1. 一般什么产品或者系统或网站会使用K/V数据库型数据库呢
KV型存储系统是最常用的NoSQL存储系统之一。Memcached和Redis是其最具代表的两个产品。本文将详细介绍Memcached和Redis的常用场景及如何构建一个高可用和自动弹性伸缩的KV存储系统。
Cache加DB是最常见的存储层架构。时间局部性原理指出正在被访问的数据很可能会在近期再次被访问。根据这一原理应用程序将最近访问过的数据保存在Cache中，每次读取请求首先访问Cache，若Cache中保存有该数据则直接获取数据返回给前端。若Cache中该数据不存在则从DB获取数据并将该数据保存到Cache；若数据被更新或删除则将Cache中对应数据置为失效。使用Cache能够很好地缓解DB的读请求压力。KV存储系统既可以应用在Cache层也可以应用在DB层。
Memcached使用内存作为存储介质，因为内存数据的易失性Memcached主要应用在Cache层。Memcached常见的应用场景是存储一些读取频繁但更新较少的数据，如静态网页、系统配置及规则数据、活跃用户的基本数据和个性化定制数据、准实时统计信息等。并不是所有场景都适合Memcached加DB的架构，在某些场景下这一架构存在一些局限。例如这一架构不能提升写的性能，写数据时还是数据直接存储到DB，同时需要将Cache中数据置为失效，所以对以写请求为主的应用使用Cache提升性能的效果并不是很明显。如果应用的热点数据或者活跃用户分布较为分散也会降低Cache的命中率。如果遇到机器宕机，内存数据会丢失，那么机器重启后需要一段时间重新建立热点数据，建立热点数据的过程中会对DB会造成较大的压力，严重时会导致系统雪崩。
相比Memcached，Redis做了一些优化。首先，Redis对数据做了持久化，支持AOF和RDB两种持久化方式，机器重启后能通过持久化数据自动重建内存。其次，Redis支持主从复制，主机会自动将数据同步到从机，可以进行读写分离，主机负责写操作，从机负责读操作。那样既增加了系统的读写性能又提升了数据的可靠性。再次，Redis除了支持string类型的value外还支持string、hash、set、sorted set、list等类型的数据结构。因此，Redis既可以应用在Cache层，也可以替换或者部分替换DB存储持久化数据。使用Redis作为Cache时机器宕机后热点数据不会丢失，无须像Memcached一样重建热点数据。相比Cache加DB的架构方式，使用Redis存储持久化数据不仅能够提升读性能，还能提升写性能，而且不存在热点数据分布是否集中而影响命中率的问题。Redis丰富的数据结构也使其拥有更加丰富的应用场景。Redis的命令都是原子性的，可以简单地利用INCR和DECR实现计数功能。使用list可以实现获取最近N个数的操作。sort set支持对数据排序，可以应用在排行榜中。set集合可以应用到数据排重。Redis还支持过期时间设置，可以应用到需要设定精确过期时间的应用。只要可以使用Redis支持的数据结构表示的场景，就可以使用Redis进行存储。但Redis不是万能的，它不支持关系型数据库复杂的SQL操作。某些场景下，可结合Redis和关系型DB，将简单查询相关的数据保存在Redis中，复杂SQL操作由关系型DB完成。
虽然Redis集很多优点于一身，但在实际运营中也存在一些问题。首先，Redis不具备自动容错和恢复功能，主机从机的宕机都会导致前端部分读写请求失败，需要等待机器重启或者手动切换前端的IP才能恢复。如果主机宕机，宕机前有部分数据未能及时同步到从机，切换IP后还会引入数据不一致的问题，降低了系统的可用性。其次，Redis的主从复制采用全量复制，复制过程中主机会fork出一个子进程对内存做一份快照，并将子进程的内存快照保持为文件发送给从机，这一过程需要确保主机有足够多的空余内存。若快照文件较大，对集群的服务能力会产生较大的影响，而且复制过程是在从机新加入集群或者从机和主机网络断开重连时都会进行，也就是网络波动都会造成主机和从机间的一次全量的数据复制，这对实际的系统运营造成了不小的麻烦。最后，Redis较难支持在线扩容，在集群容量达到上限时在线扩容会变得很复杂。为避免这一问题，运维人员在系统上线时必须确保有足够的空间，这对资源造成了很大的浪费。
2. 数据库有哪些
数据库有：
1、MySQL
MySQL是一个关系型数据库管理系统，由瑞典MySQL AB公司开发，属于Oracle旗下产品。MySQL是最流行的关系型数据库管理系统之一，在WEB应用方面，MySQL是最好的RDBMS(Relational Database Management System，关系数据库管理系统）应用软件之一。
2、Oracle
Oracle开发的关系数据库产品因性能卓越而闻名，Oracle数据库产品为财富排行榜上的前1000家公司所采用，许多大型网站也选用了Oracle系统，是世界最好的数据库产品。
3、SqlServer
SQL Server是由Microsoft开发和推广的关系数据库管理系统（DBMS），它最初是由Microsoft、Sybase和Ashton-Tate三家公司共同开发的，并于1988年推出了第一个OS/2版本。
4、SQLite
SQLite，是一款轻型的数据库，是遵守ACID的关系型数据库管理系统，它包含在一个相对小的C库中。它是D.RichardHipp建立的公有领域项目。
5、INFORMIX
Informix是IBM公司出品的关系数据库管理系统（RDBMS）家族。作为一个集成解决方案，它被定位为作为IBM在线事务处理（OLTP）旗舰级数据服务系统。
6、Redis
Redis（Remote Dictionary Server )，即远程字典服务，是一个开源的使用ANSIC语言编写、支持网络、可基于内存亦可持久化的日志型、Key-Value数据库，并提供多种语言的API。
7、MongoDB
MongoDB是一个基于分布式文件存储的数据库。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。是非关系数据库当中功能最丰富，最像关系数据库的。
8、HBase
HBase是一个分布式的、面向列的开源数据库，该技术来源于Fay Chang所撰写的Google论文“Bigtable：一个结构化数据的分布式存储系统”。就像Bigtable利用了Google文件系统（File System）所提供的分布式数据存储一样，HBase在Hadoop之上提供了类似于Bigtable的能力。
9、Neo4J
Neo4j是一个高性能的，NOSQL图形数据库，它将结构化数据存储在网络上而不是表中。它是一个嵌入式的、基于磁盘的、具备完全的事务特性的Java持久化引擎，但是它将结构化数据存储在网络（从数学角度叫做图）上而不是表中。10、CouchDB
10、CouchDB
CouchDB是一个开源的面向文档的数据库管理系统，可以通过 RESTful JavaScript Object Notation (JSON) API 访问。它反映了 CouchDB 的目标具有高度可伸缩性，提供了高可用性和高可靠性，即使运行在容易出现故障的硬件上也是如此。
3. redis是什么数据库
redis是一个key-value存储系统。和Memcached类似，它支持存储的value类型相对更多，包括string(字符串)、list(链表)、set(集合)、zset(sorted set --有序集合)和hash（哈希类型）。这些数据类型都支持push/pop、add/remove及取交集并集和差集及更丰富的操作，而且这些操作都是原子性的。在此基础上，redis支持各种不同方式的排序。与memcached一样，为了保证效率，数据都是缓存在内存中。区别的是redis会周期性的把更新的数据写入磁盘或者把修改操作写入追加的记录文件，并且在此基础上实现了master-slave(主从)同步。
Redis 是一个高性能的key-value数据库。 redis的出现，很大程度补偿了memcached这类key/value存储的不足，在部 分场合可以对关系数据库起到很好的补充作用。它提供了Java，C/C++，C#，PHP，JavaScript，Perl，Object-C，Python，Ruby，Erlang等客户端，使用很方便。[1]
Redis支持主从同步。数据可以从主服务器向任意数量的从服务器上同步，从服务器可以是关联其他从服务器的主服务器。这使得Redis可执行单层树复制。存盘可以有意无意的对数据进行写操作。由于完全实现了发布/订阅机制，使得从数据库在任何地方同步树时，可订阅一个频道并接收主服务器完整的消息发布记录。同步对读取操作的可扩展性和数据冗余很有帮助。
redis的官网地址，非常好记，是redis.io。（域名后缀io属于国家域名，是british Indian Ocean territory，即英属印度洋领地），Vmware在资助着redis项目的开发和维护。
4. Redis百亿级Key存储设计方案
该应用场景为DMP缓存存储需求，DMP需要管理非常多的第三方id数据，其中包括各媒体cookie与自身cookie（以下统称supperid）的mapping关系，还包括了supperid的人口标签、移动端id（主要是idfa和imei）的人口标签，以及一些黑名单id、ip等数据。
在hdfs的帮助下离线存储千亿记录并不困难，然而DMP还需要提供毫秒级的实时查询。由于cookie这种id本身具有不稳定性，所以很多的真实用户的浏览行为会导致大量的新cookie生成，只有及时同步mapping的数据才能命中DMP的人口标签，无法通过预热来获取较高的命中，这就跟缓存存储带来了极大的挑战。
经过实际测试，对于上述数据，常规存储超过五十亿的kv记录就需要1T多的内存，如果需要做高可用多副本那带来的消耗是巨大的，另外kv的长短不齐也会带来很多内存碎片，这就需要超大规模的存储方案来解决上述问题。
人⼝标签主要是cookie、imei、idfa以及其对应的gender（性别）、age（年龄段）、geo（地域）等；mapping关系主要是媒体cookie对supperid的映射。以下是数据存储⽰示例：
媒体编号-媒体cookie=>supperid
supperid => { age=>年龄段编码，gender=>性别编码，geo=>地理位置编码 }
imei or idfa => { age=>年龄段编码，gender=>性别编码，geo=>地理位置编码 }
显然PC数据需要存储两种key=>value还有key=>hashmap，⽽而Device数据需要存储⼀一种
key=>hashmap即可。
存储吃紧的一个重要原因在于每天会有很多新数据入库，所以及时清理数据尤为重要。主要方法就是发现和保留热数据淘汰冷数据。
网民的量级远远达不到几十亿的规模，id有一定的生命周期，会不断的变化。所以很大程度上我们存储的id实际上是无效的。而查询其实前端的逻辑就是广告曝光，跟人的行为有关，所以一个id在某个时间窗口的（可能是一个campaign，半个月、几个月）访问行为上会有一定的重复性。
数据初始化之前，我们先利用hbase将日志的id聚合去重，划定TTL的范围，一般是35天，这样可以砍掉近35天未出现的id。另外在Redis中设置过期时间是35天，当有访问并命中时，对key进行续命，延长过期时间，未在35天出现的自然淘汰。这样可以针对稳定cookie或id有效，实际证明，续命的方法对idfa和imei比较实用，长期积累可达到非常理想的命中。
Hash表空间大小和Key的个数决定了冲突率（或者用负载因子衡量），再合理的范围内，key越多自然hash表空间越大，消耗的内存自然也会很大。再加上大量指针本身是长整型，所以内存存储的膨胀十分可观。先来谈谈如何把key的个数减少。
大家先来了解一种存储结构。我们期望将key1=>value1存储在redis中，那么可以按照如下过程去存储。先用固定长度的随机散列md5(key)值作为redis的key，我们称之为BucketId，而将key1=>value1存储在hashmap结构中，这样在查询的时候就可以让client按照上面的过程计算出散列，从而查询到value1。
过程变化简单描述为：get(key1) -> hget(md5(key1), key1) 从而得到value1。
如果我们通过预先计算，让很多key可以在BucketId空间里碰撞，那么可以认为一个BucketId下面挂了多个key。比如平均每个BucketId下面挂10个key，那么理论上我们将会减少超过90%的redis key的个数。
具体实现起来有一些麻烦，而且用这个方法之前你要想好容量规模。我们通常使用的md5是32位的hexString（16进制字符），它的空间是128bit，这个量级太大了，我们需要存储的是百亿级，大约是33bit，所以我们需要有一种机制计算出合适位数的散列，而且为了节约内存，我们需要利用全部字符类型（ASCII码在0~127之间）来填充，而不用HexString，这样Key的长度可以缩短到一半。
下面是具体的实现方式
参数bit决定了最终BucketId空间的大小，空间大小集合是2的整数幂次的离散值。这里解释一下为何一个字节中只有7位可用，是因为redis存储key时需要是ASCII（0~127），而不是byte array。如果规划百亿级存储，计划每个桶分担10个kv，那么我们只需2^30=1073741824的桶个数即可，也就是最终key的个数。
碎片主要原因在于内存无法对齐、过期删除后，内存无法重新分配。通过上文描述的方式，我们可以将人口标签和mapping数据按照上面的方式去存储，这样的好处就是redis key是等长的。另外对于hashmap中的key我们也做了相关优化，截取cookie或者deviceid的后六位作为key，这样也可以保证内存对齐，理论上会有冲突的可能性，但在同一个桶内后缀相同的概率极低(试想id几乎是随机的字符串，随意10个由较长字符组成的id后缀相同的概率*桶样本数=发生冲突的期望值<<0.05,也就是说出现一个冲突样本则是极小概率事件，而且这个概率可以通过调整后缀保留长度控制期望值)。而value只存储age、gender、geo的编码，用三个字节去存储。
另外提一下，减少碎片还有个很low但是有效的方法，将slave重启，然后强制的failover切换主从，这样相当于给master整理的内存的碎片。
推荐Google-tcmalloc， facebook-jemalloc内存分配，可以在value不大时减少内存碎片和内存消耗。有人测过大value情况下反而libc更节约。
1）kv存储的量级必须事先规划好，浮动的范围大概在桶个数的十到十五倍，比如我就想存储百亿左右的kv，那么最好选择30bit 31bit作为桶的个数。也就是说业务增长在一个合理的范围（10 15倍的增长）是没问题的，如果业务太多倍数的增长，会导致hashset增长过快导致查询时间增加，甚至触发zip-list阈值，导致内存急剧上升。
2）适合短小value，如果value太大或字段太多并不适合，因为这种方式必须要求把value一次性取出，比如人口标签是非常小的编码，甚至只需要3、4个bit（位）就能装下。
3）典型的时间换空间的做法，由于我们的业务场景并不是要求在极高的qps之下，一般每天亿到十亿级别的量，所以合理利用CPU租值，也是十分经济的。
4）由于使用了信息摘要降低了key的大小以及约定长度，所以无法从redis里面random出key。如果需要导出，必须在冷数据中导出。
5）expire需要自己实现，目前的算法很简单，由于只有在写操作时才会增加消耗，所以在写操作时按照一定的比例抽样，用HLEN命中判断是否超过15个entry，超过才将过期的key删除，TTL的时间戳存储在value的前32bit中。
6）桶的消耗统计是需要做的。需要定期清理过期的key，保证redis的查询不会变慢。
人口标签和mapping的数据100亿条记录。
优化前用2.3T，碎片率在2左右；优化后500g，而单个桶的平均消耗在4左右。碎片率在1.02左右。查询时这对于cpu的耗损微乎其微。
另外需要提一下的是，每个桶的消耗实际上并不是均匀的，而是符合多项式分布的。
上面的公式可以计算桶消耗的概率分布。公式是唬人用的，只是为了提醒大家不要想当然的认为桶消耗是完全均匀的，有可能有的桶会有上百个key。但事实并不没有那么夸张。试想一下投硬币，结果只有两种正反面。相当于只有两个桶，如果你投上无限多次，每一次相当于一次伯努利实验，那么两个桶必然会十分的均匀。概率分布就像上帝施的魔咒一样，当你面对大量的桶进行很多的广义的伯努利实验。桶的消耗分布就会趋于一种稳定的值。接下来我们就了解一下桶消耗分布具体什么情况：
通过采样统计
31bit（20多亿）的桶，平均4.18消耗
100亿节约了1.8T内存。相当于节约了原先的78%内存，而且桶消耗指标远没有达到预计的底线值15。
对于未出现的桶也是存在一定量的，如果过多会导致规划不准确，其实数量是符合二项分布的，对于2 30桶存储2 32kv，不存在的桶大概有（百万级别，影响不大）：
Math.pow((1 - 1.0 / Math.pow(2, 30)), Math.pow(2, 32)) * Math.pow(2, 30);
对于桶消耗不均衡的问题不必太担心，随着时间的推移，写入时会对HLEN超过15的桶进行削减，根据多项式分布的原理，当实验次数多到一定程度时，桶的分布就会趋于均匀（硬币投掷无数次，那么正反面出现次数应该是一致的），只不过我们通过expire策略削减了桶消耗，实际上对于每个桶已经经历了很多的实验发生。
总结：信息摘要在这种场景下不仅能节约key存储，对齐了内存，还能让Key按照多项式分布均匀的散列在更少量的key下面从而减少膨胀，另外无需在给key设置expire，也很大程度上节约了空间。
这也印证了时间换空间的基本理论，合理利用CPU租值也是需要考虑的。
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