為什么說“對于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來說,硬盤I/O是一個(gè)很大的瓶頸”?

一、說“對于傳統(tǒng)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫來說,硬盤I/O是一個(gè)很大的瓶頸”的原因

1、機(jī)械結(jié)構(gòu)限制

硬盤由一片或多片鏡面圓盤組成，圓盤上的磁頭隨著數(shù)據(jù)讀寫而在盤片上移動，因此會受到機(jī)械限制，I/O速度會顯著降低。

2、磁盤尋道和旋轉(zhuǎn)

在進(jìn)行讀寫操作時(shí)，硬盤需要先從盤片上找到所需數(shù)據(jù)的位置（尋道），然后等待數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)到處于磁頭下方的位置，才能開始讀寫（旋轉(zhuǎn)延遲）。

3、數(shù)據(jù)量大

隨著數(shù)據(jù)量的增大，磁盤I/O的負(fù)載也相應(yīng)增加。當(dāng)系統(tǒng)需要處理大量數(shù)據(jù)時(shí)，磁盤I/O速度的瓶頸就會體現(xiàn)得更加明顯。

二、關(guān)系型數(shù)據(jù)庫介紹

1、簡介

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，是指采用了關(guān)系模型來組織數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫，其以行和列的形式存儲數(shù)據(jù)，以便于用戶理解，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫這一系列的行和列被稱為表，一組表組成了數(shù)據(jù)庫。用戶通過查詢來檢索數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，而查詢是一個(gè)用于限定數(shù)據(jù)庫中某些區(qū)域的執(zhí)行代碼。關(guān)系模型可以簡單理解為二維表格模型，而一個(gè)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫就是由二維表及其之間的關(guān)系組成的一個(gè)數(shù)據(jù)組織。

2、特點(diǎn)

存儲方式：傳統(tǒng)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用表格的儲存方式，數(shù)據(jù)以行和列的方式進(jìn)行存儲，要讀取和查詢都十分方便。存儲結(jié)構(gòu)：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫按照結(jié)構(gòu)化的方法存儲數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)表都必須對各個(gè)字段定義好（也就是先定義好表的結(jié)構(gòu)），再根據(jù)表的結(jié)構(gòu)存入數(shù)據(jù)，這樣做的好處就是由于數(shù)據(jù)的形式和內(nèi)容在存入數(shù)據(jù)之前就已經(jīng)定義好了，所以整個(gè)數(shù)據(jù)表的可靠性和穩(wěn)定性都比較高，但帶來的問題就是一旦存入數(shù)據(jù)后，如果需要修改數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)就會十分困難。存儲規(guī)范：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為了避免重復(fù)、規(guī)范化數(shù)據(jù)以及充分利用好存儲空間，把數(shù)據(jù)按照最小關(guān)系表的形式進(jìn)行存儲，這樣數(shù)據(jù)管理的就可以變得很清晰、一目了然，當(dāng)然這主要是一張數(shù)據(jù)表的情況。如果是多張表情況就不一樣了，由于數(shù)據(jù)涉及到多張數(shù)據(jù)表，數(shù)據(jù)表之間存在著復(fù)雜的關(guān)系，隨著數(shù)據(jù)表數(shù)量的增加，數(shù)據(jù)管理會越來越復(fù)雜。擴(kuò)展方式：由于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)表中，數(shù)據(jù)操作的瓶頸出現(xiàn)在多張數(shù)據(jù)表的操作中，而且數(shù)據(jù)表越多這個(gè)問題越嚴(yán)重，如果要緩解這個(gè)問題，只能提高處理能力，也就是選擇速度更快性能更高的計(jì)算機(jī)，這樣的方法雖然可以一定的拓展空間，但這樣的拓展空間一定有非常有限的，也就是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫只具備縱向擴(kuò)展能力。查詢方式：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用結(jié)構(gòu)化查詢語言（即SQL）來對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行查詢，SQL早已獲得了各個(gè)數(shù)據(jù)庫廠商的支持，成為數(shù)據(jù)庫行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，它能夠支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的CRUD（增加，查詢，更新，刪除）操作，具有非常強(qiáng)大的功能，SQL可以采用類似索引的方法來加快查詢操作。規(guī)范化：在數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中開發(fā)人員通常會面對同時(shí)需要對一個(gè)或者多個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體（包括數(shù)組、列表和嵌套數(shù)據(jù)）進(jìn)行操作，這樣在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體一般首先要分割成多個(gè)部分，然后再對分割的部分進(jìn)行規(guī)范化，規(guī)范化以后再分別存入到多張關(guān)系型數(shù)據(jù)表中，這是一個(gè)復(fù)雜的過程。好消息是隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，相當(dāng)多的軟件開發(fā)平臺都提供一些簡單的解決方法，例如，可以利用ORM層（也就是對象關(guān)系映射）來將數(shù)據(jù)庫中對象模型映射到基于SQL的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中去以及進(jìn)行不同類型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換。事務(wù)性：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫強(qiáng)調(diào)ACID規(guī)則（原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔離性（Isolation）、持久性（Durability）），可以滿足對事務(wù)性要求較高或者需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)據(jù)查詢的數(shù)據(jù)操作，而且可以充分滿足數(shù)據(jù)庫操作的高性能和操作穩(wěn)定性的要求。并且關(guān)系型數(shù)據(jù)庫十分強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的強(qiáng)一致性，對于事務(wù)的操作有很好的支持。關(guān)系型數(shù)據(jù)庫可以控制事務(wù)原子性細(xì)粒度，并且一旦操作有誤或者有需要，可以馬上回滾事務(wù)。讀寫性能：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫十分強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的一致性，并為此降低讀寫性能付出了巨大的代價(jià)，雖然關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)的可靠性很不錯(cuò)，但一旦面對海量數(shù)據(jù)的處理的時(shí)候效率就會變得很差，特別是遇到高并發(fā)讀寫的時(shí)候性能就會下降的非常厲害。授權(quán)方式：關(guān)系型數(shù)據(jù)庫常見的有 Oracle，SQLServer，DB2，Mysql，除了Mysql大多數(shù)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如果要使用都需要支付一筆價(jià)格高昂的費(fèi)用，即使是免費(fèi)的Mysql性能也受到了諸多的限制。

3、設(shè)計(jì)步驟

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)的過程可大體分為四個(gè)時(shí)期七個(gè)階段。

用戶需求分析時(shí)期：主要是了解和分析用戶對數(shù)據(jù)的功能需求和應(yīng)用需求，是整個(gè)設(shè)計(jì)過程的基礎(chǔ)，事關(guān)整個(gè)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)期：主要是將用戶需求進(jìn)行綜合、歸納與抽象，形成一個(gè)獨(dú)立于具體DBMS的數(shù)據(jù)模型，可用實(shí)體—聯(lián)系模型來表示，然后將其轉(zhuǎn)換為已選好的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)RDBMS所支持的一組關(guān)系模式并為其選取一個(gè)適合應(yīng)用環(huán)境的物理結(jié)構(gòu)，包括存儲結(jié)構(gòu)和存取方法。數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)時(shí)期：包括數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)創(chuàng)建階段和應(yīng)用行為設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段，是根據(jù)數(shù)據(jù)庫的物理模型創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫、創(chuàng)建表、創(chuàng)建索引、創(chuàng)建聚簇等。數(shù)據(jù)庫運(yùn)行與維護(hù)階時(shí)期：最后一個(gè)階段則是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)經(jīng)過試運(yùn)行后即可投入正式運(yùn)行。

4、設(shè)計(jì)原則

在進(jìn)行關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)過程中，要遵循以下幾個(gè)原則，借此可以提高數(shù)據(jù)庫的存儲效率、數(shù)據(jù)完整性和可擴(kuò)展性。

命名規(guī)范化：在概念模型設(shè)計(jì)中，對于出現(xiàn)的實(shí)體、屬性及相關(guān)表的結(jié)構(gòu)要統(tǒng)一。例如在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中，指定學(xué)生Sstudent，專指本科生，相關(guān)的屬性有：學(xué)號、姓名、性別、出生年月等，及每個(gè)屬性的類型、長度、取值范圍等都要進(jìn)行確定，這樣就能保證在命名時(shí)不會出現(xiàn)同名異義或異名同義、屬性特征及結(jié)構(gòu)沖突等問題。數(shù)據(jù)的一致性和完整性：在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中可以采用域完整性、實(shí)體完整性和參照完整性等約束條件來滿足其數(shù)據(jù)的一致性和完整性，用check、default、null、主鍵和外鍵約束來實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)冗余：數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能地減少冗余，這就意味著重復(fù)數(shù)據(jù)應(yīng)該減少到最少。例如：若一個(gè)部門職員的電話存儲在不同的表中，假設(shè)該職員的電話號碼發(fā)生變化時(shí)，冗余數(shù)據(jù)的存在就要求對多個(gè)表進(jìn)行更新操作，若某個(gè)表不幸被忽略了，那么就會造成數(shù)據(jù)不一致的情況。所以在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)中一定要盡可能存在少地冗余。范式理論：在關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)時(shí)，一般是通過設(shè)計(jì)滿足某一范式來獲得一個(gè)好的數(shù)據(jù)庫模式，通常認(rèn)為3NF在性能、擴(kuò)展性和數(shù)據(jù)完整性方面達(dá)到了較好的平衡，因此,一般數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)要求達(dá)到3NF，消除數(shù)據(jù)依賴中不合理的部分，最終實(shí)現(xiàn)使一個(gè)關(guān)系僅描述一個(gè)實(shí)體或者實(shí)體間一種聯(lián)系的目的。

5、常用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫

主流的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有Oracle、DB2、MySQL、Microsoft SQL Server、Microsoft Access等多個(gè)品種，每種數(shù)據(jù)庫的語法、功能和特性也各具特色。

Oracle數(shù)據(jù)庫是由甲骨文公司開發(fā)，并于1989年正式進(jìn)入中國市場。雖然當(dāng)時(shí)的Oracle尚名不見經(jīng)傳，通過多年的發(fā)展積聚了眾多名列前茅性的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在集群技術(shù)、高可用性、安全性、系統(tǒng)管理等方面都取得了較好的成績。Oracle產(chǎn)品除了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)外，還有應(yīng)用系統(tǒng)、開發(fā)工具等。在數(shù)據(jù)庫可操作平臺上，Oracle可在所有主流平臺上運(yùn)行，因而可通過運(yùn)行于較高穩(wěn)定性的操作系統(tǒng)平臺，提高整個(gè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MySQL數(shù)據(jù)庫是一種開放源代碼的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（RDBMS），可以使用最常用結(jié)構(gòu)化查詢語言進(jìn)行數(shù)據(jù)庫操作。也因?yàn)槠溟_源的特性，可以在General Public License的許可下下載并根據(jù)個(gè)性化的需要對其進(jìn)行修改。

MySQL數(shù)據(jù)庫因其體積小、速度快、總體擁有成本低而受到中小企業(yè)的熱捧，雖然其功能的多樣性和性能的穩(wěn)定性差強(qiáng)人意，但是在不需要大規(guī)模事務(wù)化處理的情況下，MySQL也是管理數(shù)據(jù)內(nèi)容的好選擇之一。

Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫最初是由Microsoft、Sybase和Ashton-Tate三家公司共同開發(fā)的，于1988 年推出了名列前茅個(gè)操作系統(tǒng)版本。在Windows NT 推出后，Microsoft 將SQL Server 移植到Windows NT系統(tǒng)上，因而SQL Server數(shù)據(jù)庫伴隨著Windows操作系統(tǒng)發(fā)展壯大，其用戶界面的友好和部署的簡捷，都與其運(yùn)行平臺息息相關(guān)，通過Microsoft的不斷推廣，SQL Server數(shù)據(jù)庫的占有率隨著Windows操作系統(tǒng)的推廣不斷攀升。

延伸閱讀1：I/O簡介

輸入/出（英文：Input/Output，簡寫為 I/O）是信息處理系統(tǒng)（例如計(jì)算器）與外部世界（可能是人類或另一信息處理系統(tǒng)）之間的通信。輸入是系統(tǒng)接收的信號或數(shù)據(jù)，輸出則是從其發(fā)送的信號或數(shù)據(jù)。該術(shù)語也可以用作行動的一部分；到“運(yùn)行I/O”是運(yùn)行輸入或輸出的操作。輸入/出設(shè)備是硬件中由人（或其他系統(tǒng)）使用與計(jì)算器進(jìn)行通信的部件。例如，鍵盤或鼠標(biāo)是計(jì)算器的輸入設(shè)備，而監(jiān)視器和打印機(jī)是輸出設(shè)備。計(jì)算器之間的通信設(shè)備（如電信調(diào)制解調(diào)器和網(wǎng)卡）通常運(yùn)行輸入和輸出操作。