传统数据库没落，OLTP新型数据库发展火热

參考资料：

(1) 《OLTP Through the Looking Glass, and What We Found There》

(2) 《The End of an Architectural Era》。VLDB 2007

越来越多的程序猿開始做移动App的开发，真正做底层系统开发的程序猿还是少数。看到国内数据库系统发展的资料不是非常多，我也把自己对当前数据库系统发展的认识写成博文， 和大家分享，希望能够互相学习。

数据库系统的最近发展和分类

随着操作系统发展趋于稳定（不包含移动端OS），越来越的的研究集中在数据库系统的发展上，没有多少人说要又一次做一个操作系统，很多其它的人是在现有的OS上做各式各样的应用。可是过去的10年，是数据库井喷式发展的阶段，各式各样的产品迸发出来，比如文件存储数据库（如MongoDB），列存储数据库（如Vertica）， 各种NewSQL数据库（如VoltDB）。之全部有如此的发展，归结于数据量不断高速膨胀，传统数据库在大数据上的处理性能不能满足需求等。

人们趋于去开发针对不同应用类型的数据库，来满足对特定数据处理的需求。在操作系统上开发数据库系统应用非常像是在开发移动App一样。出现了蓬勃似得发展。因为当下Big
Data依然是很火热的话题。在未来的一段时间内。提供底层数据管理服务的数据库，仍旧会是计算机发展比較快的领域之中的一个。

很多人会把数据库系统和其它某些概念混淆在一起，事实上数据库作为一个大的系统。就对眼下市场上产品来讲，能够分好多类：

1. 关系型数据库管理系统（Relational DBMS），比如：Oracle，SQL Server, MySQL。 PostgreSQL

2. 键-值 存储，比如：Redis。Memcached, DynamoDB

3. 文件存储，比如：MongoDB，CouchDB，Couchbase

4. 大数据存储系统, 比如：Cassandra，HBase。Google's Bigtable

5. 基于Hadoop的数据分析系统。比如：Hive，Spark。Impala（第四类和第五类，多多少少有些交叉。）

6. 文本查询系统, 比如：Solr, Elasticsearch.

除了上面的常见类型，还有其它非常多小分支，如图形数据库，对象数据库等。这里不作为讨论的重点。 本文主要探讨第一类传统关系型数据库系统（RDBMS）。

不同类型的数据库，适用于不同的需求，他们之间有相似也有不同。

作为第一类传统关系型数据系统。与其它类型数据库最明显的差别有几点：A）支持全部SQL语句。B）支持事务（Transaction）的ACID属性。

第二类和第三类就不具备的特点A和B，第四类和第五类大多不支持A和B。即使其它类别支持A或B。也是和RDBMS所支持的A，B有非常大不同。对于A而言。其它类别数据库也仅仅是支持某些SQL的子集。而不是整个SQL标准，或者说是较老的SQL标准，比方SQL92+。

对于B而言，不是在Row级别支持全部事务的ACID属性，那些eventually
consistency什么的，都是商业宣传词汇。事实上就是no consistency。

这里并非说其它类别的数据库不好。仅仅是我们进入了一个数据库多元化的时期。不同的数据库都有自己的特点和擅长的地方，不可一概而论。比方对于Consistency来言，银行的业务就须要strong consistency，确保资金出入正确，而微博这样的应用能够舍弃一些consistency来换取系统高吞吐量。用户不是很关心是否能即使（比方时间延误小于2秒）看到朋友的微博状态。

传统关系型数据库系统系统依据应用还能够大致分为两类：OLTP（Online Transaction Processing）和OLAP（Online analytical processing）。当中OLTP处理并发，多线程管理等事务，OLAP用于大量数据分析，是BI（Business Intelligence）的一部分。第一类的关系型数据库系统大都包括了OLTP和OLAP的功能，属于通用型的数据库。下文也着重讨论OLTP类型的数据库。

传统关系型数据库性能分析及瓶颈

近些年有关传统数据库性能的分析，已经有非常多非常多。

我个人比較看好惠普HP和麻省理工大学MIT联合研究出的一片文献《OLTP Through the Looking Glass, and What We Found There》。简单的讲，他们的对当代数据库进行了解刨式地分析。得出结论：传统关系通用型数据库，仅仅有10%左右的时间是处理有效数据。剩下90%的时间都浪费在其它辅助工作上：Buffer manager，Latching，Locking。logging，Btree keys等。

上图这是他们跑TPC-C benchmark得出不同数据库部分的性能图标，左側为指令的百分比。右側为CPU cycle（即CPU运行时间）的百分比。白色部分为真正实用的数据处理，剩下的都是传统数据库不可或缺的部分，可是消耗了大量的资源。由上图所看到的，缓存管理和锁，门闩和日志都是传统关系型数据库实际较大的开销。

传统数据库的性能缺陷一直没有提到大家的日程上，主要还是由于在过去数据量太小的缘故。随着近10年因特网的发展，尤其是近5年移动端应用爆炸式的涌现，数据量也在井喷式的增长。

在当代，谁能处理好大数据，谁能挖掘Big data的商业价值。谁就能赚到钱。

不少科技公司的竞争，就是数据处理能力的竞争。

这也是为什么近10年涌现出非常多NoSQL的数据库和NewSQL的数据库。NoSQL发展的早些，现有非常多知名的系统，比如Google的Big Table，Amazon的DynamoDB，Apache的HBase，Cassandra等。NewSQL系统出现的晚于NoSQL大概5,6年吧。如今流行的有VoltDB，NuoDB。Clustrix等。

他们的共同点都是解决大数据的处理性能问题，不同点是NewSQL系统，旨在解决NoSQL不支持标准SQL语言和事务Transaction不全支持ACID属性的特点。

换句话说，NewSQL的功能要比NoSQL更加全面，更加兼容传统数据。

好多人想问，为什么市面上流行的数据库居然如此差。设计成这个样子？难道大家都错了吗？事实上这个问题非常easy，传统数据库开发得非常早，最早可追述到上世纪七八十年代。距今至少也有30个年头了。这样的数据库系统实际架构和模式，是由当时总体计算机硬件水平和理论水平而决定的。

近些年硬件发展速度相当迅猛，不管是从Disk/RAM的大小到价格，还是CPU的性能和多核（Multi-core）技术等，比起30年前，都有飞跃式的发展。虽然摩尔定律这两年半导体技术发展的增长速度已经放缓，可是还在不断进步。再者就是由于。30年前数据库的应用非常单一非常easy，经过这么多年的发展，我们的实际的数据处理需求也在不断多样化。传统数据库也随之不断地添加不同的功能，使之越来越庞大。

新型OLTP数据库的架构

为了去除传统数据库的性能瓶颈。MIT大学的研究者，依据当前的硬件水平，全然又一次设计了数据库，而不在之前的传统数据库上进行微笑更改。

当代新型数据库也来越注重分布式scale out。而传统数据库则还在提高单台机器的处理能力scale up。对于普通用户来讲，不可能像大型企业一样资金雄厚。购买价格昂贵的大型机和数据库软件。

假设要对数据进行备份，做到High Avaliability的话，就须要至少再购买并执行一个副本。

新型OLTP数据库解决方式：

数据库系统的更改目的	新型OLTP数据库技术
去除logging开销	使用新型logging
去除locking，latching等开销	数据分区 + 单线程运行
去除buffer manager开销	使用内存，代替磁盘读写

依据相关学者研究的结果看。去除这些重大开销后。OLTP关系型数据库Transaction的吞吐量提高了至少20倍。