数据库存储选型经验总结

2022-11-03 17:38:52

工作中总是遇到数据存储相关的 Bug 工单，新需求开发设计中也多多少少会有数据模型设计和存储相关的问题。经过几次存储方案设计选型和讨论后发现需要有更全面的思考框架。

日常开发中常用的存储方案选型很多都是 “拿来主义” 的，凭借着经验、习惯选用，但对它们的细节特性或约束少有研究。
除了手边会用的存储方案，也应该关注市面上更合适的存储方案。
一定的技术预研和储备能够帮助未来更好的技术方案设计。

故写了这篇文章，抛出我的观察和思考，希望日后可以将一些更先进 (合适) 的技术引入公司业务，助力业务发展。

存储选型的考虑要素

存储选型的目的还是为了我们的使用场景和用户服务，因此在选型前需要回答一些业务指标 & 技术指标方面的问题，以便于我们清楚存储选型的应用环境。

用户量：用户量预估多少？几百几万还是几亿？
数据量：数据量预估多少？日均增量能有多少？
读写偏好：数据是读多一些还是写多一些？
数据场景：强事务型还是分析型需求？
运行性能要求：并发量是多少？高峰、平均、低谷分别预估是多少？

存储引擎分类及特性

数据库的分类方式非常多样，因参考维度不同而存在较大差异，下面是常见的一些分类。

数据库类型	常见数据库
关系型	MySQL、Oracle、DB2、SQLServer 等。
非关系型	Hbase、Redis、MongodDB 等。
行式存储	MySQL、Oracle、DB2、SQLServer 等。
列式存储	Hbase、ClickHouse 等。
分布式存储	Cassandra、Hbase、MongodDB 等。
键值存储	Memcached、Redis、MemcacheDB 等。
图形存储	Neo4J、TigerGraph 等。
文档存储	MongoDB、CouchDB 等。

先拿我们熟悉的关系数据库来说，它的优点非常多，我们选用关系数据库的理由可简单概括为以下几点：

1 容易理解

可由二维表结构来逻辑表达，相对网状、层次等其他模型更加容易被理解。严格遵循数据格式与长度规范，数据以行为单位，一行数据表示一个实体信息，每一行数据的属性都是相同的。

2 事务特性

支持 ACID 特性，可以维护数据之间的一致性，这是使用关系数据库非常重要的一个理由。

3 操作方便

通用的 SQL 语言使得操作关系型数据库非常方便，支持 join 等复杂查询，Sql + 二维关系是关系型数据库无可比拟的优点，这种易用性非常贴近开发者。

4 数据稳定

数据持久化到磁盘，没有丢失数据风险。

5 服务稳定

常用的关系型数据库产品 MySql、Oracle 服务器性能卓越，服务稳定，通常很少出现宕机异常。

然而，在享受关系数据库带来的便利的同时，我们也不得不面临很多麻烦的问题：

1 高并发下数据库瓶颈明显

数据按行存储，即使只针对某一列进行运算，也会将整行数据从存储设备中读入内存，导致 IO 较高。写入更新频繁的情况下，数据库往往会出现 CPU 飙高、Sql 执行慢、客户端报数据库连接池不够等异常情况，且性能瓶颈通过加 CPU、换固态硬盘、继续买服务器加数据库做分库等方式处理 ROI 不高，受限于其本身的特点，可能花了很多钱都未必能达到想要的效果。因此例如万人秒杀这种场景，我们不可能通过数据库直接去扣减库存，需要做好流量漏斗。

2 为维护数据一致性付出的代价大

数据一致性是关系型数据库的核心，但是同样为了维护数据一致性的代价也非常大。SQL 标准为事务定义了不同的隔离级别，从低到高依次是读未提交、读已提交、可重复度、串行化，事务隔离级别越低，可能导致的并发异常越多，但是能提供的并发能力越强。那么为了保证事务一致性，数据库就需要提供并发控制与故障恢复两种技术，前者用于减少并发异常，后者可以在系统异常的时候保证事务与数据库状态不会被破坏。对于并发控制，其核心思想就是加锁，无论是乐观锁还是悲观锁，只要提供的隔离级别越高，那么读写性能必然会受影响。

3 为维护索引付出的代价大

为了提供丰富的查询能力，通常热点表都会有多个二级索引，一旦有了二级索引，数据的新增必然伴随着所有二级索引的新增，数据的更新也必然伴随着所有二级索引的更新，这不可避免地降低了关系型数据库的读写能力，且索引越多读写能力越差。除了数据文件不可避免地占空间外，索引占的空间其实也并不少。

4 水平扩展后带来的种种问题难处理

随着业务规模扩大，一种方式是对数据库做分库，做了分库之后，数据迁移（1 个库的数据按照一定规则打到 2 个库中）、跨库 join、分布式事务处理都是需要考虑的问题，尤其是分布式事务处理，业界当前都没有特别好的解决方案。

5 全文搜索功能弱

例如 like “% 新年快乐 %”，只能搜索到 “新年快乐，爱大家”，无法搜索到 “新年真是太快乐了，爱大家” 这样的文本，即不具备分词能力，且 like 查询在 “% 新年快乐” 这样的搜索条件下，无法命中索引，将会导致查询效率大大降低。

6 表结构扩展不方便

由于数据库存储的是结构化数据，因此表结构 schema 是固定的，扩展不方便，如果需要修改表结构，需要执行 DDL（data definition language）语句修改，修改期间会导致锁表，部分服务不可用。

如上文所分析的，关系型数据库优点明显，缺点同样不能忽视，因此通常在企业规模不断扩大的情况下，不会一味指望通过增强数据库的能力来解决数据存储问题，而是会引入其他存储，也就是我们说的 NoSql。

NoSql 的全称为 Not Only SQL，泛指非关系型数据库，是对关系型数据库的一种补充，特别注意补充这两个字，这意味着 NoSql 与关系型数据库并不是对立关系，二者各有优劣，取长补短，在合适的场景下选择合适的存储引擎才是正确的做法。

下面看一下常用的 NoSql 及他们的代表产品，并对每种 NoSql 的优缺点和适用场景做一下分析，便于熟悉每种 NoSql 的特点，方便技术选型。

KV 型 NoSql（代表 —-Redis）

KV 型 NoSql 顾名思义就是以键值对形式存储的非关系型数据库，是常见的一种 NoSql。Redis、MemCache 是其中的代表，Redis 又是 KV 型 NoSql 中应用广泛的 NoSql，KV 型数据库以 Redis 为例，大的优点总结下来主要有两点：

数据基于内存，读写效率高
KV 型数据，时间复杂度为 O(1)，查询速度快

所以说，KV 型 NoSql 大的优点就是高性能，利用 Redis 自带的 BenchMark 做基准测试，TPS 可达到 10 万的级别，性能非常强劲。同样的 Redis 也有所有 KV 型 NoSql 都有的比较明显的缺点：

内存是有限的，无法支持海量数据存储
只能根据 K 查 V，无法根据 V 查 K
查询方式单一，只有 KV 的方式，不支持条件查询，多条件查询的做法就是数据冗余，但这会浪费很多存储空间
由于 KV 型 NoSql 的存储是基于内存的，会有丢失数据的风险（有持久化存储方案）

综上所述，KV 型 NoSql 合适的场景就是缓存的场景：

读远多于写
没有持久化的需求，可以容忍数据丢失

针对那些读远多于写的数据，引入一层缓存，每次读从缓存中读取，缓存中读取不到，再去数据库中取，取完之后再写入到缓存，对数据做好失效机制通常就没有大问题了。通常来说，缓存是性能优化的选择也是见效明显的方案。

搜索型 NoSql（代表 —-ElasticSearch）

传统关系型数据库主要通过索引来达到快速查询的目的，但是在全文搜索的场景下，索引是无能为力的，like 查询无法满足所有模糊匹配需求，使用限制太大且使用不当容易引起慢查询问题，搜索型 NoSql 的诞生正是为了解决关系型数据库全文搜索能力较弱的问题，ElasticSearch 是搜索型 NoSql 的代表产品。

全文搜索的原理是倒排索引，我们看一下什么是倒排索引，它是关键字 –> 文档的映射，举例来说，现在这里有四个短句：

"Tom is Tom"
"Tom is my friend"
"Thank you, Betty"
"Tom is Betty's husband"

搜索引擎会根据一定的分词规则将一句话切成多个关键字，并以关键字的维度维护关键字在每个文本中的出现次数。这样下次搜索“Tom”关键字的时候，由于 Tom 这个词语在“Tom is Tom”、“Tom is my friend”、“Tom is Betty’s husband” 三句话中都出现过，因此这三条记录都会被检索出来，而且由于”Tom is Tom” 这句话中”Tom” 出现了 2 次，因此这条记录对”Tom” 这个单词的匹配度高，先展示。这就是搜索引擎倒排索引的基本原理，假设某个关键字在某个文档中出现，那么倒排索引中有两部分内容：

文档 ID
该关键字在该文档中出现的位置情况

相对应的，我们搜索”Betty Tom” 这两个词语也是一样，搜索引擎将”Betty Tom” 切分为”Tom”、”Betty” 两个单词，根据开发者指定的满足率，比如满足率 = 50%，那么只要记录中出现了两个单词之一的记录都会被检索出来，再按照匹配度进行展示。

搜索型 NoSql 以 ElasticSearch 为例，它的优点为：

支持分词场景、全文搜索，这是区别于关系型数据库大特点
数据写文件无丢失风险，在集群环境下可以方便横向扩展，可承载 PB 级别的数据
支持条件查询，支持聚合操作，类似关系型数据库的 Group By，但是功能更加强大，适合做数据分析
高可用，自动发现新的或者失败的节点，重组和重新平衡数据，确保数据是安全和可访问的

同样，ElasticSearch 也有比较明显的缺点：

性能全靠内存来顶，也是使用的时候需要注意的点，非常吃内存，大数据量下 64G + SSD 基本就是标配，相同的配置多一倍内存，一个月差不多就要多花好多钱。至于 ElasticSearch 内存主要用在以下几个地方：

Indexing Buffer----ElasticSearch 基于 Luence，Lucene 的倒排索引是先在内存里生成，然后定期以 Segment File 的方式刷磁盘的，每个 Segment File 实际就是一个完整的倒排索引
各类缓存 ----Filter Cache、Field Cache、Indexing Cache 等，用于提升查询分析性能，例如 Filter Cache 用于缓存使用过的 Filter 的结果集
Segment Memory---- 倒排索引前面说过是基于关键字的，Lucene 在 4.0 后会将所有关键字以 FST 这种数据结构的方式将所有关键字在启动的时候全量加载到内存，加快查询速度，官方建议至少留系统一半内存给 Lucene
Cluter State Buffer----ElasticSearch 被设计为每个 Node 都可以响应用户请求，因此每个 Node 的内存中都包含有一份集群状态的拷贝，一个规模很大的集群这个状态信息可能会非常大

数据结构灵活性不高，字段一旦建立就没法修改类型了，假如建立的数据表某个字段没有加全文索引，想加上，那么只能把整个表删了再重建。
读写之间有延迟，写入的数据差不多 1s 样子会被读取到（数据写入时需要维护很多索引）

因此，搜索型 NoSql 适用的场景就是有条件搜索尤其是全文搜索的场景，作为关系型数据库的一种替代方案，通常搜索型 NoSql 也会作为一层前置缓存，来对关系型数据库进行保护。

此外，搜索型数据库还有一种非常重要的应用场景。我们可以想，一旦对数据库做了分库分表后，原来可以在单表中做的聚合操作、统计操作是否统统失效？例如我把订单表分 16 个库，1024 张表，那么订单数据就散落在 1024 张表中，我想要统计昨天浙江省单笔成交金额高的订单是哪笔如何做？这就是搜索型 NoSql 的另一大作用了，我们可以把分表之后的数据统一打在搜索型 NoSql 中，利用搜索型 NoSql 的搜索与聚合能力完成对全量数据的查询。

列式 NoSql（代表 —-HBase）

列式 NoSql 和关系型数据库一样都有主键的概念，区别在于关系型数据库是按照行组织的数据，数据字段即使没有值同样占空间，列式存储完全是另一种方式，它是按列进行数据组织的，好处在于：

查询时只有指定的列会被读取，不会读取所有列
存储上节约空间，空值不会被存储，一列中有时候会有很多重复数据（尤其是枚举数据，性别、状态等字段），这类数据可压缩
列数据被组织到一起，一次磁盘 IO 可以将一列数据一次性读取到内存中

大数据时代具代表性的技术之一 HBase 就是列式 NoSQL 的产品实现，其优点主要是：

海量数据存储，PB 级别数据随便存，底层基于 HDFS（Hadoop 文件系统），数据持久化
读写性能好，只要没有滥用造成数据热点，读写基本没任何问题
横向扩展在关系型数据库及非关系型数据库中都是方便的之一，只需要添加新机器就可以实现数据容量的线性增长，且可用在廉价服务器上，节省成本
可存储结构化或者半结构化的数据
本身没有单点故障，可用性高
列数理论上无限制，HBase 本身只对列族数量有要求，建议 1~3 个

缺点主要表现在：

HBase 是 Hadoop 生态的一部分，因此它本身是一款比较重的产品，依赖很多 Hadoop 组件，数据规模不大没必要用，运维还是有点复杂的。
不支持分页查询，因为统计不了数据总数。
KV 式存储，条件查询很弱，HBase 在 Scan 扫描一批数据的情况下还是提供了前缀匹配这种 API 的，条件查询除非定义多个 RowKey 做数据冗余。

因此 HBase 比较适用于 KV 型存储且未来无法预估数据增长量的场景，另外 HBase 使用还是需要一定的经验，主要体现在 RowKey 的设计上。

文档型 NoSql（代表 —-MongoDB）

文档型 NoSql 指的是将半结构化数据存储为文档的一种 NoSql，文档型 NoSql 通常以 JSON 或者 XML 格式存储数据，因此文档型 NoSql 是没有 Schema 的，由于没有 Schema 的特性，我们可以随意地存储与读取数据，因此文档型 NoSql 的出现是解决关系型数据库表结构扩展不方便的问题的。

MongoDB 是文档型 NoSql 的代表产品，同时也是所有 NoSql 产品中的明星产品之一，它的很多概念与关系数据库类似，因此，对于 MongDB，我们只需要理解成一个 Free-Schema 的关系型数据库就好了，其优点主要是：