NoSQL入门

NoSQL概述

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。

非关系型数据库的优势：
1. 性能NOSQL是基于键值对的，可以想象成表中的主键和值的对应关系，而且不需要经过SQL层的解析，所以性能非常高。
2. 可扩展性同样也是因为基于键值对，数据之间没有耦合性，所以非常容易水平扩展。

关系型数据库的优势：
1. 复杂查询可以用SQL语句方便的在一个表以及多个表之间做非常复杂的数据查询。
2. 事务支持使得对于安全性能很高的数据访问要求得以实现。

对于这两类数据库，对方的优势就是自己的弱势，反之亦然。

NoSQL数据库按照其存储类型可以大致分为以下几类：

Redis概述

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。

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（实现读写分析）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。

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

Redis的安装和配置

可以使用Linux系统的包管理工具（如yum）来安装Redis，也可以通过在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://download.redis.io/releases/redis-5.0.4.tar.gz
gunzip redis-5.0.4.tar.gz
tar -xvf redis-5.0.4.tar
cd redis-5.0.4
make && make install

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。

配置底层有多少个数据库。

配置Redis的持久化机制 - RDB。

配置Redis的持久化机制 - AOF。

配置访问Redis服务器的验证口令。

配置Redis的主从复制，通过主从复制可以实现读写分离。

配置慢查询。

上面这些内容就是Redis的基本配置

Redis的服务器和客户端

接下来启动Redis服务器，下面的方式将以默认的配置启动Redis服务。

redis-server
如果希望修改Redis的配置（如端口、认证口令、持久化方式等），可以通过下面两种方式。

方式一：通过参数指定认证口令和AOF持久化方式。

redis-server --requirepass 1qaz2wsx --appendonly yes
方式二：通过指定的配置文件来修改Redis的配置。

redis-server /root/redis-5.0.4/redis.conf
下面我们使用第一种方式来启动Redis并将其置于后台运行，将Redis产生的输出重定向到名为redis.log的文件中。

redis-server --requirepass 1qaz2wsx > redis.log &
可以通过ps或者netstat来检查Redis服务器是否启动成功。

1 2	ps -ef \| grep redis-server netstat -nap \| grep redis-server

接下来，我们尝试用Redis客户端去连接服务器。

redis-cli
127.0.0.1:6379> auth 1qaz2wsx
OK
127.0.0.1:6379> ping
PONG
127.0.0.1:6379>

具体命令参考

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"

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。

1 2	pip3 install redis python3

>>> import redis
>>> client = redis.Redis(host='127.0.0.1', 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'}

运行python程序前，需要先打开redis服务，在win10下，就是打开redis对应的服务exe，然后再cmd输入py代码或者运行python代码：

MongoDB概述

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。

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。

win10端开启mongodb服务可以使用以下方法：
首先在mongo安装目录的bin文件夹中cmd 并输入’mongod –dbpath D:\MongoDB\Server\4.0\data\db’
db为自己创建好的文件夹，好像可以直接用data？网上的教程怪怪的
然后另外开一个bin下的cmd，输入mongo.exe 即可开启mongodb

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 --host 172.18.61.250

MongoDB shell version v3.6.5
connecting to: mongodb://172.18.61.250:27017/

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: '骆昊', 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" : "骆昊", "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" : "骆昊",
        "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“骆昊”或者tel为“13022223333”的文档
> db.students.find({'$or': [{name: '骆昊'}, {tel: '13022223333'}]}, {_id: 0, name: 1, tel: 1}).pretty()
{ "name" : "骆昊", "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" : "骆昊" }
> // 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。

>>> from pymongo import MongoClient
>>> client = MongoClient('mongodb://120.77.222.217:27017') 
>>> 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: 骆昊
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': '骆昊', '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: 骆昊
性别: 男
学号: 1003
姓名: 白元芳
性别: 男
>>>