非關系型數(shù)據(jù)庫與關系型數(shù)據(jù)庫技術綜述

陳娟 李煒

（1.咸陽師范學院 陜西省咸陽市 712000 2.西藏民族大學 陜西省咸陽市 712082）

1 序言

在當代生活和工作中，隨時會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息需要管理，數(shù)據(jù)庫是最方便、有效的管理工具，目前，數(shù)據(jù)庫分為關系型與非關系型兩種，關系型數(shù)據(jù)庫的歷史由來已久且應用范圍更為廣泛，它是采用關系模型來組織數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。非關系型數(shù)據(jù)庫是非關系型、分布式、不提供ACID(數(shù)據(jù)庫事務處理的四個基本要素)的數(shù)據(jù)庫設計模式。

使用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，根據(jù)不同的工作項目設計并建立相應的分散獨立的應用數(shù)據(jù)庫，隨心所欲。當項目需要擴展時，數(shù)據(jù)庫也會隨之變化，但如果事先沒有進行規(guī)劃，大量數(shù)據(jù)無法正常存儲和操作使用，數(shù)據(jù)庫不易擴展和維護，項目將無法正常進行。關系型數(shù)據(jù)庫是一種建立在數(shù)據(jù)關聯(lián)性基礎上的數(shù)據(jù)庫，但是數(shù)據(jù)量巨大時，查找數(shù)據(jù)會產(chǎn)生額外的操作，會花費更多的時間，無法提高效率，所以使用關系型數(shù)據(jù)庫就會變得不再那么高效。

在互聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展壯大的年代，非關系型數(shù)據(jù)庫成為了一個極其熱門的新的領域并且發(fā)展的十分迅速。特別是在一些超大規(guī)模和高并發(fā)的社交型的網(wǎng)站中，關系型數(shù)據(jù)庫暴露出了很多難以克服的問題，比如對數(shù)據(jù)庫高并發(fā)讀寫的需求、高效率存儲訪問的需求、高擴展性及可用性的需求。除此之外，關系型數(shù)據(jù)庫的事務一致性、讀寫實時性、多表關聯(lián)查詢這些功能由于在此類型的網(wǎng)站的要求不高從而導致其無法發(fā)揮它應有的功能，為了解決這類問題，非關系數(shù)據(jù)庫應運而生，它的種類較多且大部分都開源，因此非關系型數(shù)據(jù)庫越來越受歡迎。但由于非關系型數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)時間并不長且本身就具有多樣性，除了它們的一些共性之外，大部分都是針對不同的問題而采用不同的類型的非關系型數(shù)據(jù)庫。

2 數(shù)據(jù)庫概述

隨著信息技術的發(fā)展，最早人工管理數(shù)據(jù)的方式已經(jīng)不能適應大量數(shù)據(jù)的管理需求，此時數(shù)據(jù)庫技術逐步發(fā)展起來。數(shù)據(jù)庫（Database）是按照某種數(shù)據(jù)結構來組織大量數(shù)據(jù)信息，并對它們進行存儲和管理的倉庫，簡單來說，我們可以把數(shù)據(jù)庫看成是一個電子化的“文件柜”用來存儲大量的電子文件，用戶可以從“文件柜”中找到相應文件并對其中的數(shù)據(jù)進行增、刪、改、查等操作。在各單位日常管理中常常需要這樣的“文件柜”，例如，對某校學生的管理，可以把學生的學號、姓名、年齡、性別、籍貫、系別、聯(lián)系方式等信息存放在“文件柜”中，可以看成是一個數(shù)據(jù)庫，在這個數(shù)據(jù)庫中我們就可以根據(jù)需要隨時查詢學生的基本信息。因此，通過計算機對數(shù)據(jù)進行管理能夠大大提高辦公的效率。數(shù)據(jù)庫技術具有以下特點：

（1）數(shù)據(jù)共享。多個用戶可以同時存取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，也可以通過各種接口使用數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，避免了用戶存儲大量重復數(shù)據(jù)，減少了數(shù)據(jù)冗余，避免造成數(shù)據(jù)之間的不相容性和不一致性。

（2）數(shù)據(jù)的獨立性。數(shù)據(jù)獨立性包括數(shù)據(jù)的物理獨立性和邏輯獨立性。物理獨立性是指數(shù)據(jù)物理結構的變化不影響數(shù)據(jù)的邏輯結構；邏輯獨立性是指用戶的應用程序與數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)相互獨立，應用程序修改不會影響數(shù)據(jù)的使用。

（3）數(shù)據(jù)實現(xiàn)集中控制。區(qū)別于傳統(tǒng)文件管理方式中的數(shù)據(jù)分散狀態(tài)，數(shù)據(jù)庫技術可對數(shù)據(jù)進行集中控制和管理，并使用數(shù)據(jù)模型來表示各數(shù)據(jù)之間的關系。

（4）數(shù)據(jù)一致性和可維護性。通過數(shù)據(jù)的安全性控制、完整性控制和并發(fā)控制可以防止數(shù)據(jù)丟失、錯誤更新、保證數(shù)據(jù)的正確性和有效性，使得在同一時間周期內，允許對數(shù)據(jù)實現(xiàn)多路存取，又能防止用戶之間的不正常交互從而確保了數(shù)據(jù)的一致性和可維護性。

（5）故障恢復。數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過相應機制可及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)物理上或邏輯上的故障，從而盡快恢復數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)運行，防止數(shù)據(jù)被破壞。

目前數(shù)據(jù)庫技術分為關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫。

2.1 關系型數(shù)據(jù)庫

關系型數(shù)據(jù)庫是依據(jù)關系數(shù)據(jù)模型（二維表）來創(chuàng)建的數(shù)據(jù)庫，關系模型使用二維表格來存放所有的數(shù)據(jù)，二維表也稱為關系，它是一系列二維數(shù)組的集合，用來代表與存儲數(shù)據(jù)對象之間的關系，由行和列組成。二維表之間具有“一對一、一對多、多對多”等關聯(lián),所以，一個關系型數(shù)據(jù)庫就是由二維表及表之間的關聯(lián)組成的一個數(shù)據(jù)結構。

SQL(Structured Query Language)是結構化查詢語言的英文簡稱，它是建立數(shù)據(jù)庫、修改、查詢數(shù)據(jù)等的程序設計語言，同時也是數(shù)據(jù)庫腳本文件的擴展名。SQL 集數(shù)據(jù)查詢語言、數(shù)據(jù)操縱語言、數(shù)據(jù)定義語言和數(shù)據(jù)控制語言于一體，風格統(tǒng)一，可以完成數(shù)據(jù)庫中的全部操作，包括定義關系模型、錄入數(shù)據(jù)、建立數(shù)據(jù)庫、查詢、修改、刪除數(shù)據(jù)庫及數(shù)據(jù)等，它為數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)提供了良好的基礎。在使用SQL 語言進行數(shù)據(jù)操作時，用戶只需要告訴計算機“做什么”，而不需要說明“怎么做”，其操作過程會由系統(tǒng)自動控制。這種模式減輕了用戶的負擔，有利于提高數(shù)據(jù)獨立性。關系型數(shù)據(jù)庫中普遍使用了標準數(shù)據(jù)查詢語言SQL，可以對關系數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)進行查詢、操縱、定義和控制，是一個通用的且簡單易懂的數(shù)據(jù)庫管理語言。

關系型數(shù)據(jù)庫經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其理論基礎和相關技術、產(chǎn)品都非常豐富完善，是數(shù)據(jù)庫領域中的主流產(chǎn)品，且有著原子性、一致性、持久性、隔離性這四種特性（數(shù)據(jù)庫事務的ACID 特性），此外關系型數(shù)據(jù)庫還需要提供事務的恢復、回滾、并發(fā)控制、死鎖解決等問題。關系型數(shù)據(jù)庫便于使用且易于理解與維護，還具有很強的安全性、事務保證性，所以被廣泛使用。但是隨著各類互聯(lián)網(wǎng)的興起，在生活中各類數(shù)據(jù)信息都會被我們在線使用或分享，關系型數(shù)據(jù)庫因為它本身的結構特點而難以實現(xiàn)高效的易擴展的架構，這時非關系型數(shù)據(jù)庫相對于關系型就會有更大的用處。

2.2 非關系型數(shù)據(jù)庫

非關系型數(shù)據(jù)庫，也可稱之為NoSQL（Not Only SQL），意思是不僅僅是結構化查詢語言SQL( Structured QueryLanguage)。NoSQL 不同于關系型數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)庫管理方式，它所采用的數(shù)據(jù)模型并非關系型數(shù)據(jù)庫的關系模型，而是采用鍵值、列式、文檔等的非關系模型。它不支持關系型數(shù)據(jù)庫事務的ACID 特性。它們是建立在非傳統(tǒng)關系數(shù)據(jù)模型之上，它們的存在是為了滿足更多的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，并且一般它們均為開源免費的，因此使用起來更加的簡單方便。它主要的優(yōu)勢有兩個：

（1）擁有橫、縱雙向的擴展能力：關系型數(shù)據(jù)庫由于其自身結構特性問題必須布置在多個服務器上，但NoSQL 則可以布置在一個服務器上。

（2）結構自由：在非關系型數(shù)據(jù)庫中一般保存的是鍵值對。這兩點優(yōu)勢可以讓NoSQL 更好的融入云計算環(huán)境，構建更好的云服務。

3 關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫的對比

關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫在使用場景上差別比較大，所以必須要在適合他們的領域應用，才能發(fā)揮出這兩類數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢。

關系型數(shù)據(jù)庫具有以下優(yōu)點：

（1）因為關系型數(shù)據(jù)庫采用的是二維表，它更加的符合邏輯世界，所以相對于表的結構更容易理解；

（2）它們是通用的SQL 語言，可以在一個表以及多個表之間做非常復雜的數(shù)據(jù)查詢，所以學習操作更加輕松方便；

（3）它的完整性及事務一致性讓它更容易維護。

關系型數(shù)據(jù)庫的缺點：

（1）因為要維護它的一致性，所以它的讀寫性會較差；

（2）結構固定；

（3）海量數(shù)據(jù)的讀寫效率不高。

非關系型數(shù)據(jù)庫具有以下優(yōu)點：

（1）讀寫性很高；

（2）基于key-value 鍵值對，可以想象成表中的主鍵和值的對應關系，而且不需要經(jīng)過SQL 層的解析，所以性能較好，易于擴展；

（3）格式靈活，數(shù)據(jù)類型多種多樣，可以是鍵對值，甚至是文檔、圖片，應用場景廣泛，但是關系型數(shù)據(jù)庫只支持原有的數(shù)據(jù)類型。

非關系型數(shù)據(jù)庫的缺點：

（1）不提供SQL 支持，學習成本高；

（2）沒有事務處理。

目前，關系型數(shù)據(jù)庫應用廣泛且擁有許多成功案列，但隨著社會的發(fā)展，人們對于數(shù)據(jù)的快速處理、響應及大數(shù)據(jù)分析有著越來越高的要求，并且對數(shù)據(jù)的高擴展性的需求也不斷提高。關系型數(shù)據(jù)庫已不能滿足這些要求，這時候就需要非關系型數(shù)據(jù)庫。由于數(shù)據(jù)結構設置的方式不同，關系型數(shù)據(jù)庫呈現(xiàn)的是一種數(shù)據(jù)規(guī)范化之后的結果，而非關系型數(shù)據(jù)庫展現(xiàn)的則是一種數(shù)據(jù)結構化存儲方法的集合，對應不同的使用場景，可以選擇不同的數(shù)據(jù)庫。

4 非關系型數(shù)據(jù)庫分類及應用場景

非關系型數(shù)據(jù)庫嚴格上不是一種數(shù)據(jù)庫，它是一種數(shù)據(jù)結構化存儲方法的集合，主要有以下幾類：

4.1 基于列式的存儲（column-family stores）

基于列式的存儲以流的方式在列中存儲所有的數(shù)據(jù)。對于任何記錄，索引都可以快速地獲取列上的數(shù)據(jù)；列式存儲支持行檢索，但這需要從每個列獲取匹配的列值，并重新組成行。這種方式使系統(tǒng)具有更高的可擴展性，使得操作更加簡單方便?；诹惺降拇鎯Ψ绞结槍Ａ康臄?shù)據(jù)有很好的適應性，這個特點與云計算所需的相關需求是相符合的。目前使用基于列式的數(shù)據(jù)庫有Apache HBase，Hypertable 以及Google BigTable。

4.2 鍵值對存儲（key-value stores）

鍵值對存儲方式是非關系數(shù)據(jù)庫中最簡單的一種存儲方式，它是一個鍵-值的集合，好像數(shù)據(jù)結構中的Hash 表一樣，每個鍵分別對應一個值，鍵值中所存儲的數(shù)據(jù)的類型是不受限制的，可以是一個字符串，也可以是一個數(shù)字，甚至也可以是一系列的鍵值對封裝成的對象等。通過對主鍵的操作能夠大大提高查詢和修改的速度，大量數(shù)據(jù)存放也較為方便。在現(xiàn)實場景中，對大量數(shù)據(jù)的高訪問負載或日志系統(tǒng)中都應用到了鍵值對存儲方式。使用鍵值對存儲數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫有MemcacheDB、BerkeleyDB、Redis 等。

4.3 文檔存儲（document stores）

文檔存儲方式是基于鍵值對存儲方式的，也是每個Key 分別對應一個Value，但是這類方式更加復雜。設計文檔存儲方式的最初的目的就是用于存儲日常文檔的，它將一個特定文檔的結構使用一種特定的模式來存儲，便于進行復雜的查詢和計算。對于網(wǎng)站中大量數(shù)據(jù)、緩存以及JSON(JavaScriptObjectNotations) 數(shù)據(jù)的存儲使用較多。典型代表為MongoDB、CouchDB 等，這類數(shù)據(jù)庫可在海量的數(shù)據(jù)中快速查詢數(shù)據(jù)。

4.4 圖數(shù)據(jù)庫（graph databases）

圖數(shù)據(jù)庫所要解決的問題與圖和圖論相關。圖數(shù)據(jù)庫，例如Neo4j，其目的是為用戶提供一種更好的方法用于管理結構復雜、呈網(wǎng)狀分布的數(shù)據(jù)。當然，基于圖模型實現(xiàn)的解決方案并不僅有Neo4j 圖形數(shù)據(jù)庫，有的產(chǎn)品成熟度不同，有的開源或閉源，例如AllegroGraph、FlockDB、InfiniteGraph 和OrientDB 等。在社交網(wǎng)絡、推薦系統(tǒng)等環(huán)境中會使用到圖數(shù)據(jù)庫。

5 結論

隨著網(wǎng)絡不斷發(fā)展，需要處理的數(shù)據(jù)規(guī)模越來越大、越來越復雜，傳統(tǒng)的關系型數(shù)據(jù)庫已無法應對更加復雜的模型，非關系數(shù)據(jù)庫憑借其易擴展、高性能和靈活的數(shù)據(jù)模型得到了非常迅速的發(fā)展。非關系數(shù)據(jù)庫的優(yōu)勢相當明顯，但同時也存在一些問題，非關系數(shù)據(jù)庫不支持結構化查詢語言SQL，這無疑會增大學習和使用成本；非關系數(shù)據(jù)庫無事務處理，這就決定了數(shù)據(jù)的一致性、完整性很難保存。由于所使用的場景不同，關系型數(shù)據(jù)庫與非關系型數(shù)據(jù)庫并非對立的關系，而應優(yōu)勢互補，共同作用。通常情況可使用關系型數(shù)據(jù)庫，在某些關系數(shù)據(jù)庫無法處理數(shù)據(jù)時可使用非關系數(shù)據(jù)庫，讓非關系數(shù)據(jù)庫作為對關系型數(shù)據(jù)庫補充。