一、NoSQL数据库基础认知

1.1 NoSQL定义与核心价值

NoSQL（Not Only SQL）是区别于传统关系型数据库的分布式非关系型数据库，其核心价值体现在：

• 高扩展性：通过水平扩展（分布式架构）支持海量数据存储，如MongoDB单集群可处理PB级数据
• 灵活数据模型：支持键值对（Redis）、文档型（MongoDB）、列族（HBase）、图数据库（Neo4j）等多种结构
• 高性能读写：尤其适合高并发场景，Redis单线程模型可实现10万+ QPS
• 容错机制：通过副本集（Replica Set）和分片（Sharding）实现99.99%可用性

典型应用场景包括实时日志分析、用户行为追踪、物联网设备数据存储等。

1.2 主流NoSQL类型对比

类型	代表数据库	适用场景	数据模型示例
键值存储	Redis	会话缓存、排行榜	{"user_id": "1001", "score": 95}
文档存储	MongoDB	内容管理系统、JSON数据存储	{_id:1, title:"NoSQL指南", tags:["db","tech"]}
列族存储	HBase	时序数据、海量结构化数据	表结构：行键+列族+时间戳
图数据库	Neo4j	社交网络、推荐系统	(Alice)-[KNOWS]->(Bob)

二、MongoDB安装与基础操作

2.1 安装配置（Ubuntu 20.04示例）

# 1. 导入公钥并添加APT源
wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-6.0.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu $(lsb_release -sc)/mongodb-org/6.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-6.0.list
# 2. 安装MongoDB社区版
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org
# 3. 启动服务
sudo systemctl start mongod
sudo systemctl enable mongod

2.2 核心操作实践

数据库创建与连接：

// 使用Mongo Shell连接
mongosh "mongodb://localhost:27017"
// 创建测试数据库
use test_db
db.createCollection("users")

CRUD操作示例：

// 插入文档
db.users.insertOne({
  name: "张三",
  age: 28,
  skills: ["JavaScript", "MongoDB"]
})
// 查询文档
db.users.find({age: {$gt: 25}}).pretty()
// 更新文档
db.users.updateOne(
  {name: "张三"},
  {$set: {age: 29}}
)
// 索引创建（提升查询性能）
db.users.createIndex({name: 1})

三、Redis安装与核心功能

3.1 安装配置（CentOS 7示例）

# 1. 下载并安装Redis
wget http://download.redis.io/releases/redis-7.0.0.tar.gz
tar xzf redis-7.0.0.tar.gz
cd redis-7.0.0
make
# 2. 启动服务（前台运行）
src/redis-server
# 3. 后台运行配置
cp redis.conf /etc/
sed -i 's/daemonize no/daemonize yes/' /etc/redis.conf
src/redis-server /etc/redis.conf

3.2 核心数据结构操作

字符串类型：

# 设置键值
SET user:1001:name "李四"
GET user:1001:name
# 计数器应用
INCR page_views:homepage

哈希类型（适合存储对象）：

# 存储用户信息
HSET user:1002 name "王五" age 30 email "wang@example.com"
# 获取部分字段
HGETALL user:1002

发布/订阅模式：

# 订阅频道
SUBSCRIBE news_channel
# 发布消息（另一个终端）
PUBLISH news_channel "新版本发布"

四、NoSQL设计原则与最佳实践

4.1 数据建模方法论

• 嵌套模型（MongoDB）：适合一对多关系，如订单与订单项

  {
  order_id: "ORD1001",
  items: [
    {product_id: "P001", quantity: 2},
    {product_id: "P002", quantity: 1}
  ]
  }

• 反规范化设计：通过冗余存储减少查询次数，如用户信息同时存储在订单文档和用户集合中

4.2 性能优化策略

1. 索引优化：

   • MongoDB复合索引遵循最左前缀原则
   • Redis使用SCAN替代KEYS避免阻塞

2. 分片策略：

   • MongoDB分片键选择（避免单调递增字段）
   • Redis Cluster采用哈希槽（16384个槽位）

3. 缓存策略：

   • 设置合理的TTL（如Redis的EXPIRE命令）
   • 采用两级缓存（本地缓存+分布式缓存）

五、常见问题解决方案

5.1 MongoDB连接失败排查

1. 检查服务状态：sudo systemctl status mongod
2. 验证配置文件：/etc/mongod.conf中的bindIp设置
3. 查看日志：tail -f /var/log/mongodb/mongod.log

5.2 Redis内存不足处理

1. 配置内存淘汰策略：

   # 修改redis.conf
   maxmemory 1gb
   maxmemory-policy allkeys-lru

2. 使用INFO memory命令监控内存使用

六、进阶学习路径

1. 分布式理论：深入理解CAP定理、BASE模型
2. 事务处理：学习MongoDB多文档事务、Redis Lua脚本
3. 监控工具：掌握Prometheus+Grafana监控方案
4. 云服务实践：对比AWS DynamoDB、Azure Cosmos DB等托管服务

通过系统学习与实践，开发者可在3-5天内掌握NoSQL核心技能，建议从MongoDB文档存储开始，逐步扩展到Redis缓存和图数据库应用。实际项目中应结合业务特点选择合适的NoSQL类型，例如电商系统可采用MongoDB存储商品信息，Redis缓存会话数据，Neo4j实现推荐算法。