NoSQL系統(tǒng)一般都會宣傳一個特性，那就是性能好。為什么呢？關(guān)系型數(shù)據(jù)庫發(fā)展了這么多年，各種優(yōu)化工作已經(jīng)做得很深了，NoSQL系統(tǒng)一般都是吸收關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的技術(shù)，然后，到底是什么因素束縛了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的性能呢？我們從系統(tǒng)設(shè)計的角度看這個問題。 1. ?索

NoSQL系統(tǒng)一般都會宣傳一個特性，那就是性能好。為什么呢？關(guān)系型數(shù)據(jù)庫發(fā)展了這么多年，各種優(yōu)化工作已經(jīng)做得很深了，NoSQL系統(tǒng)一般都是吸收關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的技術(shù)，然后，到底是什么因素束縛了關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的性能呢？我們從系統(tǒng)設(shè)計的角度看這個問題。

1. ?索引支持。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫創(chuàng)立之初沒有想到今天的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對可擴展性提出如此高的要求。因此，設(shè)計時主要考慮的是簡化用戶的工作，SQL語言的產(chǎn)生促成數(shù)據(jù)庫接口的標準化，從而形成了Oracle這樣的數(shù)據(jù)庫公司并帶動了上下游產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫在單機存儲引擎支持索引，比如MySQL的InnoDB存儲引擎需要支持索引，而NoSQL系統(tǒng)的單機存儲引擎是純粹的，只需要支持基于主鍵的隨機讀取和范圍查詢。NoSQL系統(tǒng)在系統(tǒng)層面提供對索引的支持，比如有一個用戶表，主鍵為user_id，每個用戶有很多屬性，包括用戶名，照片ID(photo_id)，照片URL，在NoSQL系統(tǒng)中如果需要對photo_id建立索引，可以維護一張分布式表，表的主鍵為形成的二元組。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫由于需要在單機存儲引擎層面支持索引，大大降低了系統(tǒng)的可擴展性，使得單機存儲引擎的設(shè)計變得很復雜。

2. 事務(wù)并發(fā)處理。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有一整套的關(guān)于事務(wù)并發(fā)處理的理論，比如鎖的粒度是表級，頁級還是行級，多版本并發(fā)控制機制MVCC，事務(wù)的隔離級別，死鎖檢測，回滾，等等。然而，互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用大多數(shù)的特點都是多讀少寫，比如讀和寫的比例是10 : 1，并且很少有復雜事務(wù)需求，因此，一般可以采用更為簡單的copy-on-write技術(shù)：單線程寫，多線程讀，寫的時候執(zhí)行copy-on-write，寫不影響讀服務(wù)。NoSQL系統(tǒng)這樣的假設(shè)簡化了系統(tǒng)的設(shè)計，減少了很多操作的overhead，提高了性能。

3. 動態(tài)還是靜態(tài)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的存儲引擎總是一顆磁盤B+樹，為了提高性能，可能需要有insert buffer聚合寫，query cache緩存讀，經(jīng)常需要實現(xiàn)類似Linux page cache的緩存管理機制。數(shù)據(jù)庫中的讀和寫是互相影響的，寫操作也因為時不時需要將數(shù)據(jù)flush到磁盤而性能不高。簡而言之，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲引擎的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通用的動態(tài)更新的B+樹，然而，在NOSQL系統(tǒng)中，比如Bigtable中采用SSTable + MemTable的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)先寫入到內(nèi)存的MemTable，達到一定大小或者超過一定時間才會dump到磁盤生成SSTable文件，SSTable是只讀的。如果說關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲引擎的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是一顆動態(tài)的B+樹，那么SSTable就是一個排好序的有序數(shù)組。很明顯，實現(xiàn)一個有序數(shù)據(jù)比實現(xiàn)一個動態(tài)B+樹且包含復雜的并發(fā)控制機制要簡單高效地多。

4 . Join操作。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫需要在存儲引擎層面支持Join，而NoSQL系統(tǒng)一般根據(jù)應(yīng)用來決定Join實現(xiàn)的方式。舉個例子，有兩張表：用戶表和商品表，每個用戶下可能有若干個商品，用戶表的主鍵為，用戶和商品的關(guān)聯(lián)屬性存放在用戶表中，商品表的主鍵為item_id，商品屬性包括商品名，商品URL，等等。假設(shè)應(yīng)用需要查詢一個用戶的所有商品并顯示商品的詳細信息，普通的做法是先從用戶表查找指定用戶的所有item_id，然后對每個item_id去商品表查詢詳細信息，即執(zhí)行一次數(shù)據(jù)庫Join操作，這必然帶來了很多的磁盤隨機讀，并且由于Join帶來的隨機讀的局部性不好，緩存的效果往往也是有限的。在NoSQL系統(tǒng)中，我們往往可以將用戶表和商品表集成到一張寬表中，這樣雖然冗余存儲了商品的詳細信息，卻換來了查詢的高效。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的性能瓶頸往往不在SQL語句解析上，而是在于需要支持完備的SQL特性。互聯(lián)網(wǎng)公司面臨的問題是應(yīng)用對性能和可擴展性要求很高，并且DBA和開發(fā)工程師水平比較高，可以通過犧牲一些接口友好性來換取更好的性能。NoSQL系統(tǒng)的一些設(shè)計，比如通過寬表實現(xiàn)Join操作，互聯(lián)網(wǎng)公司的DBA和開發(fā)工程師也做過，NOSQL系統(tǒng)只是加強了這種約束。從長遠來看，可以總結(jié)一套約束集合，并且定義一個SQL子集，只需要支持這個SQL子集就可以在不犧牲可擴展性的前提下支持比如90%以上的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。我想，NoSQL技術(shù)發(fā)展到這一步的時候就算是比較成熟了，這也是我們最終想做的事情。我們在設(shè)計和使用NoSQL系統(tǒng)的時候也可以適當轉(zhuǎn)化一下思維，如下：

1. 更大的數(shù)據(jù)量。很多人在使用MySQL的過程遇到記錄條數(shù)超過一定值，比如2000W的時候，數(shù)據(jù)庫性能開始下降，這個值的得出往往需要經(jīng)過大量的測試。然而，大多數(shù)的NoSQL系統(tǒng)可擴展性都比較好，能夠支持更大的數(shù)據(jù)量，因此也可以采用一些空間換時間的做法，比如通過寬表的方式實現(xiàn)Join。

2. 性能預估更加容易。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫由于復雜的并發(fā)控制，insert buffer及類似page cache的讀寫優(yōu)化機制，性能估算相對較難，很多時候需要憑借經(jīng)驗或者經(jīng)過測試才能得出系統(tǒng)的性能。然后，NOSQL系統(tǒng)由于存儲引擎實現(xiàn)，并發(fā)控制機制等相對簡單，可以通過硬件的性能指標在系統(tǒng)設(shè)計之處大致預估系統(tǒng)的性能，性能預估可操作性相對更強。

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