NoSQL(1) Key-Valueストア型データベース

NoSQL

NoSQLとは，リレーショナルデータベース以外のデータベースの総称です． このNoSQLという用語は，2009年にEric Evans氏によって提唱されました． 当初は「特に考えることもなく名前を思いついた」と述べています． しかし， No という表現がネガティブな印象を与えることから， 現在は Not Only SQL の略と考えることが望ましいと考えられています．

NoSQLの主な用途は，リレーショナルデータベースが苦手とする ビッグデータ の処理です． ガートナーによると，ビッグデータは 「高ボリューム，高速度，高バラエティな情報資産」と定義され， 数十テラバイトから数ペタバイトまでの巨大なデータを指しています （Googleの一日に処理するデータ量は20ペタバイト以上 - GIGAZINE）． リレーショナルデータベースは， 事前にスキーマの定義が必要であることに加え， 分散処理が苦手なため， 構造化されていない大量なデータを高速に処理するのに適していません． NoSQLは，冗長な機能をそぎ落とし，対象のデータに最適化されたシンプルな構造にすることで， リレーショナルデータベースより，ビッグデータの処理において高いパフォーマンスを発揮することができます．

現在は，様々なオープンソースのNoSQLが提供されており， 主要なサービスやアプリケーションを支える技術として普及しています． NoSQLは，そのデータモデルに基づき，4種類に分類されます （KVS系NoSQLのまとめ - ＠IT）． この授業では，Key-Valueストア型データベースと， ドキュメント指向データベースを取り上げます．

• Key-Valueストア型データベース
• ドキュメント指向データベース
• カラム指向データベース
• グラフ指向データベース

Key-Valueストア型データベース

Key-Valueストア型データベース(Key-Value Store: KVS) は， NoSQLの中でも最もシンプルな構造のデータベースです． キー（Key）とバリュー(Value)の組み合わせだけで表現され， 高いスケーラビリティ（データの規模に合わせて拡張可能なこと）を誇ります． ここでは，果物の英単語の辞書データベースを例に考えてみましょう．

【果物の英単語】

Key-Valueストア型データベースに対する問い合わせは，SQLとは異なり， 「特定のキーに対するバリュー」を取得することに特化しています． 例えば，キーが「apple」のレコードを検索すると， 対応するバリューの「リンゴ」が取得されることになります．

上述したように，Key-Valueストア型データベースは， スケーラビリティが高く，大量のデータの処理に適しています． 一般に，スケーラビリティを向上させるには， スケールアップ と スケールアウト と呼ばれる方法があります． スケールアップとは，データベースを管理しているサーバの CPUやメモリなどのハードウェアのスペックを上げることで， パフォーマンスを向上させることを意味しています． 一方，スケールアウトは，サーバの台数を増やし， 不可を分散させることでパフォーマンスを向上させます． Key-Valueストア型デーテベースは， このスケールアウトが容易に可能です．

Key-Valueストア型データベースをスケールアウトするには， キーごとにサーバを分ける方法が用いられます （実際はサーバの故障に備えて，一つのキーが複数のサーバで冗長的に管理される）． 例えば，先ほどの果物の英単語の例では， 英単語の頭文字のアルファベットに応じて下記の３つのサーバに分けることが考えられます． このようにスケールアウトをすることで， ビッグデータにおいても，高いパフォーマンスを維持することができます．

【果物の英単語（A）】

【果物の英単語（B)】

【果物の英単語（C)】

代表的なKey-Valueストア型データベースには下記があります． ここでは，オンメモリで高速に動作する Redis に着目します（データの永続化も可能）．

• Redis
• Memcached
• DynamoDB
• Hibari

Redis

Redisはオープンソースとして公開されているKey-Valueストア型のデータベースです． データはハードディスクではなく， 高速にアクセスが可能なメモリに記録する仕組みになっています（オンメモリ・データベース）． このため，停電などによって電源供給を失った場合は，全てのデータが失われてしまうことに注意が必要です． 現在は，多くのプログラミング言語やフレームワークでRedisを利用するためのライブラリが提供されており， ウェブアプリーケーションなど様々な用途で導入されています．

Redisのインストール

Windowsの場合

公式サイトでは，Windows版は提供されていないため，マイクロソフトが提供しているRedisを利用します（現在はRedisと互換性のあるMEMURAIの利用が推奨されています）． 下記リンクから最新バージョン(3.2.1)の Redis-x64-3.2.100.zip をダウンロードして解凍してください．

Windows版 Redisのダウンロード

MacOSの場合

MacOSでは，HomeBrewを利用してインストールするのが簡単です． Homebrewのインストールに関しては，他のサイトを参考にしてください．

% brew install redis

Redisの起動

Redisはクライアント・サーバ型のデータベースです． サーバは redis-server，クライアントは redis-cli です． コマンドプロンプトやPowerShellで下記のコマンドを実行します（Shiftキーを押しながら右クリックで起動できる）． 文字化けを防ぐため，--raw を引数に与えます． クライアントのプロンプトには，127.0.0.1:6379 と表示され， ローカルホスト（127.0.0.1）の6379番のポートに接続されていることがわかります．

% redis-server

% redis-cli --raw

Redisのコマンド

Key-Valueの登録

KeyとValueのペアを登録するにはSETコマンドを利用します． 既に同じKeyが登録されていた場合はValueは上書きされます． 日本語が文字化けする場合は，カタカナ ではなく ローマ字 で入力してください． 例えば「アンズ」は「ANZU」と入力します．

> SET apricot アンズ
> SET apple リンゴ
> SET banana バナナ

Valueの取得

登録されているKeyに対応したValueを取得するにはGETコマンドを利用します．

> GET apricot
> GET apple
> GET banana

Key-Valueの削除

登録されているKey-Valueを削除するにはDELコマンドを利用します．

> DEL apricot

Keyの一覧の取得

登録されているKeyの一覧を取得するにはKEYSコマンドを利用します．

> KEYS *

有効期限を設定したKey-Valueの登録

有効期限を設定してKeyとValueのペアを登録するにはSETEXコマンドを利用します． ここでは10秒間を指定してcherryを登録してみます． 10秒が経過した後でGETをしてもValueが取得できないことがわかります．

> SETEX cherry 10 サクランボ

Set型を利用したKey-Valueの登録

Redisでは一つのKeyに複数の値(Set型)を登録することが可能です． Set型の登録にはsaddコマンド，取得にはsmembersコマンドを利用します．

> SADD downtown 浜田雅功
> SADD downtown 松本人志
> SMEMBERS downtown

情報処理技術者試験・過去問

下記リンクは ITパスポート試験ドットコム， 基本情報技術者試験ドットコム， 応用情報技術者試験ドットコム， データベーススペシャリストドットコムに掲載されている問題です．

• 基本情報技術者 平成31年春期 午前問30
• 応用情報技術者 平成30年春期 午前問30
• データベーススペシャリスト 令和2年秋期 午前Ⅱ 問16