5款主流NoSQL数据库全方位对比分析，到底哪家强？

摘要：最近小组准备启动一个 node 开源项目，从前端亲和力、大数据下的IO性能、可扩展性几点入手挑选了 NoSQL 数据库，但具体使用哪一款产品还需要做一次选型。

我们最终把选项范围缩窄在 HBase、Redis、MongoDB、Couchbase、LevelDB 五款较主流的数据库产品中，本文将主要对它们进行分析对比。

鉴于缺乏项目中的实战经验沉淀，本文内容和观点主要是从各平台资料搜罗汇总，所引用的资料来源将示于文末。所汇总的内容仅供参考，若有异议望指正。

　　HBase

HBase 是 Apache Hadoop 中的一个子项目，属于 bigtable 的开源版本，所实现的语言为Java（故依赖 Java SDK）。HBase 依托于 Hadoop 的 HDFS（分布式文件系统）作为最基本存储基础单元。

HBase在列上实现了 BigTable 论文提到的压缩算法、内存操作和布隆过滤器。HBase的表能够作为 MapReduce（https://zh.wikipedia.org/wiki/MapReduce）任务的输入和输出，可以通过Java API来访问数据，也可以通过REST、Avro或者Thrift的API来访问。

1. 特点

1.1 数据格式

HBash 的数据存储是基于列（ColumnFamily）的，且非常松散—— 不同于传统的关系型数据库（RDBMS），HBase 允许表下某行某列值为空时不做任何存储（也不占位），减少了空间占用也提高了读性能。

不过鉴于其它NoSql数据库也具有同样灵活的数据存储结构，该优势在本次选型中并不出彩。

我们以一个简单的例子来了解使用 RDBMS 和 HBase 各自的解决方式：

1）RDBMS方案：

其中Article表格式：

Author表格式：

2）等价的HBase方案：

对于前端而言，这里的 Column Keys 和 Column Family 可以看为这样的关系：

1.2 性能

HStore存储是HBase存储的核心，它由两部分组成，一部分是MemStore，一部分是StoreFiles。

MemStore 是 Sorted Memory Buffer，用户写入的数据首先会放入MemStore，当MemStore满了以后会Flush成一个StoreFile（底层实现是HFile），当StoreFile文件数量增长到一定阈值，会触发Compact合并操作，将多个StoreFiles合并成一个StoreFile，合并过程中会进行版本合并和数据删除，因此可以看出HBase其实只有增加数据，所有的更新和删除操作都是在后续的compact过程中进行的，这使得用户的写操作只要进入内存中就可以立即返回，保证了HBase I/O的高性能。

1.3 数据版本

Hbase 还能直接检索到往昔版本的数据，这意味着我们更新数据时，旧数据并没有即时被清除，而是保留着：

Hbase 中通过 row+columns 所指定的一个存贮单元称为cell。每个 cell都保存着同一份数据的多个版本——版本通过时间戳来索引。

时间戳的类型是 64位整型。时间戳可以由Hbase(在数据写入时自动 )赋值，此时时间戳是精确到毫秒的当前系统时间。时间戳也可以由客户显式赋值。如果应用程序要避免数据版本冲突，就必须自己生成具有唯一性的时间戳。每个 cell中，不同版本的数据按照时间倒序排序，即最新的数据排在最前面。

为了避免数据存在过多版本造成的的管理 (包括存贮和索引)负担，Hbase提供了两种数据版本回收方式。一是保存数据的最后n个版本，二是保存最近一段时间内的版本(比如最近七天)。用户可以针对每个列族进行设置。

1.4 CAP类别

属于CP类型（了解更多：http://yangshangchuan.iteye.com/blog/2002544）。

2. Node下的使用

HBase的相关操作可参考下表：

在node环境下，可通过 node-hbase（https://github.com/wdavidw/node-hbase）来实现相关访问和操作，注意该工具包依赖于 PHYTHON2.X（3.X不支持）和Coffee。

如果是在 window 系统下还需依赖 .NET framwork2.0，64位系统可能无法直接通过安装包安装。

官方示例：

数据检索：

另有 hbase-client（https://github.com/alibaba/node-hbase-client）也是一个不错的选择，具体API参照其文档。

3. 优缺点

优点：

存储容量大，一个表可以容纳上亿行，上百万列；
可通过版本进行检索，能搜到所需的历史版本数据；
负载高时，可通过简单的添加机器来实现水平切分扩展，跟Hadoop的无缝集成保障了其数据可靠性（HDFS）和海量数据分析的高性能（MapReduce）；
在第3点的基础上可有效避免单点故障的发生。

缺点：

基于Java语言实现及Hadoop架构意味着其API更适用于Java项目；
node开发环境下所需依赖项较多、配置麻烦（或不知如何配置，如持久化配置），缺乏文档；
占用内存很大，且鉴于建立在为批量分析而优化的HDFS上，导致读取性能不高；
API相比其它 NoSQL 的相对笨拙。

适用场景：

bigtable类型的数据存储；
对数据有版本查询需求；
应对超大数据量要求扩展简单的需求。

　　Redis

Redis 是一个开源的使用ANSI C语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API。目前由VMware主持开发工作。

1. 特点

1.1 数据格式

Redis 通常被称为数据结构服务器，因为值（value）可以是字符串(String), 哈希(Hash/Map), 列表(list), 集合(sets) 和有序集合(sorted sets)五种类型，操作非常方便。比如，如果你在做好友系统，查看自己的好友关系，如果采用其他的key-value系统，则必须把对应的好友拼接成字符串，然后在提取好友时，再把value进行解析，而redis则相对简单，直接支持list的存储(采用双向链表或者压缩链表的存储方式)。

我们来看下这五种数据类型。

1）String

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。

实例：

在以上实例中我们使用了 Redis 的 SET 和 GET 命令。键为 name，对应的值为”zfpx”。注意：一个键最大能存储512MB。

2）Hash

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。

实例：

以上实例中 hash 数据类型存储了包含用户脚本信息的用户对象。实例中我们使用了 Redis HMSET, HGETALL 命令，user:1 为键值。每个 hash 可以存储 232- 1 键值对（40多亿）。

3）List

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）。

实例：

列表最多可存储 232- 1 元素 (4294967295, 每个列表可存储40多亿)。

4）Sets

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)。

添加一个string元素到 key 对应的 set 集合中，成功返回1，如果元素已经在集合中返回0，key对应的set不存在返回错误，指令格式为

实例：

注意：以上实例中 zfpx1 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 232- 1 （4294967295, 每个集合可存储40多亿个成员）。

5）sorted sets/zset

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。可以通过 zadd 命令（格式如下）添加元素到集合，若元素在集合中存在则更新对应score

实例：

1.2 性能

Redis数据库完全在内存中，因此处理速度非常快，每秒能执行约11万集合，每秒约81000+条记录（测试数据的可参考这篇《Redis千万级的数据量的性能测试》www.cnblogs.com/lovecindywang/archive/2011/03/03/1969633.html）。

Redis的数据能确保一致性——所有Redis操作是原子性（Atomicity，意味着操作的不可再分，要么执行要么不执行）的，这保证了如果两个客户端同时访问的Redis服务器将获得更新后的值。

1.3 持久化

通过定时快照（snapshot）和基于语句的追加（AppendOnlyFile，aof）两种方式，redis可以支持数据持久化——将内存中的数据存储到磁盘上，方便在宕机等突发情况下快速恢复。

1.4 CAP类别

属于CP类型（了解更多：www.quora.com/What-is-Redis-in-the-context-of-the-CAP-Theorem）。

2. Node下的使用

node 下可使用 node_redis（https://github.com/NodeRedis/node_redis）来实现 redis 客户端操作：

3. 优缺点

优点：

非常丰富的数据结构；
Redis提供了事务的功能，可以保证一串命令的原子性，中间不会被任何操作打断；
数据存在内存中，读写非常的高速，可以达到10w/s的频率。

缺点：

Redis3.0后才出来官方的集群方案，但仍存在一些架构上的问题（http://sunxiang0918.cn/2015/10/03/Redis%E9%9B%86%E7%BE%A4%E9%83%A8%E7%BD%B2/）；
持久化功能体验不佳——通过快照方法实现的话，需要每隔一段时间将整个数据库的数据写到磁盘上，代价非常高；而aof方法只追踪变化的数据，类似于mysql的binlog方法，但追加log可能过大，同时所有操作均要重新执行一遍，恢复速度慢；
由于是内存数据库，所以，单台机器，存储的数据量，跟机器本身的内存大小。虽然redis本身有key过期策略，但是还是需要提前预估和节约内存。如果内存增长过快，需要定期删除数据。

适用场景：

适用于数据变化快且数据库大小可遇见（适合内存容量）的应用程序。更具体的可参照这篇《Redis 的 5 个常见使用场景》译文（http://blog.jobbole.com/88383/）。

　　MongoDB

MongoDB 是一个高性能，开源，无模式的文档型数据库，开发语言是C++。它在许多场景下可用于替代传统的关系型数据库或键/值存储方式。

1. 特点

1.1 数据格式

在 MongoDB 中，文档是对数据的抽象，它的表现形式就是我们常说的 BSON（Binary JSON ）。

BSON 是一个轻量级的二进制数据格式。MongoDB 能够使用 BSON，并将 BSON 作为数据的存储存放在磁盘中。

BSON 是为效率而设计的，它只需要使用很少的空间，同时其编码和解码都是非常快速的。即使在最坏的情况下，BSON格式也比JSON格式再最好的情况下存储效率高。

对于前端开发者来说，一个“文档”就相当于一个对象：

对于文档是有一些限制的：有序、区分大小写的，所以下面的两个文档是与上面不同的：

另外，对于文档的字段 MongoDB 有如下的限制：

_id必须存在，如果你插入的文档中没有该字段，那么 MongoDB 会为该文档创建一个ObjectId作为其值。_id的值必须在本集合中是唯一的。

多个文档则组合为一个“集合”。在 MongoDB 中的集合是无模式的，也就是说集合中存储的文档的结构可以是不同的，比如下面的两个文档可以同时存入到一个集合中：

1.2 性能

MongoDB 目前支持的存储引擎为内存映射引擎。当 MongoDB 启动的时候，会将所有的数据文件映射到内存中，然后操作系统会托管所有的磁盘操作。这种存储引擎有以下几种特点：

MongoDB 中关于内存管理的代码非常精简，毕竟相关的工作已经有操作系统进行托管。
MongoDB 服务器使用的虚拟内存将非常巨大，并将超过整个数据文件的大小。不用担心，操作系统会去处理这一切。

在《Mongodb亿级数据量的性能测试》（www.cnblogs.com/lovecindywang/archive/2011/03/02/1969324.html）一文中，MongoDB 展现了强劲的大数据处理性能（数据甚至比Redis的漂亮的多）。

另外，MongoDB 提供了全索引支持（www.cnblogs.com/yangecnu/archive/2011/07/19/2110989.html）：包括文档内嵌对象及数组。Mongo的查询优化器会分析查询表达式，并生成一个高效的查询计划。通常能够极大的提高查询的效率。

1.3 持久化

MongoDB 在1.8版本之后开始支持 journal，就是我们常说的 redo log，用于故障恢复和持久化。

当系统启动时，MongoDB 会将数据文件映射到一块内存区域，称之为Shared view，在不开启 journal 的系统中，数据直接写入shared view，然后返回，系统每60s刷新这块内存到磁盘，这样，如果断电或down机，就会丢失很多内存中未持久化的数据。

当系统开启了 journal 功能，系统会再映射一块内存区域供 journal 使用，称之为 private view，MongoDB 默认每100ms刷新 privateView 到 journal，也就是说，断电或宕机，有可能丢失这100ms数据，一般都是可以忍受的，如果不能忍受，那就用程序写log吧（但开启journal后使用的虚拟内存是之前的两倍）。

1.4 CAP类别

MongoDB 比较灵活，可以设置成 strong consistent （CP类型）或者 eventual consistent（AP类型）。

但其默认是 CP 类型（了解更多：http://stackoverflow.com/questions/11292215/where-does-mongodb-stand-in-the-cap-theorem/11297667#11297667）。

2. Node下的使用

MongoDB 在 node 环境下的驱动引擎是 node-mongodb-native（http://github.com/mongodb/node-mongodb-native），作为依赖封装到 mongodb 包里，我们直接安装即可：

实例：

另外我们也可以使用MongoDB的ODM（面向对象数据库管理器） —— mongoose（http://mongoosejs.com/docs/index.html）来做数据库管理，具体参照其API文档。

3. 优缺点

优点：

强大的自动化 shading 功能（了解更多：http://xiezhenye.com/2012/12/mongodb-sharding-%E6%9C%BA%E5%88%B6%E5%88%86%E6%9E%90.html）；
全索引支持，查询非常高效；
面向文档（BSON）存储，数据模式简单而强大；
支持动态查询，查询指令也使用JSON形式的标记，可轻易查询文档中内嵌的对象及数组；
支持 java 表达式查询，可在服务器端执行任意的 java函数。

缺点：

单个文档大小限制为16M，32位系统上，不支持大于2.5G的数据；
对内存要求比较大，至少要保证热数据（索引，数据及系统其它开销）都能装进内存；
非事务机制，无法保证事件的原子性。

适用场景：

适用于实时的插入、更新与查询的需求，并具备应用程序实时数据存储所需的复制及高度伸缩性；
非常适合文档化格式的存储及查询；
高伸缩性的场景：MongoDB 非常适合由数十或者数百台服务器组成的数据库；
对性能的关注超过对功能的要求。

　　Couchbase

本文之所以没有介绍 CouchDB 或 Membase，是因为它们合并了。合并之后的公司基于 Membase 与 CouchDB 开发了一款新产品，新产品的名字叫做 Couchbase。

Couchbase 可以说是集合众家之长，目前应该是最先进的Cache系统，其开发语言是 C/C++。

Couchbase Server 是个面向文档的数据库（其所用的技术来自于Apache CouchDB项目），能够实现水平伸缩，并且对于数据的读写来说都能提供低延迟的访问（这要归功于Membase技术）。

1. 特点

1.1 数据格式

Couchbase 跟 MongoDB 一样都是面向文档的数据库，不过在往 Couchbase 插入数据前，需要先建立 bucket —— 可以把它理解为“库”或“表”。

因为 Couchbase 数据基于 Bucket 而导致缺乏表结构的逻辑，故如果需要查询数据，得先建立 view（跟RDBMS的视图不同，view是将数据转换为特定格式结构的数据形式如JSON）来执行。

Bucket的意义 —— 在于将数据进行分隔，比如：任何 view 就是基于一个 Bucket 的，仅对 Bucket 内的数据进行处理。一个server上可以有多个Bucket，每个Bucket的存储类型、内容占用、数据复制数量等，都需要分别指定。从这个意义上看，每个Bucket都相当于一个独立的实例。在集群状态下，我们需要对server进行集群设置，Bucket只侧重数据的保管。

每当views建立时，就会建立indexes， index的更新和以往的数据库索引更新区别很大。比如现在有1W数据，更新了200条，索引只需要更新200条，而不需要更新所有数据，map/reduce功能基于index的懒更新行为，大大得益。

要留意的是，对于所有文件，couchbase 都会建立一个额外的 56byte 的 metadata，这个 metadata 功能之一就是表明数据状态，是否活动在内存中。同时文件的 key 也作为标识符和 metadata 一起长期活动在内存中。

1.2 性能

couchbase 的精髓就在于依赖内存最大化降低硬盘I/O对吞吐量的负面影响，所以其读写速度非常快，可以达到亚毫秒级的响应。

couchbase在对数据进行增删时会先体现在内存中，而不会立刻体现在硬盘上，从内存的修改到硬盘的修改这一步骤是由 couchbase 自动完成，等待执行的硬盘操作会以write queue的形式排队等待执行，也正是通过这个方法，硬盘的I/O效率在 write queue 满之前是不会影响 couchbase 的吞吐效率的。

鉴于内存资源肯定远远少于硬盘资源，所以如果数据量小，那么全部数据都放在内存上自然是最优选择，这时候couchbase的效率也是异常高。

但是数据量大的时候过多的数据就会被放在硬盘之中。当然，最终所有数据都会写入硬盘，不过有些频繁使用的数据提前放在内存中自然会提高效率。

1.3 持久化

其前身之一 memcached 是完全不支持持久化的，而 Couchbase 添加了对异步持久化的支持：

Couchbase提供两种核心类型的buckets —— Couchbase 类型和 Memcached 类型。其中 Couchbase 类型提供了高可用和动态重配置的分布式数据存储，提供持久化存储和复制服务。

Couchbase bucket 具有持久性 —— 数据单元异步从内存写往磁盘，防范服务重启或较小的故障发生时数据丢失。持久性属性是在 bucket 级设置的。

1.4 CAP类型

Couchbase 群集所有点都是对等的，只是在创建群或者加入集群时需要指定一个主节点，一旦结点成功加入集群，所有的结点对等。

对等网的优点是，集群中的任何节点失效，集群对外提供服务完全不会中断，只是集群的容量受影响。

由于 couchbase 是对等网集群，所有的节点都可以同时对客户端提供服务，这就需要有方法把集群的节点信息暴露给客户端，couchbase 提供了一套机制，客户端可以获取所有节点的状态以及节点的变动，由客户端根据集群的当前状态计算 key 所在的位置。

就上述的介绍，Couchbase 明显属于 CP 类型。

2. Node下的使用

Couchbase 对 Node SDK 提供了官方文档：http://docs.couchbase.com/couchbase-sdk-node-1.2/index.html

实例：

3. 优缺点

优点：

高并发性，高灵活性，高拓展性，容错性好；
以 vBucket 的概念实现更理想化的自动分片以及动态扩容（了解更多：http://jolestar.com/couchbase/）；

缺点：

Couchbase 的存储方式为 Key/Value，但 Value 的类型很为单一，不支持数组。另外也不会自动创建doc id，需要为每一文档指定一个用于存储的 Document Indentifer；
各种组件拼接而成，都是c++实现，导致复杂度过高，遇到奇怪的性能问题排查比较困难，（中文）文档比较欠缺；
采用缓存全部key的策略，需要大量内存。节点宕机时 failover 过程有不可用时间，并且有部分数据丢失的可能，在高负载系统上有假死现象；
逐渐倾向于闭源，社区版本（免费，但不提供官方维护升级）和商业版本之间差距比较大。

适用场景：

适合对读写速度要求较高，但服务器负荷和内存花销可遇见的需求；
需要支持 memcached 协议的需求。

　　LevelDB

LevelDB 是由谷歌重量级工程师（Jeff Dean 和 Sanjay Ghemawat）开发的开源项目，它是能处理十亿级别规模 key-value 型数据持久性存储的程序库，开发语言是C++。

除了持久性存储，LevelDB 还有一个特点是 —— 写性能远高于读性能（当然读性能也不差）。

1. 特点

LevelDB 作为存储系统，数据记录的存储介质包括内存以及磁盘文件，当LevelDB运行了一段时间，此时我们给LevelDb进行透视拍照，那么您会看到如下一番景象：

　　（图1）

　　LevelDB 所写入的数据会先插入到内存的 Mem Table 中，再由 Mem Table 合并到只读且键值有序的 Disk Table（SSTable）中，再由后台线程不时的对 Disk Table 进行归并。

内存中存在两个 Mem Table —— 一个是可以往里面写数据的table A，另一个是正在合并到硬盘的 table B。

Mem Table 用 skiplist（http://blog.csdn.net/ict2014/article/details/17394259）实现，写数据时，先写日志（.log），再往A插入，因为一次写入操作只涉及一次磁盘顺序写和一次内存写入，所以这是为何说LevelDb写入速度极快的主要原因。如果当B还没完成合并，而A已经写满时，写操作必须等待。

DiskTable（SSTable，格式为.sst）是分层的（leveldb的名称起源），每一个大小不超过2M。最先 dump 到硬盘的 SSTable 的层级为0，层级为0的 SSTable 的键值范围可能有重叠。如果这样的 SSTable 太多，那么每次都需要从多个 SSTable 读取数据，所以LevelDB 会在适当的时候对 SSTable 进行 Compaction，使得新生成的 SSTable 的键值范围互不重叠。

进行对层级为 level 的 SSTable 做 Compaction 的时候，取出层级为 level+1 的且键值空间与之重叠的 Table，以顺序扫描的方式进行合并。level 为0的 SSTable 做 Compaction 有些特殊：会取出 level 0 所有重叠的Table与下一层做 Compaction，这样做保证了对于大于0的层级，每一层里 SSTable 的键值空间是互不重叠的。

SSTable 中的某个文件属于特定层级，而且其存储的记录是 key 有序的，那么必然有文件中的最小 key 和最大 key，这是非常重要的信息，LevelDB 应该记下这些信息 —— Manifest 就是干这个的，它记载了 SSTable 各个文件的管理信息，比如属于哪个Level，文件名称叫啥，最小 key 和最大 key 各自是多少。下图是 Manifest 所存储内容的示意：

图中只显示了两个文件（Manifest 会记载所有 SSTable 文件的这些信息），即 Level0 的 Test1.sst 和 Test2.sst 文件，同时记载了这些文件各自对应的 key 范围，比如 Test1.sstt 的 key 范围是“an”到 “banana”，而文件 Test2.sst 的 key 范围是“baby”到“samecity”，可以看出两者的 key 范围是有重叠的。

那么上方图1中的 Current 文件是干什么的呢？这个文件的内容只有一个信息，就是记载当前的 Manifest 文件名。因为在 LevleDB 的运行过程中，随着 Compaction 的进行，SSTable 文件会发生变化，会有新的文件产生，老的文件被废弃，Manifest 也会跟着反映这种变化，此时往往会新生成 Manifest 文件来记载这种变化，而 Current 则用来指出哪个 Manifest 文件才是我们关心的那个 Manifest 文件。

注意，鉴于 LevelDB 不属于分布式数据库，故CAP法则在此处不适用。

2. Node下的使用

Node 下可以使用 LevelUP（https://github.com/Level/levelup）来操作 LevelDB 数据库：