在開發(fā)一個應(yīng)用程序時，不可避免要選擇使用SQL還是NoSQL數(shù)據(jù)庫來存儲數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，即使用SQL(結(jié)構(gòu)化查詢語言)進行查詢的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，是經(jīng)過幾十年來技術(shù)發(fā)展、良好實踐和現(xiàn)實世界壓力測試的產(chǎn)物。它們是為可靠的事務(wù)和臨時查詢而設(shè)計的，是業(yè)務(wù)線應(yīng)用的主力軍。但它們也有一些限制，如嚴格的模式，使它們不太適合于其他類型的應(yīng)用。

NoSQL數(shù)據(jù)庫是針對這些限制而產(chǎn)生的。NoSQL系統(tǒng)存儲和管理數(shù)據(jù)的方式，允許高操作速度，并讓開發(fā)人員有巨大靈活性。許多數(shù)據(jù)庫是由谷歌、亞馬遜、雅虎和Facebook等公司開發(fā)的，它們尋求更好的方式來存儲內(nèi)容或處理大型網(wǎng)站的數(shù)據(jù)。與SQL數(shù)據(jù)庫不同，許多NoSQL數(shù)據(jù)庫可以在數(shù)百或數(shù)千臺服務(wù)器上進行橫向擴展。

不過，NoSQL的優(yōu)勢并不是沒有代價的。NoSQL系統(tǒng)傾向于速度和可擴展性，而不是SQL數(shù)據(jù)庫所承諾的可靠事務(wù)背后的ACID屬性。與圍繞SQL建立的數(shù)十年的機構(gòu)知識相比，在NoSQL系統(tǒng)中用于處理數(shù)據(jù)的隱喻也是相對較新的。

SQL和NoSQL數(shù)據(jù)庫提供了不同的權(quán)衡。雖然它們在特定項目的背景下可能會有競爭，例如，為不同應(yīng)用會面臨二選一的情況，但它們在更大范圍內(nèi)是互補的，每一種都適合于不同的使用情況。是選擇SQL還是NoSQL并不是絕對的，要根據(jù)場景需求選合適的。

NoSQL與SQL

SQL和NoSQL之間的根本區(qū)別并不那么復雜。對于如何存儲和檢索數(shù)據(jù)，兩者都有不同的理念。

對于SQL數(shù)據(jù)庫，所有數(shù)據(jù)都有一個固有的結(jié)構(gòu)。像Microsoft SQL Server、MySQL、PostgreSQL或Oracle數(shù)據(jù)庫這樣的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫使用一個模式--對插入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)如何組成的正式定義。例如，一個表中的某一列可能被限制為只能是整數(shù)。因此，記錄在該列中的數(shù)據(jù)將有很高的規(guī)范化程度。SQL數(shù)據(jù)庫的嚴格模式也使得對數(shù)據(jù)進行聚合變得相對容易，例如，使用SQL JOIN命令將兩個表的數(shù)據(jù)合并。

在NoSQL中，數(shù)據(jù)可以以無模式或自由的方式存儲。任何數(shù)據(jù)都可以存儲在任何記錄中。在NoSQL數(shù)據(jù)庫中，你會發(fā)現(xiàn)四種常見的數(shù)據(jù)存儲模式，這導致了四種常見的NoSQL系統(tǒng)類型。

• 文檔數(shù)據(jù)庫(如MongoDB)。插入的數(shù)據(jù)以無模式的JSON結(jié)構(gòu)或“文檔”的形式存儲，其中的數(shù)據(jù)可以是任何東西，從整數(shù)到字符串再到自由格式的文本。沒有必要指定JSON文檔將包含哪些字段(如果有的話)。
• 鍵值存儲(如Redis)。自由格式的值，從簡單的整數(shù)或字符串到復雜的JSON文檔，都可以通過鍵(比如字符串)在數(shù)據(jù)庫中訪問。
• 寬列存儲(如 Cassandra)。數(shù)據(jù)被存儲在列中，而不是像傳統(tǒng)SQL系統(tǒng)存儲在行。任何數(shù)量的列(以及許多不同類型的數(shù)據(jù))都可以根據(jù)查詢或數(shù)據(jù)視圖的需要進行分組或聚合。
• 圖數(shù)據(jù)庫(如Neo4j)。數(shù)據(jù)被表示為實體及其關(guān)系的網(wǎng)絡(luò)或圖形，其中圖中的每個節(jié)點是一個自由形式的數(shù)據(jù)塊。

無模式的數(shù)據(jù)存儲在以下情況下是有用的。

• 你想快速訪問數(shù)據(jù)，你更關(guān)心訪問的速度和簡單性，而不是可靠的事務(wù)或一致性。
• 你正在存儲大量的數(shù)據(jù)，你不想把自己鎖定在一個模式中，因為以后改變模式可能是緩慢和痛苦的。
• 你正在從一個或多個來源接收非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，你想保持數(shù)據(jù)的原始格式以獲得最大的靈活性。
• 你想把數(shù)據(jù)存儲在一個分層結(jié)構(gòu)中，但你希望這些分層結(jié)構(gòu)由數(shù)據(jù)本身來描述，而不是外部模式。NoSQL允許數(shù)據(jù)隨意地自我引用，該方式對于SQL數(shù)據(jù)庫來說更為復雜，難以模仿。

查詢NoSQL數(shù)據(jù)庫

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫使用的結(jié)構(gòu)化查詢語言提供了一種統(tǒng)一的方式，在存儲和檢索數(shù)據(jù)時與服務(wù)器通信。SQL語法是高度標準化的，所以盡管各個數(shù)據(jù)庫可能會以不同的方式處理某些操作(例如，窗口函數(shù))，但基本原理仍然是相同的。

相比之下，每個NoSQL數(shù)據(jù)庫往往都有自己的語法來查詢和管理數(shù)據(jù)。例如，CouchDB使用JSON形式的請求，通過HTTP發(fā)送，以創(chuàng)建或檢索其數(shù)據(jù)庫中的文檔。MongoDB通過二進制協(xié)議，以命令行接口或語言庫的方式發(fā)送JSON對象。

一些NoSQL產(chǎn)品可以使用類似SQL的語法來處理數(shù)據(jù)，但只是在有限的范圍內(nèi)。例如，Apache Cassandra，一個廣泛的列存儲，有自己的類似SQL的語言，Cassandra查詢語言(CQL)。CQL的一些語法是直接來自于SQL的手冊，比如SELECT或INSERT關(guān)鍵字。但在Cassandra中沒有執(zhí)行JOIN或子查詢的本地方法，因此相關(guān)的關(guān)鍵字在CQL中并不存在。

無共享shared-nothing架構(gòu)

NoSQL系統(tǒng)常見的一個設(shè)計選擇是“shared-nothing”架構(gòu)。在一個無共享的設(shè)計中，集群中的每個服務(wù)器節(jié)點都獨立于其他節(jié)點運行。系統(tǒng)不需要從其他節(jié)點獲得共識來返回數(shù)據(jù)給客戶端。查詢速度很快，因為它們可以從最近的或最方便的節(jié)點返回。

無共享系統(tǒng)的另一個優(yōu)點是彈性和向外擴展。向外擴展集群非常容易，只需旋轉(zhuǎn)集群中的新節(jié)點并等待它們與其他節(jié)點同步即可。如果一個NoSQL節(jié)點宕機，集群中的其他服務(wù)器將繼續(xù)運行。即使服務(wù)請求的節(jié)點減少，所有數(shù)據(jù)仍然可用。

請注意，無共享的設(shè)計并不是NoSQL數(shù)據(jù)庫所獨有的。許多傳統(tǒng)的SQL系統(tǒng)可以以無共享的方式設(shè)置，如MySQL，盡管這通常涉及到犧牲整個集群的一致性以獲得性能。

NoSQL的局限性

如果NoSQL提供了如此多的自由和靈活性，為什么不完全放棄SQL?答案很簡單，許多應(yīng)用仍然需要SQL數(shù)據(jù)庫所提供的各種約束、一致性和保障措施。在這些情況下，NoSQL的一些“優(yōu)勢”可能會變成劣勢。其他的限制來自于NoSQL系統(tǒng)缺乏某些在SQL領(lǐng)域中本應(yīng)有的功能。

(1) 無模式(No schema)

即使你接收的是自由格式的數(shù)據(jù)，你也幾乎總是需要對數(shù)據(jù)施加約束，以使其有用。對于NoSQL，施加約束涉及到將責任從數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)移到應(yīng)用開發(fā)者身上。例如，開發(fā)者可以通過一個對象關(guān)系映射系統(tǒng)(或稱ORM)強加結(jié)構(gòu)。但如果你想讓模式與數(shù)據(jù)本身共存，NoSQL通常不支持這種做法。

一些NoSQL解決方案為數(shù)據(jù)提供了可選的數(shù)據(jù)類型和驗證機制。例如，Apache Cassandra有一系列的本地數(shù)據(jù)類型，讓人想起傳統(tǒng)SQL中的那些數(shù)據(jù)類型。

(2) 最終一致性

NoSQL系統(tǒng)提供了強一致性或即時一致性的選擇，以獲得更好的可用性和性能。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫確保操作是原子的(事務(wù)的所有部分都成功，或者沒有一個成功)、一致的(所有用戶都有相同的數(shù)據(jù)視圖)、隔離的(事務(wù)不競爭)和持久的(一旦完成，它們將不受服務(wù)器故障的影響)。

這四個屬性，統(tǒng)稱為ACID，在NoSQL系統(tǒng)中可以用不同的方式處理。你可以選擇最終一致性，而不是要求整個集群的強一致性，這必然會延遲對請求的響應(yīng)，允許服務(wù)請求，而無需等待最新的寫入復制到集群的其它節(jié)點。插入集群的數(shù)據(jù)最終在各處都是可用的，但不能保證任何時候可用。

對于一些NoSQL系統(tǒng)，你可以在一致性和速度之間選擇一個折中方案，不同的產(chǎn)品有不同的方案。例如，微軟的Azure Cosmos DB可以讓你選擇每個請求的一致性級別，所以你可以選擇適合你的。事務(wù)語義，在SQL系統(tǒng)中保證事務(wù)中的所有步驟(例如執(zhí)行銷售和減少庫存)要么完成，要么回滾，在一些NoSQL系統(tǒng)中也有，例如MongoDB。

(3) NoSQL的鎖定

大多數(shù)NoSQL系統(tǒng)在概念上是相似的，但實現(xiàn)方式不同。每個系統(tǒng)都有自己的隱喻和機制，用于數(shù)據(jù)的查詢和管理。

這樣做的一個副作用是應(yīng)用邏輯和數(shù)據(jù)庫之間可能存在高度的耦合。如果你選擇一個NoSQL系統(tǒng)并堅持使用它，這種耦合性并沒有什么壞處，但如果你在未來更換系統(tǒng)，它就會成為一個絆腳石。

如果你從MongoDB遷移到CouchDB(或者相反)，你需要做的不僅僅是遷移數(shù)據(jù)。還必須駕馭數(shù)據(jù)訪問和編程隱喻之間的差異。換句話說，你必須重寫應(yīng)用程序中訪問數(shù)據(jù)庫的部分。

(4) NoSQL技能

NoSQL的另一個缺點是相對缺乏專業(yè)知識。傳統(tǒng)SQL人才的市場相當大，而NoSQL技能的市場卻剛剛起步。

作為參考，Indeed.com報告稱，截至2022年，傳統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫(MySQL、微軟SQL Server、Oracle數(shù)據(jù)庫等)的職位數(shù)量仍然高于MongoDB、Couchbase和Cassandra的職位數(shù)量。對NoSQL專業(yè)知識的需求仍然只是SQL技能市場的一小部分。

合并SQL和NoSQL

未來，隨著時間的推移，SQL和NoSQL系統(tǒng)之間的一些差異會消失?，F(xiàn)在已經(jīng)有許多SQL數(shù)據(jù)庫接受JSON文檔作為原生數(shù)據(jù)類型，并可以對該數(shù)據(jù)進行查詢。一些數(shù)據(jù)庫甚至有對JSON數(shù)據(jù)施加約束的本地方法，因此其處理方式與傳統(tǒng)的行和列數(shù)據(jù)一樣嚴格。

另一方面，NoSQL數(shù)據(jù)庫不僅增加了類似SQL的查詢語言，還增加了傳統(tǒng)SQL數(shù)據(jù)庫的其他功能，比如MongoDB的ACID屬性。

一個可能的路徑是，未來幾代數(shù)據(jù)庫以及當前數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的未來版本將跨越這些范式，同時提供SQL和NoSQL功能，有助于使數(shù)據(jù)庫世界不再支離破碎。例如，微軟的Azure Cosmos DB在底層使用了一套基元，可以互換地再現(xiàn)兩種系統(tǒng)的行為。谷歌云Spanner將SQL的強一致性與NoSQL系統(tǒng)的水平可擴展性相結(jié)合。

不過，純SQL和純NoSQL系統(tǒng)仍將在未來很多年占有一席之地。在設(shè)計靈活性、水平擴展性和高可用性比強讀一致性和其他SQL數(shù)據(jù)庫常見的保障措施更重要的情況下，可以考慮使用NoSQL。對于許多應(yīng)用來說，這些保障措施很可能值得用來交換NoSQL所提供的東西。

對于許多應(yīng)用程序來說，以NoSQL的特有優(yōu)勢來那些換保障措施是值得。