NoSQL | Redis、Memcache、MongoDB特点、区别以及应用场景
2017-12-12 康哥 码神联盟
本篇文章主要介绍Nosql的一些东西，以及Nosql中比较火的三个数据库Redis、Memcache、MongoDB特点、区别以及应用场景。
Nosql介绍
Nosql的全称是Not Only Sql，这个概念早起就有人提出，在09年的时候比较火。Nosql指的是非关系型数据库，而我们常用的都是关系型数据库。就像我们常用的mysql，oralce、sqlserver等一样，这些数据库一般用来存储重要信息，应对普通的业务是没有问题的。但是，随着互联网的高速发展，传统的关系型数据库在应付超大规模，超大流量以及高并发的时候力不从心。而就在这个时候，Nosql应运而生。
Nosql和关系型数据库的区别
1.存储方式
关系型数据库是表格式的，存储在表的行和列中。他们之间很容易关联协作存储，提取数据很方便。而Nosql数据库则与其相反，他是组合在一起。通常存储在数据集中，就像文档、键值对或者图结构。
2.存储结构
关系型数据库对应的是结构化数据，数据表都预先定义了结构(列的定义)，结构描述了数据的形式和内容。这一点对数据建模至关重要，虽然预定义结构带来了可靠性和稳定性，但是修改这些数据比较困难。而Nosql数据库基于动态结构，使用与非结构化数据。因为Nosql数据库是动态结构，可以很容易适应数据类型和结构的变化。
3.存储规范
关系型数据库的数据存储为了更高的规范性，把数据分割为最小的关系表以避免重复，获得精简的空间利用。虽然管理起来很清晰，但是单个操作设计到多张表的时候，数据管理就显得有点麻烦。而Nosql数据存储在平面数据集中，数据经常可能会重复。单个数据库很少被分隔开，而是存储成了一个整体，这样整块数据更加便于读写
4.存储扩展
这可能是两者之间最大的区别，关系型数据库是纵向扩展，也就是说想要提高处理能力，要使用速度更快的计算机。因为数据存储在关系表中，操作的性能瓶颈可能涉及到多个表，需要通过提升计算机性能来克服。虽然有很大的扩展空间，但是最终会达到纵向扩展的上限。而Nosql数据库是横向扩展的，它的存储天然就是分布式的，可以通过给资源池添加更多的普通数据库服务器来分担负载。
5.查询方式
关系型数据库通过结构化查询语言来操作数据库(就是我们通常说的SQL)。SQL支持数据库CURD操作的功能非常强大，是业界的标准用法。而Nosql查询以块为单元操作数据，使用的是非结构化查询语言(UnQl)，它是没有标准的。关系型数据库表中主键的概念对应Nosql中存储文档的ID。关系型数据库使用预定义优化方式(比如索引)来加快查询操作，而Nosql更简单更精确的数据访问模式。
6.事务
关系型数据库遵循ACID规则(原子性(Atomicity)、一致性(Consistency)、隔离性(Isolation)、持久性(Durability))，而Nosql数据库遵循BASE原则(基本可用(Basically Availble)、软/柔性事务(Soft-state )、最终一致性(Eventual Consistency))。由于关系型数据库的数据强一致性，所以对事务的支持很好。关系型数据库支持对事务原子性细粒度控制，并且易于回滚事务。而Nosql数据库是在CAP(一致性、可用性、分区容忍度)中任选两项，因为基于节点的分布式系统中，很难全部满足，所以对事务的支持不是很好，虽然也可以使用事务，但是并不是Nosql的闪光点。
7.性能
关系型数据库为了维护数据的一致性付出了巨大的代价，读写性能比较差。在面对高并发读写性能非常差，面对海量数据的时候效率非常低。而Nosql存储的格式都是key-value类型的，并且存储在内存中，非常容易存储，而且对于数据的 一致性是 弱要求。Nosql无需sql的解析，提高了读写性能。
8.授权方式
关系型数据库通常有SQL Server，Mysql，Oracle等。主流的Nosql数据库有Redis，Memcache，MongoDb。大多数的关系型数据库都是付费的并且价格昂贵，成本较大，而Nosql数据库通常都是开源的。
Redis、Memcache、MongoDb的优缺点
Redis优点
支持多种数据结构，如 string(字符串)、 list(双向链表)、dict(hash表)、set(集合)、zset(排序set)、hyperloglog(基数估算)
支持持久化操作，可以进行aof及rdb数据持久化到磁盘，从而进行数据备份或数据恢复等操作，较好的防止数据丢失的手段。
支持通过Replication进行数据复制，通过master-slave机制，可以实时进行数据的同步复制，支持多级复制和增量复制，master-slave机制是Redis进行HA的重要手段。
单线程请求，所有命令串行执行，并发情况下不需要考虑数据一致性问题。
支持pub/sub消息订阅机制，可以用来进行消息订阅与通知。
支持简单的事务需求，但业界使用场景很少，并不成熟。
Redis缺点
Redis只能使用单线程，性能受限于CPU性能，故单实例CPU最高才可能达到5-6wQPS每秒(取决于数据结构，数据大小以及服务器硬件性能，日常环境中QPS高峰大约在1-2w左右)。
支持简单的事务需求，但业界使用场景很少，并不成熟，既是优点也是缺点。
Redis在string类型上会消耗较多内存，可以使用dict(hash表)压缩存储以降低内存耗用。
Memcache优点
Memcached可以利用多核优势，单实例吞吐量极高，可以达到几十万QPS(取决于key、value的字节大小以及服务器硬件性能，日常环境中QPS高峰大约在4-6w左右)。适用于最大程度扛量。支持直接配置为session handle。
Memcache缺点
只支持简单的key/value数据结构，不像Redis可以支持丰富的数据类型。
无法进行持久化，数据不能备份，只能用于缓存使用，且重启后数据全部丢失。
无法进行数据同步，不能将MC中的数据迁移到其他MC实例中。
Memcached内存分配采用Slab Allocation机制管理内存，value大小分布差异较大时会造成内存利用率降低，并引发低利用率时依然出现踢出等问题。需要用户注重value设计。
MongoDB优点
更高的写负载，MongoDB拥有更高的插入速度。
处理很大的规模的单表，当数据表太大的时候可以很容易的分割表。
高可用性，设置M-S不仅方便而且很快，MongoDB还可以快速、安全及自动化的实现节点(数据中心)故障转移。
快速的查询，MongoDB支持二维空间索引，比如管道，因此可以快速及精确的从指定位置获取数据。MongoDB在启动后会将数据库中的数据以文件映射的方式加载到内存中。如果内存资源相当丰富的话，这将极大地提高数据库的查询速度。
非结构化数据的爆发增长，增加列在有些情况下可能锁定整个数据库，或者增加负载从而导致性能下降，由于MongoDB的弱数据结构模式，添加1个新字段不会对旧表格有任何影响，整个过程会非常快速。
MongoDB缺点
不支持事务。MongoDB占用空间过大 。
MongoDB没有成熟的维护工具。
Redis、Memcache、MongoDB的区别
性能
三者的性能都比较高，总的来讲：Memcache和Redis差不多，要高于MongoDB。
便利性
memcache数据结构单一。
redis丰富一些，数据操作方面，redis更好一些，较少的网络IO次数。
mongodb支持丰富的数据表达，索引，最类似关系型数据库，支持的查询语言非常丰富。
存储空间
redis在2.0版本后增加了自己的VM特性，突破物理内存的限制;
可以对key value设置过期时间(类似memcache)。
memcache可以修改最大可用内存,采用LRU算法。
mongoDB适合大数据量的存储，依赖操作系统VM做内存管理，吃内存也比较厉害，服务不要和别的服务在一起。
可用性
redis，依赖客户端来实现分布式读写;主从复制时，每次从节点重新连接主节点都要依赖整个快照,无增量复制，因性能和效率问题，所以单点问题比较复杂;不支持自动sharding,需要依赖程序设定一致hash 机制。一种替代方案是，不用redis本身的复制机制，采用自己做主动复制(多份存储)，或者改成增量复制的方式(需要自己实现)，一致性问题和性能的权衡。
Memcache本身没有数据冗余机制，也没必要;对于故障预防，采用依赖成熟的hash或者环状的算法，解决单点故障引起的抖动问题。
mongoDB支持master-slave,replicaset(内部采用paxos选举算法，自动故障恢复),auto sharding机制，对客户端屏蔽了故障转移和切分机制。
可靠性
redis支持(快照、AOF)：依赖快照进行持久化，aof增强了可靠性的同时，对性能有所影响。
memcache不支持，通常用在做缓存,提升性能。
MongoDB从1.8版本开始采用binlog方式支持持久化的可靠性。
一致性
Memcache 在并发场景下，用cas保证一致性。
redis事务支持比较弱，只能保证事务中的每个操作连续执行。
mongoDB不支持事务。
数据分析
mongoDB内置了数据分析的功能(mapreduce),其他两者不支持。
应用场景
redis：数据量较小的更性能操作和运算上。
memcache：用于在动态系统中减少数据库负载，提升性能;做缓存，提高性能(适合读多写少，对于数据量比较大，可以采用sharding)。
MongoDB:主要解决海量数据的访问效率问题。
