mysql-05-Redis与MongoDB
Redis 与 MongoDB
一、NoSQL概述
如今，大多数的计算机系统（包括服务器、PC、移动设备等）都会产生庞大的数据量。其实，早在2012年的时候，全世界每天产生的数据量就达到了2.5EB（艾字节）。这些数据有很大一部分是由关系型数据库来存储和管理的。实践证明，关系型数据库是实现数据持久化最为重要的方式，它也是大多数应用在选择持久化方案时的首选技术。
NoSQL 是一项全新的数据库革命性运动，虽然它的历史可以追溯到1998年，但是NoSQL真正深入人心并得到广泛的应用是在进入大数据时候以后，业界普遍认为NoSQL是更适合大数据存储的技术方案，这才使得NoSQL的发展达到了前所未有的高度。2012年《纽约时报》的一篇专栏中写到，大数据时代已经降临，在商业、经济及其他领域中，决策将不再基于经验和直觉而是基于数据和分析而作出。事实上，在天文学、气象学、基因组学、生物学、社会学、互联网搜索引擎、金融、医疗、社交网络、电子商务等诸多领域，由于数据过于密集和庞大，在数据的分析和处理上也遇到了前所未有的限制和阻碍，这一切都使得对大数据处理技术的研究被提升到了新的高度，也使得各种NoSQL的技术方案进入到了公众的视野。
NoSQL数据库按照其存储类型可以大致分为以下几类：
| 类型 | 部分代表 | 特点 |
|---|---|---|
| 列族数据库 |
HBase Cassandra Hypertable |
顾名思义是按列存储数据的。最大的特点是方便存储结构化和半结构化数据，方便做数据压缩，对针对某一列或者某几列的查询有非常大的I/O优势，适合于批量数据处理和即时查询。 |
| 文档数据库 |
MongoDB CouchDB ElasticSearch |
文档数据库一般用类JSON格式存储数据，存储的内容是文档型的。这样也就有机会对某些字段建立索引，实现关系数据库的某些功能，但不提供对参照完整性和分布事务的支持。 |
| KV数据库 |
DynamoDB Redis LevelDB |
可以通过key快速查询到其value，有基于内存和基于磁盘两种实现方案。 |
| 图数据库 |
Neo4J FlockDB JanusGraph |
使用图结构进行语义查询的数据库，它使用节点、边和属性来表示和存储数据。图数据库从设计上，就可以简单快速的检索难以在关系系统中建模的复杂层次结构。 |
| 对象数据库 |
db4o Versant |
通过类似面向对象语言的语法操作数据库，通过对象的方式存取数据。 |
想了解更多的NoSQL数据库，可以访问NoSQL Databases List by Hosting Data - Updated 2022。
二、Redis 入门
Redis 是一种基于键值对的NoSQL数据库，它提供了对多种数据类型（字符串、哈希、列表、集合、有序集合、位图等）的支持，能够满足很多应用场景的需求。Redis将数据放在内存中，因此读写性能是非常惊人的。与此同时，Redis也提供了持久化机制，能够将内存中的数据保存到硬盘上，在发生意外状况时数据也不会丢掉。此外，Redis还支持键过期、地理信息运算、发布订阅、事务、管道、Lua脚本扩展等功能，总而言之，Redis的功能和性能都非常强大，如果项目中要实现高速缓存和消息队列这样的服务，直接交给Redis就可以了。目前，国内外很多著名的企业和商业项目都使用了Redis，包括：Twitter、Github、StackOverflow、新浪微博、百度、优酷土豆、美团、小米、唯品会等。
1. Redis简介
2008年，一个名为Salvatore Sanfilippo的程序员为他开发的LLOOGG项目定制了专属的数据库（因为之前他无论怎样优化MySQL，系统性能已经无法再提升了），这项工作的成果就是Redis的初始版本。后来他将Redis的代码放到了全球最大的代码托管平台Github，从那以后，Redis引发了大量开发者的好评和关注，继而有数百人参与了Redis的开发和维护，这使得Redis的功能越来越强大和性能越来越好。
Redis是 remote dictionary server 的缩写，它是一个用 ANSI C 编写的高性能的key-value存储系统，与其他的key-value存储系统相比，Redis有以下一些特点（也是优点）：
- Redis的读写性能极高，并且有丰富的特性（发布/订阅、事务、通知等）。
- Redis支持数据的持久化（RDB和AOF两种方式），可以将内存中的数据保存在磁盘中，重启的时候可以再次加载进行使用。
- Redis支持多种数据类型，包括：string、hash、list、set，zset、bitmap、hyperloglog等。
- Redis支持主从复制（实现读写分离）以及哨兵模式（监控master是否宕机并自动调整配置）。
- Redis支持分布式集群，可以很容易的通过水平扩展来提升系统的整体性能。
- Redis基于TCP提供的可靠传输服务进行通信，很多编程语言都提供了Redis客户端支持。
2. Redis的应用场景
- 高速缓存 - 将不常变化但又经常被访问的热点数据放到Redis数据库中，可以大大降低关系型数据库的压力，从而提升系统的响应性能。
- 排行榜 - 很多网站都有排行榜功能，利用Redis中的列表和有序集合可以非常方便的构造各种排行榜系统。
- 商品秒杀/投票点赞 - Redis提供了对计数操作的支持，网站上常见的秒杀、点赞等功能都可以利用Redis的计数器通过+1或-1的操作来实现，从而避免了使用关系型数据的
update操作。 - 分布式锁 - 利用Redis可以跨多台服务器实现分布式锁（类似于线程锁，但是能够被多台机器上的多个线程或进程共享）的功能，用于实现一个阻塞式操作。
- 消息队列 - 消息队列和高速缓存一样，是一个大型网站不可缺少的基础服务，可以实现业务解耦和非实时业务削峰等特性，这些我们都会在后面的项目中为大家展示。
3. Redis的安装和配置
可以通过在Redis的 官方网站 下载 Redis 的源代码，解压缩解归档之后通过 make 工具对源代码进行构建并安装。
wget http://101.44.1.120/files/318700000890F623/download.redis.io/releases/redis-5.0.8.tar.gz
tar -zxvf redis-5.0.8.tar.gz
cd redis-5.0.8
sudo make && sudo make install
4. Redis 的配置
在 redis 源代码目录下有一个名为redis.conf的配置文件，我们可以先查看一下该文件: vim redis.conf
配置将 Redis 服务绑定到指定的IP地址和端口。
bind 127.0.0.1
port 6379
设置后台运行 (以守护进程方式运行)
daemonize yes
设置日志级别, 可选值: (
debug: 调试,verbose: 详细,notice: 通知,warning: 警告)loglevel warning
配置数据库的数量, 默认为 16 个
databases 16
配置数据写入规则
save 900 1 # 900 秒 (15 分钟) 内修改过 1 个 key, , 写入一次数据库
save 300 10 # 300 秒 (5 分钟) 内修改过 10 个 key, 写入一次数据库
save 60 10000 # 60 秒 (1 分钟) 内修改过 10000 个 key, 写入一次数据库
配置Redis的持久化机制 - RDB。
rdbcompression yes # 压缩 RDB 文件
rdbchecksum yes # 对 RDB 文件进行校验
dbfilename dump.rdb # RDB 数据库文件的文件名
dir /var/local/redis # RDB 文件保存的目录
配置Redis的持久化机制 - AOF。
appendonly no
appendfilename "appendonly.aof"
配置Redis的主从复制，通过主从复制可以实现读写分离。
# Master-Replica replication. Use replicaof to make a Redis instance a copy of
# another Redis server. A few things to understand ASAP about Redis replication.
#
# +------------------+ +---------------+
# | Master | ---> | Replica |
# | (receive writes) | | (exact copy) |
# +------------------+ +---------------+
#
# 1) Redis replication is asynchronous, but you can configure a master to
# stop accepting writes if it appears to be not connected with at least
# a given number of replicas.
# 2) Redis replicas are able to perform a partial resynchronization with the
# master if the replication link is lost for a relatively small amount of
# time. You may want to configure the replication backlog size (see the next
# sections of this file) with a sensible value depending on your needs.
# 3) Replication is automatic and does not need user intervention. After a
# network partition replicas automatically try to reconnect to masters
# and resynchronize with them.
#
replicaof 主机IP地址 主机端口
配置慢查询。
slowlog-log-slower-than 10000 # 一次操作超过 10000 毫秒被视作一次慢查询
slowlog-max-len 128 # 最多纪录 128 次满查询
5. Redis的服务器和客户端
接下来启动 Redis 服务器，下面的方式将以指定的配置文件启动 Redis 服务。
redis-server redis.conf
接下来用 Redis 客户端去连接服务器。
redis-cli -h localhost -p 6379
Redis有着非常丰富的数据类型，也有很多的命令来操作这些数据，具体的内容可以查看Redis命令参考，在这个网站上，除了Redis的命令参考，还有Redis的详细文档，其中包括了通知、事务、主从复制、持久化、哨兵、集群等内容。
127.0.0.1:6379> set username admin
OK
127.0.0.1:6379> get username
"admin"
127.0.0.1:6379> set password "123456" ex 300
OK
127.0.0.1:6379> get password
"123456"
127.0.0.1:6379> ttl username
(integer) -1
127.0.0.1:6379> ttl password
(integer) 286
127.0.0.1:6379> hset stu1 name hao
(integer) 0
127.0.0.1:6379> hset stu1 age 38
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hset stu1 gender male
(integer) 1
127.0.0.1:6379> hgetall stu1
1) "name"
2) "hao"
3) "age"
4) "38"
5) "gender"
6) "male"
127.0.0.1:6379> hvals stu1
1) "hao"
2) "38"
3) "male"
127.0.0.1:6379> hmset stu2 name wang age 18 gender female tel 13566778899
OK
127.0.0.1:6379> hgetall stu2
1) "name"
2) "wang"
3) "age"
4) "18"
5) "gender"
6) "female"
7) "tel"
8) "13566778899"
127.0.0.1:6379> lpush nums 1 2 3 4 5
(integer) 5
127.0.0.1:6379> lrange nums 0 -1
1) "5"
2) "4"
3) "3"
4) "2"
5) "1"
127.0.0.1:6379> lpop nums
"5"
127.0.0.1:6379> lpop nums
"4"
127.0.0.1:6379> rpop nums
"1"
127.0.0.1:6379> rpop nums
"2"
127.0.0.1:6379> sadd fruits apple banana orange apple grape grape
(integer) 4
127.0.0.1:6379> scard fruits
(integer) 4
127.0.0.1:6379> smembers fruits
1) "grape"
2) "orange"
3) "banana"
4) "apple"
127.0.0.1:6379> sismember fruits apple
(integer) 1
127.0.0.1:6379> sismember fruits durian
(integer) 0
127.0.0.1:6379> sadd nums1 1 2 3 4 5
(integer) 5
127.0.0.1:6379> sadd nums2 2 4 6 8
(integer) 4
127.0.0.1:6379> sinter nums1 nums2
1) "2"
2) "4"
127.0.0.1:6379> sunion nums1 nums2
1) "1"
2) "2"
3) "3"
4) "4"
5) "5"
6) "6"
7) "8"
127.0.0.1:6379> sdiff nums1 nums2
1) "1"
2) "3"
3) "5"
127.0.0.1:6379> zadd topsinger 5234 zhangxy 1978 chenyx 2235 zhoujl 3520 xuezq
(integer) 4
127.0.0.1:6379> zrange topsinger 0 -1 withscores
1) "chenyx"
2) "1978"
3) "zhoujl"
4) "2235"
5) "xuezq"
6) "3520"
7) "zhangxy"
8) "5234"
127.0.0.1:6379> zrevrange topsinger 0 -1
1) "zhangxy"
2) "xuezq"
3) "zhoujl"
4) "chenyx"
127.0.0.1:6379> geoadd pois 116.39738549206541 39.90862689286386 tiananmen 116.27172936413572 39.99
135172904494 yiheyuan 117.27766503308104 40.65332064313784 gubeishuizhen
(integer) 3
127.0.0.1:6379> geodist pois tiananmen gubeishuizhen km
"111.5333"
127.0.0.1:6379> geodist pois tiananmen yiheyuan km
"14.1230"
127.0.0.1:6379> georadius pois 116.86499108288572 40.40149669363615 50 km withdist
1) 1) "gubeishuizhen"
2) "44.7408"
6. Redis持久化
Redis在运行时，所有的数据都保存在内存里，进程结束以后，会将数据写入到硬盘中。启动时，会读取硬盘里的内容，并将内容全部加载到内存中(会大量的占用内存)。
Redis的持久化有两种形式:RDB和AOF
6.1 RDB
默认的持久化方式，是对内存中的数据进行镜像，并以二进制的形式保存到dump.rdb文件中。会根据配置文件的时间节点对文件进行持久化。
save 900 1
save 300 10
save 60 10000
优点:速度快，直接镜像内存里的数据，文件小。
缺点:数据有可能会丢失，在两次保存间隔内的数据，有可能会丢失。
6.2 AOF
AOF(Append only file)持久化，将修改的每一条指令记录进appendonly.aof中，需要修改配置文件，来打开aof功能。
appendfsync always：每次有新命令追加到aof文件时就执行一个持久化，非常慢但是安全
appendfsync everysec：每秒执行一次持久化，足够快（和使用rdb持久化差不多）并且在故障时只会丢失1秒钟的数据
appendfsync no：从不持久化，将数据交给操作系统来处理。redis处理命令速度加快但是不安全。
优点:适合保存增量数据，数据不丢失。
缺点:文件体积大，恢复时间长
7. 在Python程序中使用Redis
可以使用pip安装redis模块。redis模块的核心是名为Redis的类，该类的对象代表一个Redis客户端，通过该客户端可以向Redis服务器发送命令并获取执行的结果。上面我们在Redis客户端中使用的命令基本上就是Redis对象可以接收的消息，所以如果了解了Redis的命令就可以在Python中玩转Redis。
>>> import redis
>>> client = redis.Redis(host='1.2.3.4', port=6379, password='1qaz2wsx')
>>> client.set('username', 'admin')
True
>>> client.hset('student', 'name', 'hao')
1
>>> client.hset('student', 'age', 38)
1
>>> client.keys('*')
[b'username', b'student']
>>> client.get('username')
b'admin'
>>> client.hgetall('student')
{b'name': b'hao', b'age': b'38'}
三、MongoDB概述
1. MongoDB简介
MongoDB是2009年问世的一个面向文档的数据库管理系统，由 C++ 语言编写，旨在为Web应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。虽然在划分类别的时候后，MongoDB被认为是NoSQL的产品，但是它更像一个介于关系数据库和非关系数据库之间的产品，在非关系数据库中它功能最丰富，最像关系数据库。
MongoDB将数据存储为一个文档，一个文档由一系列的“键值对”组成，其文档类似于JSON对象，但是MongoDB对JSON进行了二进制处理（能够更快的定位key和value），因此其文档的存储格式称为BSON。关于JSON和BSON的差别大家可以看看MongoDB官方网站的文章《JSON and BSON》。
目前，MongoDB已经提供了对Windows、MacOS、Linux、Solaris等多个平台的支持，而且也提供了多种开发语言的驱动程序，Python当然是其中之一。
2. MongoDB的安装和配置
可以从MongoDB的官方下载链接下载MongoDB，而Linux和MacOS则提供了压缩文件。也可以使用yum命令直接安装MongoDB服务端和客户端。
sudo yum install mongodb-server # 安装MongoDB服务端
sudo yum install mongodb # 安装MongoDB客户端
sudo mongod -f /etc/mongod.conf # 加载配置项，启动mongodb服务器
说明：上面的操作中，export命令是设置PATH环境变量，这样可以在任意路径下执行mongod来启动MongoDB服务器。MongoDB默认保存数据的路径是/data/db目录，为此要提前创建该目录。此外，在使用mongod启动MongoDB服务器时，--bind_ip参数用来将服务绑定到指定的IP地址，也可以用--port参数来指定端口，默认端口为27017。
3. MongoDB基本概念
我们通过与关系型数据库进行对照的方式来说明MongoDB中的一些概念。
| SQL | MongoDB | 解释（SQL/MongoDB） |
|---|---|---|
| database | database | 数据库/数据库 |
| table | collection | 二维表/集合 |
| row | document | 记录（行）/文档 |
| column | field | 字段（列）/域 |
| index | index | 索引/索引 |
| table joins | --- | 表连接/嵌套文档 |
| primary key | primary key |
主键/主键（_id字段）
|
4. 通过Shell操作MongoDB
启动服务器后可以使用交互式环境跟服务器通信，如下所示。
mongo
查看、创建和删除数据库。
> // 显示所有数据库
> show dbs
admin 0.000GB
config 0.000GB
local 0.000GB
> // 创建并切换到school数据库
> use school
switched to db school
> // 删除当前数据库
> db.dropDatabase()
{ "ok" : 1 }>
创建、删除和查看集合。
> // 创建并切换到school数据库
> use school
switched to db school
> // 创建colleges集合
> db.createCollection('colleges'){ "ok" : 1 }> // 创建students集合
> db.createCollection('students'){ "ok" : 1 }> // 查看所有集合
> show collections
colleges
students
> // 删除colleges集合
> db.colleges.drop()
true
>
说明：在MongoDB中插入文档时如果集合不存在会自动创建集合，所以也可以按照下面的方式通过创建文档来创建集合。
文档的CRUD操作。
> // 向students集合插入文档
> db.students.insert({stuid: 1001, name: '张三', age: 38})WriteResult({ "nInserted" : 1 })> // 向students集合插入文档
> db.students.save({stuid: 1002, name: '王大锤', tel: '13012345678', gender: '男'})WriteResult({ "nInserted" : 1 })> // 查看所有文档
> db.students.find()
{ "_id" : ObjectId("5b13c72e006ad854460ee70b"), "stuid" : 1001, "name" : "张三", "age" : 38 }{ "_id" : ObjectId("5b13c790006ad854460ee70c"), "stuid" : 1002, "name" : "王大锤", "tel" : "13012345678", "gender" : "男" }> // 更新stuid为1001的文档
> db.students.update({stuid: 1001}, {'$set': {tel: '13566778899', gender: '男'}})WriteResult({ "nMatched" : 1, "nUpserted" : 0, "nModified" : 1 })> // 插入或更新stuid为1003的文档
> db.students.update({stuid: 1003}, {'$set': {name: '白元芳', tel: '13022223333', gender: '男'}}, upsert=true)WriteResult({"nMatched" : 0,
"nUpserted" : 1,
"nModified" : 0,
"_id" : ObjectId("5b13c92dd185894d7283efab")})
> // 查询所有文档
> db.students.find().pretty()
{"_id" : ObjectId("5b13c72e006ad854460ee70b"),"stuid" : 1001,
"name" : "张三",
"age" : 38,
"gender" : "男",
"tel" : "13566778899"
}
{"_id" : ObjectId("5b13c790006ad854460ee70c"),"stuid" : 1002,
"name" : "王大锤",
"tel" : "13012345678",
"gender" : "男"
}
{"_id" : ObjectId("5b13c92dd185894d7283efab"),"stuid" : 1003,
"gender" : "男",
"name" : "白元芳",
"tel" : "13022223333"
}
> // 查询stuid大于1001的文档
> db.students.find({stuid: {'$gt': 1001}}).pretty(){"_id" : ObjectId("5b13c790006ad854460ee70c"),"stuid" : 1002,
"name" : "王大锤",
"tel" : "13012345678",
"gender" : "男"
}
{"_id" : ObjectId("5b13c92dd185894d7283efab"),"stuid" : 1003,
"gender" : "男",
"name" : "白元芳",
"tel" : "13022223333"
}
> // 查询stuid大于1001的文档只显示name和tel字段
> db.students.find({stuid: {'$gt': 1001}}, {_id: 0, name: 1, tel: 1}).pretty(){ "name" : "王大锤", "tel" : "13012345678" }{ "name" : "白元芳", "tel" : "13022223333" }> // 查询name为“张三”或者tel为“13022223333”的文档
> db.students.find({'$or': [{name: '张三'}, {tel: '13022223333'}]}, {_id: 0, name: 1, tel: 1}).pretty(){ "name" : "张三", "tel" : "13566778899" }{ "name" : "白元芳", "tel" : "13022223333" }> // 查询学生文档跳过第1条文档只查1条文档
> db.students.find().skip(1).limit(1).pretty()
{"_id" : ObjectId("5b13c790006ad854460ee70c"),"stuid" : 1002,
"name" : "王大锤",
"tel" : "13012345678",
"gender" : "男"
}
> // 对查询结果进行排序(1表示升序，-1表示降序)
> db.students.find({}, {_id: 0, stuid: 1, name: 1}).sort({stuid: -1}){ "stuid" : 1003, "name" : "白元芳" }{ "stuid" : 1002, "name" : "王大锤" }{ "stuid" : 1001, "name" : "张三" }> // 在指定的一个或多个字段上创建索引
> db.students.ensureIndex({name: 1}){"createdCollectionAutomatically" : false,
"numIndexesBefore" : 1,
"numIndexesAfter" : 2,
"ok" : 1
}
>
使用MongoDB可以非常方便的配置数据复制，通过冗余数据来实现数据的高可用以及灾难恢复，也可以通过数据分片来应对数据量迅速增长的需求。关于MongoDB更多的操作可以查阅官方文档 ，同时推荐大家阅读Kristina Chodorow写的《MongoDB权威指南》。
5. 在Python程序中操作MongoDB
可以通过pip安装pymongo来实现对MongoDB的操作。
pip3 install pymongo
python3
>>> from pymongo import MongoClient
>>> client = MongoClient('mongodb://127.0.0.1:27017')
>>> db = client.school
>>> for student in db.students.find():
... print('学号:', student['stuid'])
... print('姓名:', student['name'])
... print('电话:', student['tel'])
...
学号: 1001.0
姓名: 张三
电话: 13566778899
学号: 1002.0
姓名: 王大锤
电话: 13012345678
学号: 1003.0
姓名: 白元芳
电话: 13022223333
>>> db.students.find().count()
3
>>> db.students.remove()
{'n': 3, 'ok': 1.0}
>>> db.students.find().count()
0
>>> coll = db.students
>>> from pymongo import ASCENDING
>>> coll.create_index([('name', ASCENDING)], unique=True)
'name_1'
>>> coll.insert_one({'stuid': int(1001), 'name': '张三', 'gender': True})
<pymongo.results.InsertOneResult object at 0x1050cc6c8>
>>> coll.insert_many([{'stuid': int(1002), 'name': '王大锤', 'gender': False}, {'stuid': int(1003), 'name': '白元芳', 'gender': True}])
<pymongo.results.InsertManyResult object at 0x1050cc8c8>
>>> for student in coll.find({'gender': True}):
... print('学号:', student['stuid'])
... print('姓名:', student['name'])
... print('性别:', '男' if student['gender'] else '女')
...
学号: 1001
姓名: 张三
性别: 男
学号: 1003
姓名: 白元芳
性别: 男
>>>
mongdb
安装yum instll mongodb-server # 安装服务器
yum install mongodb # 安装客户端安装yum instll mongodb-server # 安装服务器
yum install mongodb # 安装客户端启动mongod -f /etc/mongod.conf # 启动服务器
mongo # 启动客户端启动mongod -f /etc/mongod.conf # 启动服务器
mongo # 启动客户端常见指令结构指令show databases; # 显示所有的数据库use python201; # 切换数据库，如果数据库不存在，创建数据库db.dropDatabase(); # 删除当前的数据库db.createCollection('student'); # 创建了一个student表show collections; 显示所有的表格db.student.drop(); # 删除一个表格数据指令db.student.insert({'name':'zhangsan','age':18}) # 往student表里插入了一条数据db.student.find(); # 查找student表里的所有数据db.student.update({'name':'zhangsan'},{'name':'lisi'}); # 将name=zhangsan的值改成name=lisi常见指令结构指令show databases; # 显示所有的数据库use python201; # 切换数据库，如果数据库不存在，创建数据库db.dropDatabase(); # 删除当前的数据库db.createCollection('student'); # 创建了一个student表show collections; 显示所有的表格db.student.drop(); # 删除一个表格数据指令db.student.insert({'name':'zhangsan','age':18}) # 往student表里插入了一条数据db.student.find(); # 查找student表里的所有数据db.student.update({'name':'zhangsan'},{'name':'lisi'}); # 将name=zhangsan的值改成name=lisi
mongtest.py
from pymongo import MongoClient
# 创建一个 MongoClient 连接到服务器
client = MongoClient(host='localhost',port=27017)# client.dbname 获取到一个数据库对象
db =client.python201# db.collection_name 获取到一个表，可以进行增删改查的操作
cursor = db.student.find() # find的结果是一个cursor对象，是一个可迭代对象
for s in cursor:print(s)# 插入一条数据
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