NoSQL数据库期末复习指南：核心概念与实操要点全解析

一、NoSQL数据库基础概念

1.1 NoSQL的定义与核心特征

NoSQL（Not Only SQL）数据库以非关系型数据模型为核心，突破了传统关系型数据库的ACID（原子性、一致性、隔离性、持久性）约束，强调水平扩展性、高可用性和灵活的数据模型。其核心特征包括：

• Schema-free：无需预定义表结构，支持动态字段扩展。
• 分布式架构：通过数据分片（Sharding）实现横向扩展。
• 最终一致性：允许短时间内数据不一致，优先保障系统可用性。
• 多模型支持：涵盖键值、文档、列族、图等多种数据结构。

1.2 NoSQL的四大分类

类型	代表数据库	适用场景	数据模型示例
键值型	Redis, Riak	缓存、会话存储	{"key": "user123", "value": {...}}
文档型	MongoDB, CouchDB	内容管理系统、日志分析	{"_id": 1, "name": "Alice", "tags": ["dev", "data"]}
列族型	HBase, Cassandra	时间序列数据、高吞吐写入	{"row_key": "20230101", "column_family": {"temp": 25.5}}
图数据库	Neo4j, ArangoDB	社交网络、推荐系统	(Alice)-[FRIEND]->(Bob)

二、核心理论与技术要点

2.1 CAP定理与BASE模型

• CAP定理：分布式系统无法同时满足一致性（Consistency）、可用性（Availability）、分区容错性（Partition Tolerance），需根据业务场景权衡。
  • CP型（如HBase）：优先保证一致性，牺牲可用性。
  • AP型（如Cassandra）：优先保证可用性，允许最终一致性。
• BASE模型：通过软状态（Basically Available）、柔性事务（Soft State）、最终一致性（Eventually Consistent）实现高可用。

2.2 数据分片与复制策略

• 分片键（Shard Key）设计：
  • 避免热点：选择高基数字段（如用户ID）而非低基数字段（如性别）。
  • 示例：MongoDB中按user_id哈希分片：

    sh.addShard("shard0001/host1:27017,host2:27017");
    sh.enableSharding("mydb");
    sh.shardCollection("mydb.users", { "user_id": "hashed" });

• 复制集（Replica Set）：
  • 主从架构：主节点处理写操作，从节点同步数据。
  • 故障转移：选举机制确保主节点失效时快速切换。

2.3 一致性模型对比

模型	定义	适用场景
强一致性	所有副本同步更新后返回成功	金融交易、库存管理
最终一致性	副本异步更新，最终达成一致	社交媒体、评论系统
会话一致性	同一客户端会话内保证一致性	电商购物车、用户会话管理
因果一致性	保证因果关系的操作顺序一致（如A依赖B）	协作编辑、实时聊天

三、主流NoSQL数据库实操要点

3.1 MongoDB文档数据库

• 索引优化：
  • 单字段索引：db.users.createIndex({ "email": 1 })
  • 复合索引：db.orders.createIndex({ "customer_id": 1, "date": -1 })
  • 文本索引：db.articles.createIndex({ "content": "text" })
• 聚合框架：

  db.sales.aggregate([
    { $match: { date: { $gte: ISODate("2023-01-01") } } },
    { $group: { _id: "$product", total: { $sum: "$amount" } } },
    { $sort: { total: -1 } }
  ]);

3.2 Redis键值存储

• 数据结构应用：
  • String：计数器、缓存（SET username "Alice" EX 3600）
  • Hash：存储对象（HSET user:123 name "Alice" age 30）
  • Sorted Set：排行榜（ZADD leaderboard 1000 "Alice"）
• 持久化策略：
  • RDB：快照备份（save 60 10000表示60秒内10000次修改触发备份）
  • AOF：日志追加（appendfsync always保证最高可靠性）

四、期末考试备考策略

4.1 重点题型解析

• 设计题：根据业务场景选择NoSQL类型。
  • 示例：设计一个电商订单系统，需支持高并发写入和复杂查询。
    • 方案：MongoDB文档存储订单详情，Redis缓存热销商品数据。
• 故障排查题：分析分片不均衡或复制延迟问题。
  • 步骤：
    1. 检查sh.status()查看分片分布。
    2. 使用mongotop监控I/O负载。
    3. 调整分片键或增加分片节点。

4.2 易错点提醒

• 分片键选择：避免使用单调递增字段（如时间戳），否则会导致热点分片。
• 事务边界：MongoDB 4.0+支持多文档事务，但需控制事务范围（建议<1000个操作）。
• Redis内存管理：设置maxmemory策略（如allkeys-lru）防止内存溢出。

五、扩展学习资源

1. 官方文档：MongoDB University、Redis Labs教程。
2. 实践工具：Docker部署本地集群（docker-compose up -d mongo-shard1）。
3. 案例分析：研究Twitter图数据库架构、Netflix推荐系统设计。

通过系统掌握上述知识点，考生可全面应对NoSQL数据库期末考试，同时为实际项目开发奠定坚实基础。