摘自：《信息与电脑》杂志2011年3月刊 数据库技术
栾志高 张吉
（中博信息技术研究院有限公司 信息应用院，江苏南京210012）
摘 要：本文介绍了Tokyo Cabinet内存数据库和配套的Tokyo Tyrant数据库接口。结合电子商务网站新技术背景，分析了这种内存数据库的高并发性、负载均衡和故障转移等特性，以及应用前景和优点。
关键词：Tokyo Cabinet；Tokyo Tyrant；内存数据库；Web 2.0；高并发性；电子商务
中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1003-9767（2011）03-0092-02
1. 引言
随着Web 2.0概念的不断发展，电子商务网站更倾向于友好的用户体验。随之改变的设计思路是将用户的操作切割成更细的颗粒操作，并辅助以Ajax、延迟加载、局部刷新等一系列技术手段。通过优化用户的视觉观感和操作体验，改善用户的购物体验，并有效刺激用户消费。
在这种思路的指引下，对网站系统的设计要求也变得更高。相对于同样的用户访问量，细化操作颗粒，一方面会降低数据库操作的单次数据流量，另一方面，将对数据库产生更频繁的请求，并发请求将变得更大。在一般情况下，数据库的并发能力是相对固定的，虽然可以通过提升硬件性能或负载均衡等方式来提升，但是会增加系统的复杂程度和投入成本。因此，基于这样的背景，内存数据库的使用变得日益重要。通过内存数据库的高并发能力以及负载均衡等特性，不仅可以有效提升电子商务网站的性能，提升用户体验，还可以在节约成本的前提下有效提高系统的可靠性。
2. Tokyo Cabinet内存数据库
2.1 什么是内存数据库
内存数据库抛弃了磁盘数据管理的传统方式，基于全部或大部分数据都在内存中这样的理念，重新设计了体系结构，并且在数据缓存、快速算法、并行操作方面也进行了相应的改进，所以数据处理速度比传统数据库的数据处理速度要快很多，一般都在10倍以上。
2.2 内存数据库 Tokyo Cabinet
内存数据库Tokyo Cabinet是基于C/C++的开源项目。它包括两个重要的组成部分。一个是数据库内核Tokyo Cabinet和数据库接口Tokyo Tyrant。
Tokyo Cabinet是一种DBM数据库，数据是由一系列key-value所组成。它包括了六种数据存储方式，TCHDB（哈希数据库）、TCBDB（B+ Tree数据库）、TCFDB（固定长度的数据库）、TCMDB（内存中的哈希数据库）、TCNDB（内存中的B+ Tree数据库）、TCTDB（表格数据库）。Tokyo Cabinet可以支持每秒10000个并发客户端，以及每秒超过60000次的查询。
Tokyo Tyrant是Tokyo Cabinet的数据库接口，它为应用程序提供了便捷的数据访问服务。它不仅支持Memcached协议，也可以通过HTTP协议进行数据交换。Tokyo Tyrant可以支持每秒10000个并发请求，吞吐量也超过20000qps，更为重要的是它支持通过主从模式来实现负载均衡，以及热备模式来实现故障转移。
3. Tokyo Cabinet在电子商务网站中的应用
接下来我们将讨论一下电子商务网站中Tokyo Cabinet的应用前景和应用方式。
3.1 提高系统的并发性
3.1.1 使用Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant提高吞吐量
在传统的电子商务网站中，更多的采用是三层体系。在数据层中，主要是数据的一次性获取，以及数据级缓存。在业务层和展现层中多采用页面级缓存或静态化等技术。而现在随着延迟加载和AJAX等技术的应用，页面的每一次加载时需要查询数据库的事务数明显增多，并且每次请求所获取的数据流明显减少。这就意味着在单台数据库可以服务的事务数固定的情况下，数据库可以支持的用户数明显减少。正因这样的原因，许多大型的网站，包括电子商务和SNS网站，正在借助内存数据库来大幅提高并发能，而Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant就是很好的选择。
图2中，分析比较了Memcached、MySQL+Memcached和Tokyo Tyrant这三者的TPS（每秒事务数）。MySQL+Memcached是现在很多网站所采用的，MySQL作为后端数据存储，Memcached用于前端数据缓存。在相同线程数的情况下，Tokyo Cabinet+Tokyo Tyrant的TPS约是MySQL+Memcached的2倍左右，略差于纯内存形式的Memcached。考虑到纯内存的Memcached没有数据持久化的功能，Tokyo Tyrant+Tokyo Cabinet在平衡数据存储和并发性能方面做的是比较成功的。
3.1.2 使用负载均衡提高并发
当单台Tokyo Cabinet已经无法满足性能需求时，Tokyo Tyrant提供了更为高级的负载均衡方式。这种模式在传统的MySQL服务器集群中采用的较多，但MySQL的配置较为复杂，而Tokyo Tyrant的配置相对简单。如图3所示，Tokyo Cabinet会通过时间戳来标记数据的版本，通过对Log日志的分发，将增量数据同步到从库中。而应用程序根据操作类型的不同，把写入或读取操作分配在不同的Tokyo Tyrant（主从）上进行。
另外，因为Tokyo Tyrant提供了HTTP协议的接入方式，在许多实际应用中，也有通过Nginx在前端建立负载均衡层，然后通过Nginx将不同操作，如写入或是读取，分配给不同的Tokyo Tyrant，甚至可以做到为不同的从库设置权重，以平衡在负载均衡时所需要承担的压力。这种方式的缺点是因为多了Nginx来实现负载均衡，性能上必然有损失。但优点是对于应用程序来说，任何对Tokyo Tyrant的读写操作都是透明的，不需要关心底层的Tokyo Tyrant的个数和主从分配方式。
3.2 提高系统的可靠性
3.2.1 故障转移模式的应用
Tokyo Tyrant也提供了通过热备方式来实现故障转移，对提高网站的可靠性来说非常有用。
首先客户端通过Memcached协议的addServer方法，向应用程序的服务器池中添加备份Tokyo Tyrant信息。当客户端应用程序通过Memcached协议向活动Tokyo Tyrant发起访问请求后，Memcached协议会判断活动Tokyo Tyrant是否工作正常，并且反馈给客户端。如果活动Tokyo Tyrant出现故障，那么客户端会从服务器池中调用备份Tokyo Tyrant的连接，经备份Tokyo Tyrant来完成相应的操作。而在这种模式中，两台Tokyo Cabinet的数据是自动同步的，所以相对于应用程序来说，是完全透明的。
3.2.2 对大数据文件有可靠支持
Tokyo Cabinet在64位的系统上。可以管理的数据量可以达到8EB，而在32位的系统上。可以管理的数据量可以达到8TB，而且在64位的系统中。单个数据库文件的大小也不仅仅限于2GB，可以更大，而且对于文件写入校验也非常灵活和高效，可以在保证性能的前提下，增加文件的可靠性，防止数据库文件的损坏。
3.3 降低软硬件投入成本
3.3.1 节省购买数据库授权的成本
当前主流数据库包括Oracle、Microsoft SQL Server和MySQL，MySQL有免费版本可供使用，但Oracle和Microsoft SQL Server均要购买授权。一方面，相对于MySQL来说，Tokyo Cabinet在性能方面有较大的优势。另一方面，相对于Oracle和Microsoft SQL Server来说，Tokyo Cabinet可以在保证并发性能的前提下，节省一笔可观的授权费用。
3.3.2 节省DBA的人力成本
从另一个角度来说，许多中小型的电子商务网站，对于数据库的使用仅仅限于一般的应用，换句话说仅仅是数据的存储工具。一般的技术人员在开发的同时，即可对数据库进行简单优化，这些优化已经能满足正常的需求。但是为了深入使用数据库自身的负载均衡、故障转移等功能，需要聘请专门的DBA进行开发、管理和维护。而Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant的维护和应用相当简单，一般的技术人员，经过短期的学习和培训，就可以实现负载均衡和故障转移等功能，甚至可以进行配置优化和二次开发。从这点上来说，把部分数据移植到内存数据库后，在人力成本上并不会有特别的增加。这点对于中小电子商务网站来说非常关键。
3.3.3 复用现有的硬件资源
Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant安装简单，不需要占用很多的系统的资源，而且在运行中自身占用内存和CPU等核心资源非常有限。因此在负载均衡或是故障转移等模式下，可以将从库或备用库安装在一些负载小的多应用服务器上，达到即节省硬件投入又有效提高可用性和可靠性。
3.3.4 开发成本小
Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant是完全的开源项目。当前Tokyo Cabinet提供了包括了C、C++、JAVA、.NET、Ruby、Perl甚至PHP的接口类库。而Tokyo Tyrant更可支持Memcached客户端协议，也可以通过HTTP协议进行数据交换。Memcached协议已经有比较高的认可度，相关的接口类库也很成熟，从这点来说，使用Memcached协议来连接Tokyo Tyrant是非常简易的。因此，在电子商务网站的开发和维护时，可以节省很多研发时间，有效地提高投入产出比。
4. 结论
综上，Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant的组合，构成了一款非常高效的内存数据库。它不仅具备优秀的高并发性能，也具备了一定的高可用性和高可靠性，在系统扩展和维护的简易性上也是可圈可点的。在中小电子商务网站中，可以将常用数据库与Tokyo Cabinet相结合，复杂的业务处理、统计事务等安排在常规数据库上，而将需要进行高速查询的数据分散在内存数据库中，从而使压力得以分散。而且，相对于昂贵的Oracle和Microsoft SQL Server，基于Linux的Tokyo Cabinet和Tokyo Tyrant提供了一种非常好的免费解决方案。
参考文献：
[1] 平林幹雄. Tokyo Cabinet: a modern implementation of DBM, online at: http://fallabs.com/tokyocabinet/
[2] Matt Yonkovit. MySQL-Memcached or NOSQL Tokyo Tyrant – part 3, online at http://www.mysqlperformanceblog.com/2009/10/19/mysql_memcached_tyrant_part3/
本文转自UltraSQL51CTO博客，原文链接：http://blog.51cto.com/ultrasql/1643524 ，如需转载请自行联系原作者
