全文译自墙外文章“NoSQL Data Modeling Techniques”，译得不好，还请见谅。这篇文章看完之后，你可能会对NoSQL的数据结构会有些感觉。我的感觉是，关系型数据库想把一致性，完整性，索引，CRUD都干好，NoSQL只干某一种事，但是牺牲了很多别的东西。总体来说，我觉得NoSQL更适合做Cache。下面是正文——

NoSQL 数据库经常被用作很多非功能性的地方，如，扩展性，性能和一致性的地方。这些NoSQL的特性在理论和实践中都正在被大众广泛地研究着，研究的热点正是那些和性能分布式相关的非功能性的东西，我们都知道 CAP 理论被很好地应用于了 NoSQL 系统中（陈皓注：CAP即，一致性(Consistency)， 可用性(Availability)， 分区容忍性(Partition tolerance)，在分布式系统中，这三个要素最多只能同时实现两个，而NoSQL一般放弃的是一致性）。但在另一方面，NoSQL的数据建模技术却因为缺乏像关系型数据库那样的基础理论没有被世人很好地研究。这篇文章从数据建模方面对NoSQL家族进行了比较，并讨论几个常见的数据建模技术。

要开始讨论数据建模技术，我们不得不或多或少地先系统地看一下NoSQL数据模型的成长的趋势，以此我们可以了一些他们内在的联系。下图是NoSQL家族的进化图，我们可以看到这样的进化：Key-Value时代，BigTable时代，Document时代，全文搜索时代，和Graph数据库时代：（陈皓注：注意图中SQL说的那句话，NoSQL再这样发展下去就是SQL了，哈哈。）

首先，我们需要注意的是SQL和关系型数据模型已存在了很长的时间，这种面向用户的自然性意味着：

• 最终用户一般更感兴趣于数据的聚合显示，而不是分离的数据，这主要通过SQL来完成。
• 我们无法通过人手工控制数据的并发性，完整性，一致性，或是数据类型校验这些东西的。这就是为什么SQL需要在事务，二维表结构（schema）和外表联合上做很多事。

另一方面，SQL可以让软件应用程序在很多情况下不需要关心数据库的数据聚合，和数据完整性和有效性进行控制。而如果我们去除了数据一致性，完整性这些东西，会对性能和分布存储有着重的帮助。正因为如此，我们才有数据模型的进化：

• Key-Value 键值对存储是非常简单而强大的。下面的很多技术基本上都是基于这个技术开始发展的。但是，Key-Value有一个非常致命的问题，那就是如果我们需要查找一段范围内的key。（陈皓注：学过hash-table数据结构的人都应该知道，hash-table是非序列容器，其并不像数组，链接，队列这些有序容器，我们可以控制数据存储的顺序）。于是，有序键值 （Ordered Key-Value） 数据模型被设计出来解决这一限制，来从根本上提高数据集的问题。

• Ordered Key-Value 有序键值模型也非常强大，但是，其也没有对Value提供某种数据模型。通常来说，Value的模型可以由应用负责解析和存取。这种很不方便，于是出现了 BigTable类型的数据库，这个数据模型其实就是map里有map，map里再套map，一层一层套下去，也就是层层嵌套的key-value（value里又是一个key-value），这种数据库的Value主要通过“列族”（column families），列，和时间截来控制版本。（陈皓注：关于时间截来对数据的版本控制主要是解决数据存储并发问题，也就是所谓的乐观锁，详见《多版本并发控制(MVCC)在分布式系统中的应用》）

• Document databases 文档数据库 改进了 BigTable 模型，并提供了两个有意义的改善。第一个是允许Value中有主观的模式（scheme），而不是map套map。第二个是索引。 Full Text Search Engines 全文搜索引擎可以被看作是文档数据库的一个变种，他们可以提供灵活的可变的数据模式（scheme）以及自动索引。他们之间的不同点主要是，文档数据库用字段名做索引，而全文搜索引擎用字段值做索引。

• Graph data models 图式数据库 可以被认为是这个进化过程中从 Ordered Key-Value 数据库发展过来的一个分支。图式数据库允许构建议图结构的数据模型。它和文档数据库有关系的原因是，它的很多实现允许value可以是一个map或是一个document。

 NoSQL 数据模型摘要

本文剩下的章节将向你介绍数据建模的技术实现和相关模式。但是，在介绍这些技术之前，先来一段序言：

• NoSQL 数据模型设计一般从业务应用的具体数据查询入手，而不是数据间的关系：
  • 关系型的数据模型基本上是分析数据间的结构和关系。其设计理念是： ”What answers do I have?”
  • NoSQL 数据模型基本上是从应用对数据的存取方式入手，如：我需要支持某种数据查询。其设计理念是 ”What questions do I have?”

• NoSQL 数据模型设计比关系型数据库需要对数据结构和算法的更深的了解。在这篇文章中我会和大家说那些尽人皆知的数据结构，这些数据结构并不只是被NoSQL使用，但是对于NoSQL的数据模型却非常有帮助。

• 数据冗余和反规格化是一等公民。

• 关系型数据库对于处理层级数据和图式数据非常的不方便。NoSQL用来解决图式数据明显是一个非常好的解决方案，几乎所有的NoSQL数据库可以很强地解决此类问题。这就是为什么这篇文章专门拿出一章来说明层级数据模型。

概念技术 Conceptual Techniques

这一节主要介绍NoSQL数据模型的基本原则。

(1) 反规格化 Denormalization

反规格化 Denormalization 可以被认为是把相同的数据拷贝到不同的文档或是表中，这样就可以简化和优化查询，或是正好适合用户的某中特别的数据模型。这篇文章中所说的绝大多数技术都或多或少地导向了这一技术。

总体来说，反规格化需要权衡下面这些东西：

• 查询数据量 /查询IO  VS  总数据量。使用反规格化，一方面可以把一条查询语句所需要的所有数据组合起来放到一个地方存储。这意味着，其它不同不同查询所需要的相同的数据，需要放在别不同的地方。因此，这产生了很多冗余的数据，从而导致了数据量的增大。

• 处理复杂度  VS 总数据量. 在符合范式的数据模式上进行表连接的查询，很显然会增加了查询处理的复杂度，尤其对于分布式系统来说更是。反规格化的数据模型允许我们以方便查询的方式来存构造数据结构以简化查询复杂度。

适用性: Key-Value Store 键值对数据库， Document Databases文档数据库， BigTable风格的数据库。

(2) 聚合 Aggregates

所有类型的NoSQL数据库都会提供灵活的Schema（数据结构，对数据格式的限制）：

• Key-Value Stores 和 Graph Databases 基本上来说不会Value的形式，所以Value可以是任意格式。这样一来，这使得我们可以任意组合一个业务实体的keys。比如，我们有一个用户帐号的业务实体，其可以被如下这些key组合起来： UserID_name, UserID_email, UserID_messages 等等。如果一个用户没有email或message，那么相应也不会有这样的记录。

• BigTable 模型通过列集合来支持灵活的Schema，我们称之为列族（column family）。BigTable还可以在同一记录上出现不同的版本（通过时间截）。

• Document databases 文档数据库是一种层级式的“去Schema”的存储，虽然有些这样的数据库允许检验需要保存的数据是否满足某种Schema。

灵活的Schema允许你可以用一种嵌套式的内部数据方式来存储一组有关联的业务实体（陈皓注：类似于JSON这样的数据封装格式）。这样可以为我们带来两个好处。

• 最小化“一对多”关系——可以通过嵌套式的方式来存储实体，这样可以少一些表联结。

• 可以让内部技术上的数据存储更接近于业务实体，特别是那种混合式的业务实体。可能存于一个文档集或是一张表中。

适用性: Key-Value Store 键值对数据库， Document Databases文档数据库， BigTable风格的数据库。

(3) 应用层联结 Application Side Joins

表联结基本上不被NoSQL支持。正如我们前面所说的，NoSQL是“面向问题”而不是“面向答案”的，不支持表联结就是“面向问题”的后果。表的联结是在设计时被构造出来的，而不是在执行时建造出来的。所以，表联结在运行时是有很大开销的（陈皓注：搞过SQL表联结的都知道笛卡尔积是什么东西，大可以在参看以前酷壳的“图解数据库表Joins”），但是在使用了 Denormalization 和 Aggregates 技术后，我们基本不用进行表联结，如：你们使用嵌套式的数据实体。当然，如果你需要联结数据，你需要在应用层完成这个事。下面是几个主要的Use Case：

• 多对多的数据实体关系——经常需要被连接或联结。

• 聚合 Aggregates 并不适用于数据字段经常被改变的情况。对此，我们需要把那些经常被改变的字段分到另外的表中，而在查询时我们需要联结数据。例如，我们有个Message系统可以有一个User实体，其包括了一个内嵌的Message实体。但是，如果用户不断在附加 message，那么，最好把message拆分到另一个独立的实体，但在查询时联结这User和Message这两个实体。如下图：

适用性: Key-Value Store 键值对数据库， Document Databases文档数据库， BigTable风格的数据库， Graph Databases 图数据库。

通用建模技术 General Modeling Techniques

在本书中，我们将讨论NoSQL中各种不同的通用的数据建模技术。

(4) 原子聚合 Atomic Aggregates

很多NoSQL的数据库（并不是所有）在事务处理上都是短板。在某些情况下，他们可以通过分布式锁技术或是应用层管理的MVCC技术来实现其事务性（陈皓注：可参看本站的“多版本并发控制(MVCC)在分布式系统中的应用”）但是，通常来说只能使用聚合Aggregates技术来保证一些ACID原则。

这就是为什么我们的关系型数据库需要有强大的事务处理机制——因为关系型数据库的数据是被规格化存放在了不同的地方。所以，Aggregates聚合允许我们把一个业务实体存成一个文档、存成一行，存成一个key-value，这样就可以原子式的更新了：