NoSQL数据库浅析(一):Redis和Memcached

NoSQL(Not Only SQL),泛指非关系型数据库，它的出现告诉我们：适用关系型数据库的时候就使用关系型数据库，不适用的时候也没有必要非使用关系型数据库不可，可以考虑使用更加合适的数据存储。

NoSQL简介

关系型数据库的不足

关系型数据库的性能非常高，但是它毕竟是一个通用型的数据库，并不能完全适应所有的用途，具体来说它并不擅长以下处理:
- 大量数据的写入处理
- 为有数据更新的表做索引或表结构变更
- 字段不固定时应用
- 对简单查询需要快速返回结果的处理

这里逐一进行说明：
1. 大量数据的写入处理
　　在数据读入方面，由复制产生的主从模式（数据的写入由主数据库负责，数据的读入由从数据库负责），可以比较简单的通过增加从数据库来实现规模化，但是在数据库的写入方面却不是这么简单，例如，考虑把主数据库从一台增加到俩台，做为互相关联复制的二元主数据库来使用，确实这样似乎可以把每台主数据库的负荷减少一半，但是更新处理会发生冲突（同样的数据在俩台服务器同时更新成其他值），可能会造成数据的不一致，为了避免这样的问题，就需要把对某个表的请求分别分配给合适的的主数据库来处理。
　　另外也可以考虑把数据库分割开来，分别放在不同的数据库服务器上。数据库分割可以减少每台数据库服务器上的数据量，以便减少磁盘I/O处理，实现内存上的高速处理。但是这样做存储在不同服务器上的表之间就无法进行join处理。

1. 为有数据更新的表做索引或表结构变更
   　　在使用关系型数据库时，为了加快查询速度需要创建索引，为了增加必要的字段就一定需要改变表结构。为了进行这些处理，需要对表进行共享锁定，这期间数据变更（更新，插入，删除）是无法进行的。如果为数据量比较大的表创建索引或者是变更其表结构，就可能会导致长时间内数据无法进行更新。

2. 字段不固定时的应用
   　　如果字段不固定，在实际运用中每次都进行反复的表结构变更时非常痛苦的，也可以预先设定大量的预备字段，但这样的话很容易弄不清楚字段和数据的对应状态。

3. 对简单查询需要快速返回结果的处理
   　　关系型数据库并不擅长对简单的查询快速返回结果，因为关系型数据库是使用SQL进行读取的，它需要对SQL语言进行解析，同时还有对表的的锁定和解锁这样的额外开销。若希望对简单查询进行高速处理，没有必要非用关系型数据库不可。

RDBMS和NoSQL的区别

CAP定理

在计算机科学中, CAP定理（CAP theorem）, 又被称作 布鲁尔定理（Brewer’s theorem）, 它指出对于一个分布式计算系统来说，不可能同时满足以下三点:
- 一致性(Consistency) (所有节点在同一时间具有相同的数据)
- 可用性(Availability) (保证每个请求不管成功或者失败都有响应)
- 分隔容忍(Partition tolerance) (系统中任意信息的丢失或失败不会影响系统的继续运作)

CAP理论的核心是：一个分布式系统不可能同时很好的满足一致性，可用性和分区容错性这三个需求，最多只能同时较好的满足两个。
因此，根据 CAP 原理将 NoSQL 数据库分成了满足 CA 原则、满足 CP 原则和满足 AP 原则三大类：
- CA - 单点集群，满足一致性，可用性的系统，通常在可扩展性上不太强大。
- CP - 满足一致性，分区容忍性的系统，通常性能不是特别高。
- AP - 满足可用性，分区容忍性的系统，通常可能对一致性要求低一些。

NoSQL数据库分类

Memcached

Memcached简介

Memcached是一个自由开源的,高性能，分布式内存对象缓存系统。本质上，它是一个简洁的key-value存储系统。一般使用的目的是通过缓存数据库查询结果，减少数据库访问次数，以提高动态Web应用的速度，提高可扩展性。

Memcached特征

memcached的特征：
- 协议简单
memcached的服务器客户端通信使用简单的基于文本行的协议，因此，通过telnet也能在memcached上保存数据，取得数据。

• 基于libevent的事件处理
  libevent是一个程序库，它将Linux的epoll，BSD类操作系统的kqueue等事件处理功能封装成统一的接口，即使对服务器的连接数增加，也能发挥O(1)的性能。因此memcached能在Linux,BSD等操作系统上发挥其高性能。

• 内置内存存储方式
  memcached保存的数据都存储在内置的内存存储空间中，由于数据仅存在于内存中，因此重启memcached，重启操作系统会导致全部数据丢失。另外，内容容量达到指定值后，就会基于LRU(最近最少使用)算法自动删除不使用的缓存。

• memcached不互相通信的分布式
  memcached尽管是分布式缓存服务器，但服务器端并没有分布式功能，各个memcached不会互相通信以共享信息。如何进行分布式，是由客户端来实现的。
  
  如上图所示，缓存的存储的一般流程为：当数据到达客户端，客户端实现的算法就会根据”键”来决定保存的memcached服务器，服务器选定后，命令它保存数据。取的时候也一样。客户端根据”键”选择服务器，同样使用之前的算法，这样就能保证读写都是相同的服务器了。

分布式方法

memcached的分布式方法主要有俩种：取模法和一致性hash算法。

• 取模法
  取模法（余数计算分散法）的算法如下：

CRC($key)%N

该算法下，客户端首先根据key来计算CRC，然后结果对服务器数进行取模得到memcached服务器节点，这种方式有两个问题需要注意：
1. 当选择到的服务器无法连接的时候，一种解决办法是将尝试的连接次数加到key后面，然后重新进行hash，这种做法也叫rehash。
2. 第二个问题也是这种方法的致命的缺点，尽管余数计算分散发相当简单，数据分散也很优秀，当添加或者移除服务器的时候，缓存重组的代价相当大。

• 一致性hash算法
  Consistent Hashing算法的描述如下：
  首先求出memcached服务器节点的哈希值，并将其分配到0-2^32的圆上，这个圆我们可以把它叫做值域，然后用同样的方法求出存储数据键的哈希值，并映射到圆上。然后从数据映射到的位置开始顺时针查找，将数据保存到找到的第一个服务器上，如果超过0-2^32仍找不到，就会保存在第一台memcached服务器上：
  
  如果新添加或移除一台机器，在consistent Hashing算法下会有什么影响。上图中假设有四个节点，我们再添加一个节点叫node5:
  
  node5被放在了node4与node2之间，本来映射到node2和node4之间的区域都会找到node4，当有node5的时候，node5和node4之间的还是找到node4，而node5和node2之间的此时会找到node5，因此当添加一台服务器的时候受影响的仅仅是node5和node2区间。

• 优化的一致性hash算法
  可以看出使用consistent Hashing最大限度的抑制了键的重新分配，有的consistent Hashing的实现方式还采用了虚拟节点的思想。问题起源于使用一般hash函数的话，服务器的映射地点的分布非常不均匀，从而导致数据库访问倾斜，大量的key被映射到同一台服务器上。为了避免这个问题，引入了虚拟节点的机制，为每台服务器计算出多个hash值，每个值对应环上的一个节点位置，这种节点叫虚拟节点。而key的映射方式不变，就是多了层从虚拟节点再映射到物理机的过程。这种优化下尽管物理机很少的情况下，只要虚拟节点足够多，也能够使用得key分布的相对均匀。

Memcached的安装使用

Memcached安装

Memcached官方并未提供Windows平台安装包，这里我使用的是菜鸟教程提供的安装包：
64位系统 1.4.4版本：http://static.runoob.com/download/memcached-win64-1.4.4-14.zip
更多版本请参考Memcached安装
1. 解压下载的安装包到自定义目录。
2. 使用管理员权限运行一下命令进行安装：

E:\memcached>memcached.exe -d install

可设置如下参数：
-p 监听的端口，默认是11211
-l 连接的IP地址, 默认是本机
-d start 启动memcached服务
-d restart 重起memcached服务
-d stop|shutdown 关闭正在运行的memcached服务
-d install 安装memcached服务
-d uninstall 卸载memcached服务
-u 以的身份运行 (仅在以root运行的时候有效)
-m 最大内存使用，单位MB。默认64MB
-M 内存耗尽时返回错误，而不是删除项
-c 最大同时连接数，默认是1024
-f 块大小增长因子，默认是1.25
-n 最小分配空间，key+value+flags默认是48
-h 显示帮助
如：memcached -d install -l 127.0.0.1 -m 1024 -c 2048。

1. 使用以下命令来启动和关闭memcached服务:

E:\memcached>memcached.exe -d start

E:\memcached>memcached.exe -d stop

Memcached连接

通过telnet命令并指定主机IP和端口来连接Memcached服务,默认运行的主机为127.0.0.l,端口为11211：

telnet 127.0.0.1 11211

进入telnet窗口发现输入的字符无法显示，没关系，使用快捷键Ctrl+]就能显示出来了，然后输入set localecho回车启用本地回显，再按一次回车进入telnet新窗口。输入stats，查看memcached的状态：

Memcached存储命令

[command] key flags exptime bytes [noreply]
vlaue

参数说明如下

1. set 命令用于将 value存储在指定的 key中。
如果set的key已经存在，该命令可以更新该key所对应的原来的数据，也就是实现更新的作用。

set mykey 0 0 3
123
STORED

get mykey
VALUE mykey 0 3
123

END

1. add 命令用于将 value存储在指定的 key 中。
   如果 add 的 key 已经存在，则不会更新数据，之前的值将仍然保持相同，并且将获得响应 NOT_STORED。

add mykey 0 0 3
456
NOT_STORED
add mykey2 0 0 4
abcd
STORED
get mykey2
VALUE mykey2 0 4
abcd
END

1. replace 命令用于替换已存在的 key 的 value。
   如果 key 不存在，则替换失败，并且将获得响应 NOT_STORED。

replace mykey 0 900 3
456
STORED
get mykey
VALUE mykey 0 3
456
END
replace mykey3 0 0 3
123
NOT_STORED

1. append 命令用于向已存在 key 的 value 后面追加数据,prepend 命令用于向已存在 key 的 value 前面追加数据.

set mykey 0 0 3
123
STORED
append mykey 0 0 4
abcd
STORED
prepend mykey 0 0 3
xyz
STORED
get mykey
VALUE mykey 0 10
xyz123abcd
END

1. 删除缓存：delete key，清理所有缓存：flush_all [time] [noreply]
   更多指令请参考memcached指令

PHP连接Memcached服务

首先安装PHP Memcache扩展，运行phpinfo()查看PHP的版本信息，决定扩展文件版本：

在http://windows.php.net/downloads/pecl/releases/memcache/3.0.8/ 下载正确版本的php_memcache.dll动态链接库文件 ，并放在php\ext目录下 。
编辑php.ini，添加下面一行代码到php.ini文件中。
extension=php_memcache.dll
在phpinfo中查看memcache扩展是否安装成功:

新建一个PHP文件用来测试:

<?php
$memcache = new Memcache;             //创建一个memcache对象
$memcache->connect(‘localhost‘, 11211) or die ("Could not connect"); //连接Memcached服务器
$memcache->set(‘key‘, ‘hello,测试memcache成功‘);        //设置一个变量到内存中，名称是key 值是test
$get_value = $memcache->get(‘key‘);   //从内存中取出key的值
echo $get_value;

Redis

Redis简介

Redis 是完全开源免费的，遵守BSD协议，是一个高性能的key-value数据库。
Redis 与其他 key - value 缓存产品有以下三个特点：
- Redis支持数据的持久化，可以将内存中的数据保持在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
- Redis不仅仅支持简单的key-value类型的数据，同时还提供list，set，zset，hash等数据结构的存储。
- Redis支持数据的备份，即master-slave模式的数据备份。

Redis优势

• 性能极高 – Redis能读的速度是110000次/s,写的速度是81000次/s 。
• 丰富的数据类型 – Redis支持二进制案例的 Strings, Lists, Hashes, Sets 及 Ordered Sets 数据类型操作。
• 原子 – Redis的所有操作都是原子性的，同时Redis还支持对几个操作全并后的原子性执行。
• 丰富的特性 – Redis还支持 publish/subscribe, 通知, key 过期等等特性。

Redis运行在内存中但是可以持久化到磁盘，所以在对不同数据集进行高速读写时需要权衡内存，因为数据量不能大于硬件内存。在内存数据库方面的另一个优点是， 相比在磁盘上相同的复杂的数据结构，在内存中操作起来非常简单，这样Redis可以做很多内部复杂性很强的事情。 同时，在磁盘格式方面他们是紧凑的以追加的方式产生的，因为他们并不需要进行随机访问。
redis提供了两种持久化的方式，分别是RDB（Redis DataBase）和AOF（Append Only File）。
RDB，简而言之，就是在不同的时间点，将Redis存储的数据生成快照并存储到磁盘等介质上；
AOF，则是换了一个角度来实现持久化，那就是将Redis执行过的所有写指令记录下来，在下次redis重新启动时，只要把这些写指令从前到后再重复执行一遍，就可以实现数据恢复了。
其实RDB和AOF两种方式也可以同时使用，在这种情况下，如果redis重启的话，则会优先采用AOF方式来进行数据恢复，这是因为AOF方式的数据恢复完整度更高。
如果你没有数据持久化的需求，也完全可以关闭RDB和AOF方式，这样的话，redis将变成一个纯内存数据库，就像memcache一样。
这里不做深究，详情持久化的方式可以参考Redis中文官网

Redis安装使用

Redis安装

Windows下安装的下载地址为https://github.com/MSOpenTech/redis/releases, 下载相应的压缩包解压重命名为redis。
cmd窗口运行redis-server.exe redis.windows.conf:

另开一个cmd窗口，之前的不要关闭，运行redis-cli.exe -h 127.0.0.1 -p 6379
设置键值对 set mykey 123,取出键值对 get mykey:

Redis数据类型及命令

Redis支持五种数据类型：string（字符串），hash（哈希），list（列表），set（集合）及zset(sorted set：有序集合)。
- String(字符串)
string是redis最基本的类型，你可以理解成与Memcached一模一样的类型，一个key对应一个value。
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 。
string类型是Redis最基本的数据类型，一个键最大能存储512MB。

127.0.0.1:6379> set str_name "abc"
OK
127.0.0.1:6379> get str_name
"abc"

• Hash(哈希)
  Redis hash 是一个键值对集合。
  Redis hash是一个string类型的field和value的映射表，hash特别适合用于存储对象。
  每个 hash 可以存储 2^32 - 1 键值对（40多亿）。

127.0.0.1:6379> hmset hash_key name htdwade passwd 123456 addr abc
OK
127.0.0.1:6379> get hash_key
(error) WRONGTYPE Operation against a key holding the wrong kind of value
127.0.0.1:6379> hgetall hash_key
1) "name"
2) "htdwade"
3) "passwd"
4) "123456"
5) "addr"
6) "abc"

• List(列表)
  Redis 列表是简单的字符串列表，按照插入顺序排序。你可以添加一个元素导列表的头部（左边）或者尾部（右边）。
  列表最多可存储 2^32 - 1 元素 (4294967295, 每个列表可存储40多亿)。

127.0.0.1:6379> lpush list_key php
(integer) 1
127.0.0.1:6379> lpush list_key java
(integer) 2
127.0.0.1:6379> rpush list_key c++
(integer) 3
127.0.0.1:6379> lrange list_key 0 10
1) "java"
2) "php"
3) "c++"

• Set(集合)
  Redis的Set是string类型的无序集合。
  集合是通过哈希表实现的，所以添加，删除，查找的复杂度都是O(1)。
  以下实例中 b 添加了两次，但根据集合内元素的唯一性，第二次插入的元素将被忽略。
  集合中最大的成员数为 2^32 - 1 (4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员)。

127.0.0.1:6379> sadd set_key a
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd set_key b
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sadd set_key b
(integer) 0
127.0.0.1:6379> sadd set_key c
(integer) 1
127.0.0.1:6379> smembers set_key
1) "b"
2) "c"
3) "a"

• zset(sorted set:有序集合)
  Redis zset 和 set 一样也是string类型元素的集合,且不允许重复的成员。
  不同的是每个元素都会关联一个double类型的分数。redis正是通过分数来为集合中的成员进行从小到大的排序。
  zset的成员是唯一的,但分数(score)却可以重复。

127.0.0.1:6379> zadd zset_key 2 mysql
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zadd zset_key 1 memcached
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zadd zset_key 3 nosql
(integer) 1
127.0.0.1:6379> zrange zset_key 0 10
1) "memcached"
2) "mysql"
3) "nosql"

更多命令的使用请参考Redis 教程

PHP连接Redis

首先安装PHP Redis扩展，运行phpinfo()查看PHP的版本信息，决定扩展文件版本.
在http://windows.php.net/downloads/pecl/snaps/redis/2.2.5/
http://windows.php.net/downloads/pecl/releases/igbinary/1.2.1/
下载正确版本的php_redis.dll和php_igbinary.dll动态链接库文件 ，并放在php\ext目录下 。
编辑php.ini，添加下面代码到php.ini文件中。

;php_redis
extension=php_igbinary.dll
extension=php_redis.dll

注意：extension=php_igbinary.dll一定要放在extension=php_redis.dll的前面，否则此扩展不会生效。
在phpinfo中查看redis扩展是否安装成功:

新建一个PHP文件用来测试:

<?php
    //连接本地的 Redis 服务
   $redis = new Redis();
   $redis->connect(‘127.0.0.1‘, 6379);
   //设置 redis 字符串数据
   $redis->set("str_name", "hello ,这是一个string值");
   //获取存储的数据并输出
   echo $redis->get("str_name");
   echo "\n";
   //存储数据到列表中
   $redis->lpush("mlist_name", "Redis");
   $redis->lpush("mlist_name", "Mongodb");
   $redis->lpush("mlist_name", "Mysql");
   //获取存储的数据并输出
   $arrList = $redis->lrange("mlist_name", 0 ,5);
   var_dump($arrList);

Redis和Memcached的区别

1. memcached挂掉后，数据没了；redis可以定期保存到磁盘（持久化）。Redis支持服务器端的数据操作，Redis相比Memcached来说，拥有更多的数据结构和并支持更丰富的数据操作，通常在Memcached里，你需要将数据拿到客户端来进行类似的修改再set回去。这大大增加了网络IO的次数和数据体积。在Redis中，这些复杂的操作通常和一般的GET/SET一样高效。所以，如果需要缓存能够支持更复杂的结构和操作，那么Redis会是不错的选择。
2. 内存使用效率对比：使用简单的key-value存储的话，Memcached的内存利用率更高，而如果Redis采用hash结构来做key-value存储，由于其组合式的压缩，其内存利用率会高于Memcached。
3. 性能对比：由于Redis只使用单核，而Memcached可以使用多核，所以平均每一个核上Redis在存储小数据时比Memcached性能更高。而在100k以上的数据中，Memcached性能要高于Redis，虽然Redis最近也在存储大数据的性能上进行优化，但是比起Memcached，还是稍有逊色。

参考

伯乐在线-memcached 分布式实现原理
菜鸟教程-memcached
在Windows下为PHP5.6安装redis扩展和memcached扩展
redis中文网
码农网