  • InnoDB (トランザクション対応、行レベルロック、デフォルト)
  • MyISAM (トランザクション非対応、テーブルレベルロック、高速読み取り)
  • その他のストレージエンジン (Memory, Archive 등)
• MySQLの機能
  • レプリケーション (マスター/スレーブ、グループレプリケーション)
  • MySQLのクラスタリングソリューション (InnoDB Cluster, Percona XtraDB Cluster)
• MySQLの管理と運用
  • 主要な設定ファイル (my.cnf)
  • バックアップとリカバリ (mysqldump)
  • ユーザー管理
• MySQLのエコシステム (MySQL Workbench, mysqlコマンドラインツール)
• MySQLとMariaDBの関係

6.3. PostgreSQL vs. MySQL MOC

• アーキテクチャとパフォーマンス特性の比較
• 機能とSQL標準準拠度の比較
• ライセンスとコミュニティの比較
• ユースケースに応じた選択

7. データベースの管理と運用 MOC

• データベースのインストールと設定
• バックアップとリカバリ戦略
  • フルバックアップ、差分バックアップ、増分バックアップ
  • ポイントインタイムリカバリ (PITR)
• 高可用性 (High Availability - HA) とレプリケーション
  • アクティブ/パッシブ構成とアクティブ/アクティブ構成
  • 同期レプリケーションと非同期レプリケーション
• シャーディング (Sharding) (水平分割によるスケーラビリティ)
• ユーザー管理とセキュリティ
  • 認証と認可
  • ロールベースアクセス制御 (RBAC)
  • データの暗号化 (転送中、保存時)
• データベースモニタリング (パフォーマンス、リソース使用率、エラー)

8. RDBと他のデータベースモデルの比較 MOC

• RDB vs. NoSQLデータベース
  • スキーマ (固定 vs. 柔軟)
  • 一貫性モデル (ACID vs. BASE)
  • スケーラビリティ (垂直 vs. 水平)
  • クエリ言語 (SQL vs. 各種API)
  • ユースケースの比較
• RDB vs. グラフデータベース
• RDB vs. 時系列データベース
• ポリグロットパーシステンス (Polyglot Persistence) (複数のDBを使い分けるアプローチ)

9. RDBの将来とトレンド MOC

• NewSQLデータベース (VoltDB, CockroachDB, TiDBなど) (SQLの利便性とNoSQLのスケーラビリティの両立)
• クラウドネイティブRDBMS (AWS Aurora, Google Cloud Spannerなど)
• HTAP (Hybrid Transactional/Analytical Processing)
• サーバーレスデータベース
• データベースの自動化とAIOps