1、概念介紹

MySQL：關系型數據庫，主要面向OLTP，支持事務，支持二級索引，支持sql，支持主從、Group Replication架構模型(本文全部以Innodb為例，不涉及別的存儲引擎)。

HBase：基于HDFS，支持海量數據讀寫(尤其是寫)，支持上億行、上百萬列的，面向列的分布式NoSql數據庫。天然分布式，主從架構，不支持事務，不支持二級索引，不支持sql。ElasticSearch：簡稱ES是一款分布式的全文檢索框架，底層基于Lucene技術實現，雖然ES也提供存儲，檢索功能，但我一直不認為ES是一款數據庫，但是隨著ES功能越來越強大，與數據庫的界限也越來越模糊。分布式，P2P架構，但不支持事務，采用倒排索引提供全文檢索。

2、數據存儲方式

假設有這樣一張人員信息表：

 

MySQL數據庫要提前定義表結構，數據表共有多少列(屬性)需要提前定義好，并且同時需要定義好每個列所占用的存儲空間。數據以行為單位組織在一起的，假如某一行的某一列沒有數據，也需要占用存儲空間。

HBase則是以列為單位存儲數據，每一列就是一個key-value，HBase的表列(屬性)不需要提前定義，而且列可以動態擴展，比如人員信息表中需要添加一個新的“address”字段，MySQL需要提前alter表增加字段，HBase可以直接插入即可。

ES比較靈活，索引中的field類型可以提前定義(定義mapping)，也可以不定義，如果不定義，會有一個默認類型，不過出于可控性考慮，關鍵字段建議提前定義好。(Solr中必須提前定義好schema.xml文件)

上圖展示了數據在MySQL和HBase中存儲差異(和真實的情況還有差距)，可以看到即使第二條記錄的sex字段為空，MySQL依然會為該字段保留空間，因為后續有可能會有update語句來更新該記錄，補上sex內容。而HBase則是把每一列都看做是一條記錄，row+列名作為key，data作為value，依次存放。假如某一行的某一個列沒有數據，則直接跳過該列。針對稀疏矩陣的大表，HBase能大大節省存儲空間。

看到這里，大家是否會有一個疑問：使用HBase存儲時，假如此時需要添加第二行的sex內容，如何實現呢，數據是否連續?后面介紹讀寫流程會解釋。

不一樣的ES

ES的存儲方式和上面兩個都不一樣，MySQL和HBase是將數據按不同的方式進行存儲，好歹它們存的還是數據，而ES則存的是倒排索引。我們先來了解一下什么是倒排索引，以及為什么需要倒排索引(Inverted Index)：我們肯定都會這樣的經歷：偶然看到一段很好的文字，但是卻不知道出處，這時候去圖書館，一個一個翻找，無疑是大海撈針，這個時候便有了全文檢索這項技術，而它最核心的就是倒排索引。假如有如下文檔：

我們想要知道有哪些文檔含有you這個關鍵字，首先可以創建一個倒排索引，格式如下：

前面的部分叫做dictionary(字典)，里面的每個單詞叫做term，后面的文檔列表叫做psoting-list，list中記錄了所有含有該term的文檔id，兩個組合起來就是一個完成的倒排索引(Inverted Index)。能夠看出，假如需要查找含有“you”的文檔時，根據dictionary然后找到對應的posting-list即可。

而全文檢索中，創建Inverted Index是最關鍵也是最耗時的過程，而且真正的Inverted Index結構也遠比圖中展示的復雜，不僅需要對文檔進行分詞(ES里中文可以自定義分詞器)，還要計算TF-IDF，方便評分排序(當查找you時，評分決定哪個doc顯示在前面，也就是所謂的搜索排名)，壓縮等操作。每接收一個document，ES就會將其信息更新在倒排索引中。

可以看出ES和MySQL、HBase的存儲還是有很大的區別。而且ES不僅包含倒排索引，默認同時還會把文檔doc存儲起來，所以當我們使用ES時，也能拿到完整的文檔信息，所以某種程度上，感覺就像在使用數據庫一樣，但是也可以配置不存儲文檔信息，這時只能根據查詢條件得到文檔id，并不能拿到完整的文檔內容。

總結：

MySQL：行存儲的方式比較適合OLTP業務。HBase：列存儲的方式比較適合OLAP業務，而HBase采用了列族的方式平衡了OLTP和OLAP，支持水平擴展，如果數據量比較大、對性能要求沒有那么高、并且對事務沒有要求的話，HBase可以考慮。ES：ES默認對所有字段都建了索引，所以比較適合復雜的檢索或全文檢索。

3、容災對比

3.1 MySQL

單節點：

現在的數據庫普遍采用write ahead log策略來避免數據丟失，wal機制簡單的解釋就是：在提交CUD操作，數據寫入內存的同時，也要寫一份到log文件中，而且要保證log數據落盤成功后才能向client返回操作成功，假如此時數據庫宕機，已經提交到內存的數據還沒來得及刷回磁盤，重啟數據庫后可以通過回放log文件來恢復內存中的數據。

問題又來了：寫log的話，對性能影響會不會很大?其實多少還是有點影響的，不過log文件是順序寫入，相對來說為了保證數據完整性，這點性能損失還是可以接受的。

單機情況下，MySQL的innodb通過redo log和checkpoint機制來保證數據的完整性。因為怕log越寫越大，占用過多磁盤，而且當log特別大的時候，恢復起來也比較耗時。而checkpoint的出現就是為了解決這些問題。

checkpoint機制保證了之前的log數據一定已經刷回磁盤，當數據庫宕機時，只需要將checkpoint之后的log回放即可，數據庫會定時做checkpoint，這樣就保證了數據庫恢復的效率。

但是考慮到如果硬件故障時機器無法啟動，或者磁盤故障時數據無法恢復，checkpoint+redo log方案也就不起作用了，為了防止這種故障，MySQL還提供了master-slave和group replication 集群級別的容災方案。

Master-Slave架構主要思路是：master負責業務的讀寫請求，然后通過binlog復制到slave節點，這樣如果主庫因為不可抗拒因素無法恢復時，從庫可以提供服務，這里我們用了“復制“這個詞，而不是”同步“，因為基于binlog復制的方案并不能做到主從數據強一致，這種主從同步方式會導致主庫掛掉之后從庫有可能丟失少量的數據。

正是因為主從架構存在數據不一致的問題，所以MySQL5.7出現了Mysql Group Replication方案，mgr采用paxos協議實現了數據節點的強同步，保證了所有節點都可以寫數據，并且所有節點讀到的也是最新的數據。

3.2 HBase

HBase的容災和MySQL的單機容災有些類似，但具體實現上還是很有自己的特點。

在介紹HBase容災前，我們先來了解一下HBase和HDFS的關系：HBase中的數據都是存放在HDFS上，可以簡單理解HBase分為兩層：

一層為NoSql service(即提供分布式檢索服務)

一層是分布式文件系統(數據真正存放的位置，目前采用HDFS)。HBase中region分布在不同的regionserver上，client端通過meta表來定位數據在在哪個regionserver的region上，然后獲取數據，但是數據有可能并不一定在該regionserver本地保存，每個region都知道自己對應的數據在HDFS的哪些數據塊上，最后通過訪問HDFS來獲取數據，尤其當HBase和HDFS部署在不同的集群上時，數據的讀寫完全是通過RPC來實現，為了減少RPC的開銷，保證服務穩定，往往會將HBase和HDFS部署在同一個集群。

同理，當一個regionserver掛了，region可以快速切換到別的regionserver上，因為只涉及到回放Log，并不會移動已經落盤的數據，而且HBase也會控制log的大小，來減少恢復時間。

HBase也是采用寫log的方式防止數據丟失，數據寫內存的同時，同時也會寫入HLog，HLog也是存儲在HDFS上，寫入HLog后才會認為數據寫成功，某個regionserver掛掉之后，master將故障機器上的regions調度到別的regionserver上，regionserver通過回放HLog來恢復region的數據，恢復成功后，region重新上線，由于log是直接寫在HDFS上，所以不用擔心單個節點掛掉log數據丟失的問題。

這里引出一個問題：回放HLog的時候，正在被恢復的region會短時間不可用，直到HLog回放成功。HBase1.0版本中加入了region replicas功能，也就是提供一個slave region，當主region掛掉的時候，依然可以通過slave replicas來讀數據，但是slave不提供write，而且slave replicas和primary region并不是強同步的，并不一定總能讀到最新的數據，所以開啟該功能時，也要考慮自己業務是否必須要求強一致。

HBase也提供了cluster replication，目的是為了做機房級的容災，boss說現在cluster replication功能還有些bug，目前也在積極優化改進，相信以后會cluster replication會越來越完善。

3.3 ES：

ES的容災也是采用寫log的方式，與HBase不同的是，ES的節點保存各自的log，這點跟MySQL類似，log是存放在本地的，這也就存在和MySQL一樣的問題，假如機器宕機或硬盤故障，log數據也會丟失，所以index每個shard也有主備，默認配置是一個primary shard，一個replica shard，當然也可以配置多個replica。

默認情況下：primary shard首先接收client端發送過來的數據，然后將數據同步到replica shard中，當replica shard也寫入成功后，才會告知client數據已正確寫入，這樣就防止數據還沒寫入replica shard時，primary掛掉導致的數據丟失。

又到了提問環節，如果有一個replica節點出了問題，比如網絡故障無法寫入，那豈不是數據一直寫入不成功了?所以ES的master維護了一個in-sync set，里面保存了目前存活、且與primary同步的replica集合，只要set中的replica同步完成即認為數據寫入成功。考慮到一種情況：所有的replica因為網絡故障都下線了，in-sync set此時為空，數據只在primary中保留一份，很有可能因primary故障而導致丟數據，所以ES新增了wait_for_active_shards參數，只有當存活的replica數大于該參數時，才能正常寫入，若不滿足，則停止寫服務。

(這是5.X版本的實現，由于ES版本更新過快，這和2.X之前的版本有些差異，5.X中in-sync set的方式和Kafka的容災模式非常類似，但和Kafka有一點區別：ES的primary負責寫服務，但是primary和replica都可以提供讀服務，而Kafka只有primary partition提供讀寫服務，replica只是同步primary上的數據，并不提供讀。

4、讀寫方式

4.1 Mysql

MySQL的Innodb中的數據是按主鍵的順序依次存放，主鍵即為聚簇索引(對聚簇索引和非聚簇索引不了解同學可以看看這篇文章)，索引采用B+樹結構進行組織。

從圖中可以看出，數據是按聚簇索引順序依次存放，假設下面一些場景：

1.查詢

Innodb中主鍵即為聚簇索引，假如根據主鍵查詢，聚簇索引的葉子節點存放就是真正的數據，可以直接查到相應的記錄。假如是二級索引查詢，那么需要先通過二級索引找到該記錄的主鍵，然后根據主鍵通過聚簇索引找到對應的記錄，這里多了一個索引查找的過程。

2.插入

順序插入：因為Innodb的數據是按聚簇索引的順序依次存放的，如果是根據主鍵索引的順序插入，即插入的數據的主鍵是連續的，因為是順序io，所以插入效率會較高。

隨機插入：假如每次插入的數據主鍵是不連續的，MySQL需要取出每條記錄對應的物理block，會引起大量的隨機io，隨機io操作和順序io的性能差距很大，尤其是機械盤。

(Kafka官網提到一個機械盤的順序寫能達到600M/s，而隨機寫可能只有100k/s。As a result the performance of linear writes on aJBODconfiguration with six 7200rpm SATA RAID-5 array is about 600MB/sec but the performance of random writes is only about 100k/sec—a difference of over 6000X.這也是為什么HBase、ES將所有的insert、update、delete操作都統一看成順序寫操作，避免隨機io)

note：這也是為什么MySQL的主鍵通常定義為自增id，不涉及業務邏輯，這樣新數據插入時能保證是順序io。另外MySQL為了提高隨機io的性能，提供了insert buffer的功能。

3.更新 & 刪除

update和delete如果不是順序的話，也會包含大量的隨機io，當然MySQL都針對隨機io都進行了一些優化，盡量減少隨機io帶來的性能損失。

4.2 HBase

HBase不支持二級索引，它只有一個主鍵索引，采用LSM樹。

HBase是一個分布式系統，這點跟MySQL不同，它的數據是分散不同的server上，每個table由一個或多個region組成，region分散在集群中的server上，一個server可以負責多個region。這里有一點需要特別注意：table中各個region的存放數據的rowkey(主鍵)范圍是不會重疊的，可以認為region上數據基于rowkey全局有序，每個region負責它自己的那一部分的數據。

1.查詢

假如我們要查詢rowkey=150的這條記錄，首先從zk中獲取hbase:meta表(存放region和key的對應關系的元數據表)的位置，通過查詢meta表得知rowkey=150的數據在哪個server的哪個region上。

2.插入

上圖粗略的展示了HBase的region的結構，region不單單是一個文件，它是由一個memstore和多個storeFile組成(storeFile上的上限可以配置)。插入數據時首先將數據寫入memstore，當memstore大小達到一定閾值，將memstore flush到硬盤，變成一個新的storeFile。flush的時候會對memstore中的數據進行排序，壓縮等操作。可以看到單個storeFile中的數據是有序的，但是region中的storeFile間的數據不是全局有序的。

這樣有的好處就是：不管主鍵是否連續，所有的插入一律變成順序寫，大大提高了寫入性能。

看到這里大家可能會有一個疑問：這種寫入方式導致了一條記錄如果不是一次性插入，很可能分散在不同的storeFile中，那在該region上面查詢一條記錄時，怎么知道去找哪個storeFile呢?答案就是：全部查詢。HBase會采用多路歸并的方式，對該region上的所有storeFile進行查詢，直到找到符合條件的記錄。所以HBase的擁有很好的寫入性能，但是讀性能較差。

當然HBase也做了很多優化，比如每個storeFile都有自己的index、用于過濾的bloom filter、compaction：按可配置的方式將多個storeFile合并成一個，減少檢索時打開的文件數。

3.更新 & 刪除

HBase將更新和刪除也全部看做插入操作，用timestamp和delete marker來區分該記錄是否是最新記錄、是否需要刪除。也正是因為這樣，除了查詢，其他的操作統一轉換成了順序寫，保證了HBase高效的寫性能。

4.3 ES

ES的也是一個分布式系統，與ES類似的還有一個叫Solr的項目，都是基于Lucene的全文檢索分布式框架，有興趣的可以去Lucene官網了解，這里就不做對比了。

上如展示了ES和傳統數據庫的概念對比。下面的介紹中，統一使用index對應DB中table，doc對應table中的記錄，field對應row中的一列。

ES集群由一個或多個node組成，一個node即為一個ES服務進程。一個index由多個分片shard組成，shard分散在各個node上面，每個shard都采用Lucene來創建倒排索引，維護各自的索引數據。

圖中的一個小方框即為一個shard，出于容災考慮，每個shard都會有多副本，副本個數可以配置，默認為2，綠色的即為primary shard，灰色的即為replica shard。

1.插入

先來說說寫入吧，由于有多個shard，請求過來時，如何判斷寫入到哪個shard呢，ES中每個doc都會有一個唯一id，默認會對id取hash值，根據shard的個數mode到對應的shard上，默認情況下shard中的數據id不是全局有序的，這點和Mysql、HBase有很大區別。

ES的寫入和HBase有些類似，也是將所有的寫操作變成順序寫，也是先將數據寫入內存，然后一段時間后會將內存數據flush到磁盤，磁盤的索引文件會定時進行merge，保證索引文件不會過多而影響檢索性能。

另外提一點,數據存入ES后并不是立馬就能檢索到，這點跟MySQL和HBase，或者說跟數據庫系統是完全不一樣的。主要是因為由于Inverted Index結構的復雜，需要一個專門的indexReader來查詢數據，但是indexReader是以snapshot的方式打開的索引，也就是說indexReader看不到之后的新數據。所以ES提供了一個refresh功能，refresh會重新打開indexReader，使其能夠讀到最新的數據。默認refresh的間隔是1s，所以ES自稱是近實時檢索功能。

說到順序寫,這時候大家可能會想：那ES的寫入速度和HBase差不多嘍?那，其實不是的，不止不如而且差的還不是一點點，因為ES多了兩個最關鍵的步驟：build index和refresh index!這兩個過程是很耗時的: build index時需要分詞、計算權重等復雜的操作(對inverted index創建，檢索感興趣的，可以參考《信息檢索導論》)。而refresh會重新打開index,這兩個過程加起來導致ES接收文檔的速率并不高(可以通過bulk方式來加快數據導入)。但也正是因為這些過程才使ES有強大的檢索功能。(雖然我insert慢，但是我花樣多呀^ ^)

2.讀取

每個node都可以接收讀request，然后該node會把request分發到含有該index的shard的節點上，對應的節點會查詢、并計算出符合條件的文檔，排序后結果匯聚到分發request的node(所以查詢請求默認會輪循的將發送到各個節點上，防止請求全部打到一個節點)，由該node將數據返回給client。(ES也支持指定shard查詢，默認是根據文檔id進行路由，相當于主鍵查詢，但是假如不能確定數據在哪個shard上時，還是需要查詢所有shard)

這里要強調一下，由于ES支持全文檢索，根據Inverted Index的特性，大部分情況下，一個關鍵字對應了很多的doc，如果全部返回，數據量較大，會對集群造成較大壓力，所以ES默認只返回權重最高的前20條記錄(可配置)，也可以通過scroll功能獲取全部數據。類似的場景跟我們平時使用baidu、google是一樣的，我們使用搜索引擎時，往往是希望得到關聯性最強的top N文檔，并不關心全部文檔有多少個，這也是為什么要計算權重的原因。

現在的ES的功能越來越豐富，不僅僅包含全文檢索的功能，而且還有統計分析等功能，說它是全文檢索框架吧，它比全文檢索功能要豐富，說它是數據庫吧，但是它不支持事務，只能說現在各個框架之間的界限越來越模糊了。

3.更新 &刪除

ES的更新和刪除和HBase類似，也是全部看做是插入操作，通過timestamp和delete marker來區分。

又到了問題環節 :D ：既然這種將更新刪除統一變成順序寫的方式能夠提高寫性能，那它難道沒有什么壞處嗎?

答案是肯定有的呀，這種方式能夠有效的提升寫性能，但是存在一個很大的問題就是后臺經常會需要merge，而merge是一個非常耗資源的過程，對于某些穩定性要求較高的業務來說，這是不能接受的，但是不merge的話，又會降低查詢性能(過多的小文件影響查詢性能)。目前通用的做法是盡量選擇業務低峰期進行merge操作。

5、使用場景

說了這么多，其實還是希望對MySQL，HBase，ES各自的實現做下對比，方便我們根據業務特點選擇最合適的存儲、檢索方案。下面說一下筆者在工作中使用的經驗：

5.1 MySQL

MySQL在三款中最為成熟，而且支持事務，支持二級索引，容災備份方案也最為成熟，所以線上核心業務Mysql是不二之選(當然如果不差錢，Oracle也挺不錯，而且出問題自己解決不了的話，打電話就可以了，手動斜眼)。

5.2 HBase

HBase因為其強大的寫入能力和水平擴展能力，比較適合存儲日志，用戶行為等數據量比較大的數據，這種數據一般不涉及事務級別的讀寫，對二級索引的需求也不是很高。而且HBase的主鍵不像Mysql，往往是涉及到業務邏輯的，如果查詢條件單一的話，可以把直接把需要查詢的字段作為主鍵的一部分，類似MySQL的聯合索引，來提供檢索功能。

5.3 ES

ES現在不僅提供全文檢索，還提供統計功能，并且提供的Restful接口非常好用，配上Kibana還可以進行圖形化展示，第三方插件也很豐富。雖然ES可以水平擴展，但是考慮到ES的大部分檢索都會檢索該index的所有shard，如果單個index數據過大，性能多少也會受到影響，所以單個index的大小最好控制在一定的范圍，比如存儲用戶行為日志的index，可以每隔一段時間歸一次檔，創建新的index，做到冷熱分離。而且ES也可以作為MySQL或HBase的索引來使用，雖然Mysql也有索引功能，但是過多的索引往往會拖累MySQL的性能，并且線上MySQL數據庫一般也不允許執行統計類的sql，這時可以用ES輔助實現統計，HBase因為只有主鍵檢索，所以更需要二級索引的功能。

舉一個筆者前司組合使用的場景：trace系統的log數據以HBase作為主要存儲，同時最近三個月的數據也在ES里面保留一份，ES主要用來完成各種復雜檢索、統計。但數據同步需要業務自己實現，當然trace業務對一致性要求不那么高，也可以忽略這個問題。

tip：將數據庫的數據向ES中同步的時候，因為網絡延遲等問題，到達的順序可能會亂序，這時老數據有可能會覆蓋新的數據，ES提供了一個version功能，可以將數據的timestamp作為version值，防止舊version的數據覆蓋新version的數據。

總結

傳統的關系型數據庫有著強大的事物處理能力，滿足了大部分線上業務需求，但是水平擴展性一直是一個頭疼的問題，NoSql數據庫雖然解決了水平擴展問題，但是功能太單一，現在越來越多的公司開始著手研究新一代NewSQL數據庫，結合了關系型數據庫的優點外還擁有水平擴展能力，比如淘寶的Oceanbase，PingCAP的TiDB，國外的CockroachDB，讓我們做好擁抱NewSQL的準備吧。