非关系型数据库(NoSql)

文 | 人生无设限

最近了解了一点非关系型数据库，觉得这是一个很好的方向，对于大数据方面的处理，非关系型数据库能起到至关重要的地位。这里我主要是整理了一些前辈的经验，仅供参考。

关系型数据库的特点

1.关系型数据库

关系型数据库，是指采用了关系模型来组织数据的数据库。 简单来说，关系模型指的就是二维表格模型，而一个关系型数据库就是由二维表及其之间的联系所组成的一个数据组织。常见 的关系型数据库有Oracle、Mysql、sql server等等。

2. 关系型数据库瓶颈

高并发读写需求

• 网站的用户并发性非常高，往往达到每秒上万次读写请求，对于传统关系型数据库来说，硬盘I/O是一个很大的瓶颈
• 海量数据的高效率读写 网站每天产生的数据量是巨大的，对于关系型数据库来说，在一张包含海量数据的表中查询，效率是非常低的

高扩展性和可用性

在基于web的结构当中，数据库是最难进行横向扩展的，当一个应用系统的用户量和访问量与日俱增的时候，数据库却没有办法像web server和app server那样简单的通过添加更多的硬件和服务节点来扩展性能和负载能力。对于很多需要提供24小时不间断服务的网站来说，对数据库系统进行升级和扩展是非常痛苦的事情，往往需要停机维护和数据迁移。

对网站来说，关系型数据库的很多特性不再需要了：

事务一致性

关系型数据库在对事物一致性的维护中有很大的开销，而现在很多web2.0系统对事物的读写一致性都不高

读写实时性

对关系数据库来说，插入一条数据之后立刻查询，是肯定可以读出这条数据的，但是对于很多web应用来说，并不要求这么高的实时性，比如发一条消息之后，过几秒乃至十几秒之后才看到这条动态是完全可以接受的

复杂SQL，特别是多表关联查询

任何大数据量的web系统，都非常忌讳多个大表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的复杂SQL报表查询，特别是SNS类型的网站，从需求以及产品阶级角度，就避免了这种情况的产生。往往更多的只是单表的主键查询，以及单表的简单条件分页查询，SQL的功能极大的弱化了

在关系型数据库中，导致性能欠佳的最主要原因是多表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的复杂SQL报表查询。为了保证数据库的ACID特性，我们必须尽量按照其要求的范式进行设计，关系型数据库中的表都是存储一个格式化的数据结构。

每个元组字段的组成都是一样，即使不是每个元组都需要所有的字段，但数据库会为每个元组分配所有的字段，这样的结构可以便于标语表之间进行链接等操作，但从另一个角度来说它也是关系型数据库性能瓶颈的一个因素。

非关系型数据库(NoSQL )

2009年初，Johan Oskarsson举办了一场关于开源分布式数据库的讨论，Eric Evans在这次讨论中提出了NoSQL一词，用于指代那些非关系型的，分布式的，且一般不保证遵循ACID原则的数据存储系统。Eric Evans使用NoSQL这个词，并不是因为字面上的“没有SQL”的意思，他只是觉得很多经典的关系型数据库名字都叫“**SQL”,所以为了表示跟这些关系型数据库在定位上的截然不同，就是用了“NoSQL“一词。

注：数据库事务必须具备ACID特性，ACID是Atomic原子性，Consistency一致性，Isolation

var script = document.createElement(‘script’); script.src = ‘http://static.pay.baidu.com/resource/baichuan/ns.js’; document.body.appendChild(script);

隔离性，Durability持久性。

非关系型数据库提出另一种理念，例如，以键值对存储，且结构不固定，每一个元组可以有不一样的字段，每个元组可以根据需要增加一些自己的键值对，这样就不会局限于固定的结构，可以减少一些时间和空间的开销。使用这种方式，用户可以根据需要去添加自己需要的字段，这样，为了获取用户的不同信息，不需要像关系型数据库中，要对多表进行关联查询。

仅需要根据id取出相应的value就可以完成查询。但非关系型数据库由于很少的约束，他也不能够提供像SQL所提供的where这种对于字段属性值情况的查询。并且难以体现设计的完整性。他只适合存储一些较为简单的数据，对于需要进行较复杂查询的数据，SQL数据库显的更为合适。

关系型数据库与非关系型数据库的区别

关系型数据库的最大特点就是事务的一致性：传统的关系型数据库读写操作都是事务的，具有ACID的特点 ，这个特性使得关系型数据库可以用于几乎所有对一致性有要求的系统中，如典型的银行系统。

但是，在网页应用中，尤其是SNS应用中，一致性却不是显得那么重要，用户A看到的内容和用户B看到同一用户C内容更新不一致是可以容忍的，或者说，两个人看到同一好友的数据更新的时间差那么几秒是可以容忍的，因此，关系型数据库的最大特点在这里已经无用武之地，起码不是那么重要了。

相反地，关系型数据库为了维护一致性所付出的巨大代价就是其读写性能比较差，而像微博、facebook这类SNS的应用，对并发读写能力要求极高，关系型数据库已经无法应付(在读方面，传统上为了克服关系型数据库缺陷，提高性能，都是增加一级memcache来静态化网页，而在SNS中，变化太快，memchache已经无能为力了)，因此，必须用新的一种数据结构存储来代替关系数据库。

关系数据库的另一个特点就是其具有固定的表结构，因此，其扩展性极差，而在SNS中，系统的升级，功能的增加，往往意味着数据结构巨大变动，这一点关系型数据库也难以应付，需要新的结构化数据存储。

于是，非关系型数据库应运而生，由于不可能用一种数据结构化存储应付所有的新的需求，因此，非关系型数据库严格上不是一种数据库，应该是一种数据结构化存储方法的集合。 必须强调的是，数据的持久存储，尤其是海量数据的持久存储，还是需要一种关系数据库。

非关系型数据库简介

SQLite

1. ACID事务

2. 零配置 – 无需安装和管理配置

3. 储存在单一磁盘文件中的一个完整的数据库

4. 数据库文件可以在不同字节顺序的机器间自由的共享

5. 支持数据库大小至2TB

6. 足够小, 大致3万行C代码, 250K

7. 比一些流行的数据库在大部分普通数据库操作要快8. 简单, 轻松的API

9. 包含TCL绑定, 同时通过Wrapper支持其他语言的绑定10. 良好注释的源代码, 并且有着90%以上的测试覆盖率 11. 独立: 没有额外依赖

12. Source完全的Open, 你可以用于任何用途, 包括出售它 13. 支持多种开发语言,C, PHP, Perl, Java, ASP .NET,Python

介绍下key相关的命令

exits key 测试指定key是否存在，返回1表示存在，0不存在

del key1 key2 ….keyN 删除给定key,返回删除key的数目，0表示给定key都不存在

type key 返回给定key的value类型。返回 none 表示不存在key,string字符类型，list 链表类型 set 无序集合类型…

keys pattern 返回匹配指定模式的所有key,下面给个例子 redis> set test dsf OK

redis> set tast dsaf OK

redis> set tist adff OK

redis> keys t* 1. “tist” 2. “tast” 3. “test”

redis> keys t[ia]st 1. “tist” 2. “tast”

redis> keys t?st 1. “tist” 2. “tast” 3. “test”

randomkey 返回从当前数据库中随机选择的一个key,如果当前数据库是空的，返回空串 rename oldkey newkey 原子的重命名一个key,如果newkey存在，将会被覆盖，返回1表示成功，0失败。可能是oldkey不存在或者和newkey相同

renamenx oldkey newkey 同上，但是如果newkey存在返回失败 dbsize 返回当前数据库的key数量

expire key seconds 为key指定过期时间，单位是秒。返回1成功，0表示key已经设置过过期时间或者不存在

ttl key 返回设置过过期时间的key的剩余过期秒数 -1表示key不存在或者没有设置过过期时间

select db-index 通过索引选择数据库，默认连接的数据库所有是0,默认数据库数是16个。返回1表示成功，0失败

move key db-index 将key从当前数据库移动到指定数据库。返回1成功。0 如果key不存在，或者已经在指定数据库中

flushdb 删除当前数据库中所有key,此方法不会失败。慎用

flushall 删除所有数据库中的所有key，此方法不会失败。更加慎用

string 类型

string是redis最基本的类型，而且string类型是二进制安全的。意思是redis的string可以包含任何数据。比如jpg图片或者序列化的对象

随着互联网web2.0网站的兴起，非关系型的数据库现在成了一个极其热门的新领域， 非关系数据库产品的发展非常迅速。而传统的关系数据库在应付web2.0网站，特别是超大规模和高并发的SNS类型的web2.0纯动态网站已经显得力不 从心，暴露了很多难以克服的问题，例如：

1、High performance – 对数据库高并发读写的需求

web2.0网站要根据用户个性化信息来实时生成动态页面和提供动态信息，所以基本上无法使用动态页面静态化技术，因此数据库并发负载非常高，往往要达到 每秒上万次读写请求。关系数据库应付上万次SQL查询还勉强顶得住，但是应付上万次SQL写数据请求，硬盘IO就已经无法承受了。

其实对于普通的BBS网 站，往往也存在对高并发写请求的需求，例如像JavaEye网站的实时统计在线用户状态，记录热门帖子的点击次数，投票计数等，因此这是一个相当普遍的需 求。

2、Huge Storage – 对海量数据的高效率存储和访问的需求

类似Facebook，twitter，Friendfeed这样的SNS网站，每天用户产生海量的用户动态，以Friendfeed为例，一个月就达到 了2.5亿条用户动态，对于关系数据库来说，在一张2.5亿条记录的表里面进行SQL查询，效率是极其低下乃至不可忍受的。再例如大型web网站的用户登 录系统，例如腾讯，盛大，动辄数以亿计的帐号，关系数据库也很难应付。

3、High Scalability && High Availability- 对数据库的高可扩展性和高可用性的需求

在基于web的架构当中，数据库是最难进行横向扩展的，当一个应用系统的用户量和访问量与日俱增的时候，你的数据库却没有办法像web server和app server那样简单的通过添加更多的硬件和服务节点来扩展性能和负载能力。对于很多需要提供24小时不间断服务的网站来说，对数据库系统进行升级和扩展 是非常痛苦的事情，往往需要停机维护和数据迁移，为什么数据库不能通过不断的添加服务器节点来实现扩展呢?

在上面提到的“三高”需求面前，关系数据库遇到了难以克服的障碍，而对于web2.0网站来说，关系数据库的很多主要特性却往往无用武之地，例如：

1、数据库事务一致性需求

很多web实时系统并不要求严格的数据库事务，对读一致性的要求很低，有些场合对写一致性要求也不高。因此数据库事务管理成了数据库高负载下一个沉重的负 担。

2、数据库的写实时性和读实时性需求

对关系数据库来说，插入一条数据之后立刻查询，是肯定可以读出来这条数据的，但是对于很多web应用来说，并不要求这么高的实时性，比方说发一条消息之 后，过几秒乃至十几秒之后，我的订阅者才看到这条动态是完全可以接受的。

3、对复杂的SQL查询，特别是多表关联查询的需求

任何大数据量的web系统，都非常忌讳多个大表的关联查询，以及复杂的数据分析类型的复杂SQL报表查询，特别是SNS类型的网站，从需求以及产品设计角 度，就避免了这种情况的产生。往往更多的只是单表的主键查询，以及单表的简单条件分页查询，SQL的功能被极大的弱化了。

因此，关系数据库在这些越来越多的应用场景下显得不那么合适了，为了解决这类问题的非关系数据库应运而生，现在这两年，各种各样非关系数据库，特别是键值 数据库(Key-Value Store DB)风起云涌，多得让人眼花缭乱。前不久国外刚刚举办了NoSQL Conference，各路NoSQL数据库纷纷亮相，加上未亮相但是名声在外的，起码有超过10个开源的NoSQLDB，例如：

Redis，Tokyo Cabinet，Cassandra，Voldemort，MongoDB，Dynomite，HBase，CouchDB，Hypertable， Riak，Tin， Flare， Lightcloud， KiokuDB，Scalaris， Kai， ThruDB ， ……

这些NoSQL数据库，有的是用C/C++编写的，有的是用Java编写的，还有的是用Erlang编写的，每个都有自己的独到之处，看都看不过来了，这 些NoSQL数据库大致可以分为以下的三类：

1.满足极高读写性能需求的Kye-Value数据库：Redis，Tokyo Cabinet， Flare

高性能Key-Value数据库的主要特点就是具有极高的并发读写性能，Redis，Tokyo Cabinet， Flare，这3个Key-Value DB都是用C编写的，他们的性能都相当出色，但出了出色的性能，他们还有自己独特的功能：

1) Redis

Redis是一个很新的项目，刚刚发布了1.0版本。Redis本质上是一个Key-Value类型的内存数据库，很像memcached，整个数据库统 统加载在内存当中进行操作，定期通过异步操作把数据库数据flush到硬盘上进行保存。因为是纯内存操作，Redis的性能非常出色，每秒可以处理超过 10万次读写操作，是我知道的性能最快的Key-Value DB。

Redis的出色之处不仅仅是性能，Redis最大的魅力是支持保存List链表和Set集合的数据结构，而且还支持对List进行各种操作，例如从 List两端push和pop数据，取List区间，排序等等，对Set支持各种集合的并集交集操作，此外单个value的最大限制是1GB，不像 memcached只能保存1MB的数据。

因此Redis可以用来实现很多有用的功能，比方说用他的List来做FIFO双向链表，实现一个轻量级的高性 能消息队列服务，用他的Set可以做高性能的tag系统等等。另外Redis也可以对存入的Key-Value设置expire时间，因此也可以被当作一 个功能加强版的memcached来用。

Redis的主要缺点是数据库容量受到物理内存的限制，不能用作海量数据的高性能读写，并且它没有原生的可扩展机制，不具有scale(可扩展)能力，要 依赖客户端来实现分布式读写，因此Redis适合的场景主要局限在较小数据量的高性能操作和运算上。目前使用Redis的网站有 github，Engine Yard。

2) Tokyo Cabinet和Tokoy Tyrant

TC和TT的开发者是日本人Mikio Hirabayashi，主要被用在日本最大的SNS网站mixi.jp上，TC发展的时间最早，现在已经是一个非常成熟的项目，也是Kye-Value 数据库领域最大的热点，现在被广泛的应用在很多很多网站上。TC是一个高性能的存储引擎，而TT提供了多线程高并发服务器，性能也非常出色，每秒可以处理 4-5万次读写操作。

TC除了支持Key-Value存储之外，还支持保存Hashtable数据类型，因此很像一个简单的数据库表，并且还支持基于column的条件查询， 分页查询和排序功能，基本上相当于支持单表的基础查询功能了，所以可以简单的替代关系数据库的很多操作，这也是TC受到大家欢迎的主要原因之一，有一个 Ruby的项目miyazakiresistance将TT的hashtable的操作封装成和ActiveRecord一样的操作，用起来非常爽。

TC/TT在mixi的实际应用当中，存储了2000万条以上的数据，同时支撑了上万个并发连接，是一个久经考验的项目。TC在保证了极高的并发读写性能 的同时，具有可靠的数据持久化机制，同时还支持类似关系数据库表结构的hashtable以及简单的条件，分页和排序操作，是一个很棒的NoSQL数据 库。

TC主要的缺点是没有scale的能力，如果单机无法满足要求，只能通过主从复制的方式扩展，另外有人提到TC的性能会随着数据量的增加而下降，当数据量 上亿条以后，性能会有比较明显的下降。

这个是Tim Yang做的一个Memcached，Redis和Tokyo Tyrant的简单的性能评测，仅供参考

3) Flare

TC是日本第一大SNS网站mixi开发的，而Flare是日本第二大SNS网站green.jp开发的，有意思吧。Flare简单的说就是给TC添加了 scale功能。他替换掉了TT部分，自己另外给TC写了网络服务器，Flare的主要特点就是支持scale能力，他在网络服务端之前添加了一个 node server，来管理后端的多个服务器节点，因此可以动态添加数据库服务节点，删除服务器节点，也支持failover。如果你的使用场景必须要让TC可 以scale，那么可以考虑flare。

flare唯一的缺点就是他只支持memcached协议，因此当你使用flare的时候，就不能使用TC的table数据结构了，只能使用TC的 key-value数据结构存储。

2.满足海量存储需求和访问的面向文档的数据库：MongoDB，CouchDB

面向文档的非关系数据库主要解决的问题不是高性能的并发读写，而是保证海量数据存储的同时，具有良好的查询性能。MongoDB是用C++开发的，而 CouchDB则是Erlang开发的：

1) MongoDB

MongoDB是一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，是非关系数据库当中功能最丰富，最像关系数据库的。他支持的数据结构非常松散，是类似 json的bjson格式，因此可以存储比较复杂的数据类型。Mongo最大的特点是他支持的查询语言非常强大，其语法有点类似于面向对象的查询语言，几 乎可以实现类似关系数据库单表查询的绝大部分功能，而且还支持对数据建立索引。

Mongo主要解决的是海量数据的访问效率问题，根据官方的文档，当数据量达到50GB以上的时候，Mongo的数据库访问速度是MySQL的10倍以 上。Mongo的并发读写效率不是特别出色，根据官方提供的性能测试表明，大约每秒可以处理0.5万-1.5次读写请求。

因为Mongo主要是支持海量数据存储的，所以Mongo还自带了一个出色的分布式文件系统GridFS，可以支持海量的数据存储，但我也看到有些评论认 为GridFS性能不佳，这一点还是有待亲自做点测试来验证了。

最后由于Mongo可以支持复杂的数据结构，而且带有强大的数据查询功能，因此非常受到欢迎，很多项目都考虑用MongoDB来替代MySQL来实现不是 特别复杂的Web应用，比方说why we migrated from MySQL to MongoDB就是一个真实的从MySQL迁移到MongoDB的案例，由于数据量实在太大，所以迁移到了Mongo上面，数据查询的速度得到了非常显著 的提升。

MongoDB也有一个ruby的项目MongoMapper，是模仿Merb的DataMapper编写的MongoDB的接口，使用起来非常简单，几 乎和DataMapper一模一样，功能非常强大易用。

2) CouchDB

CouchDB现在是一个非常有名气的项目，似乎不用多介绍了。但是我却对CouchDB没有什么兴趣，主要是因为CouchDB仅仅提供了基于HTTP REST的接口，因此CouchDB单纯从并发读写性能来说，是非常糟糕的，这让我立刻抛弃了对CouchDB的兴趣。

3.满足高可扩展性和可用性的面向分布式计算的数据库：Cassandra，Voldemort

面向scale能力的数据库其实主要解决的问题领域和上述两类数据库还不太一样，它首先必须是一个分布式的数据库系统，由分布在不同节点上面的数据库共同 构成一个数据库服务系统，并且根据这种分布式架构来提供online的，具有弹性的可扩展能力，例如可以不停机的添加更多数据节点，删除数据节点等等。因 此像Cassandra常常被看成是一个开源版本的Google BigTable的替代品。Cassandra和Voldemort都是用Java开发的：

1) Cassandra

Cassandra项目是Facebook在2008年开源出来的，随后Facebook自己使用Cassandra的另外一个不开源的分支，而开源出来 的Cassandra主要被Amazon的Dynamite团队来维护，并且Cassandra被认为是Dynamite2.0版本。目前除了 Facebook之外，twitter和digg.com都在使用Cassandra。

Cassandra的主要特点就是它不是一个数据库，而是由一堆数据库节点共同构成的一个分布式网络服务，对Cassandra的一个写操作，会被复制到 其他节点上去，对Cassandra的读操作，也会被路由到某个节点上面去读取。对于一个Cassandra群集来说，扩展性能是比较简单的事情，只管在 群集里面添加节点就可以了。我看到有文章说Facebook的Cassandra群集有超过100台服务器构成的数据库群集。

Cassandra也支持比较丰富的数据结构和功能强大的查询语言，和MongoDB比较类似，查询功能比MongoDB稍弱一些，twitter的平台 架构部门领导Evan Weaver写了一篇文章介绍Cassandra：http://blog.evanweaver.com/articles/2009/07/06 /up-and-running-with-cassandra/，有非常详细的介绍。

Cassandra以单个节点来衡量，其节点的并发读写性能不是特别好，有文章说评测下来Cassandra每秒大约不到1万次读写请求，我也看到一些对 这个问题进行质疑的评论，但是评价Cassandra单个节点的性能是没有意义的，真实的分布式数据库访问系统必然是n多个节点构成的系统，其并发性能取 决于整个系统的节点数量，路由效率，而不仅仅是单节点的并发负载能力。

2) Voldemort

Voldemort是个和Cassandra类似的面向解决scale问题的分布式数据库系统，Cassandra来自于Facebook这个SNS网 站，而Voldemort则来自于Linkedin这个SNS网站。说起来SNS网站为我们贡献了n多的NoSQL数据库，例如 Cassandar，Voldemort，Tokyo Cabinet，Flare等等。

Voldemort的资料不是很多，因此我没有特别仔细去钻研，Voldemort官方给出Voldemort的并发读 写性能也很不错，每秒超过了1.5万次读写。

从Facebook开发Cassandra，Linkedin开发Voldemort，我们也可以大致看出国外大型SNS网站对于分布式数据库，特别是对 数据库的scale能力方面的需求是多么殷切。前面提到，web应用的架构当中，web层和app层相对来说都很容易横向扩展，唯有数据库是单点的，极难 scale，现在Facebook和Linkedin在非关系型数据库的分布式方面探索了一条很好的方向，这也是为什么现在Cassandra这么热门的 主要原因。

补充说明：

1.实质。 非关系型数据库的实质：非关系型数据库产品是传统关系型数据库的功能阉割版本，通过减少用不到或很少用的功能，来大幅度提高产品性能。

2.价格。 目前基本上大部分主流的非关系型数据库都是免费的。而比较有名气的关系型数据库，比如Oracle、DB2、MSSQL是收费的。虽然Mysql免费，但它需要做很多工作才能正式用于生产。

3.功能。 实际开发中，有很多业务需求，其实并不需要完整的关系型数据库功能，非关系型数据库的功能就足够使用了。这种情况下，使用性能更高、成本更低的非关系型数据库当然是更明智的选择。

非关系型数据库在某些特定的领域很好用，比如redis作为数据的缓存，数据是存储在内存中，所以性能非常好，底层只有三万条代码，貌似知乎就用到了redis作为数据库。

非关系数据库只实现了关系数据库一部分的功能，但因此很大程度上扩充了某些功能的性能。一般用关系数据库就够了。严格说mysql在关系数据库兄是实现得也不是很完整的一类，从而在某些查询上，mysql有超出严格关系数据库很多的性能。具体应用需要权衡，特别是关联条件很多的数据，非关系数据库一般不合适，有时候甚至mysql也不合适。

End.

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