(翻译自:https://mapr.com/blog/hbase-and-mapr-db-designed-distribution-scale-and-speed/#.VcKFNflVhBc)

Apache HBase是一个运行在Hadoop集群的数据库。 但是HBase和传统意义上的关系型数据库(RDBMS)有所不同，它牺牲了传统数据库的ACID(原子性,一致性,隔离性和持久性)要求 , 达到超大容量和更快的处理速度。 并且， HBase上面存储的数据不需要严格符合表结构，它可以存储非结构化和半结构化的数据。

程序员利用HBase构建大型数据应用程序，但是HBase的开发模式和传统数据库的开发模式相比，有很多不同点。在这篇博客中， 我会先概述HBase，然后讨论关系型数据库的局限，最后深入介绍HBase的数据模型。

关系型数据库 vs HBase - 数据存储模型

为什么我们需要HBase/NoSQL? 在讨论关系型数据库的局限想前， 先看看关系型数据库的优点：

• 关系型数据库提供标准持久化模型
• SQL已经成为数据操作的事实标准
• 关系型数据库支持并发事务
• 关系型数据库已经有了很多成熟工具

关系型数据库已经是多年的标准， 所以为什么要改变？ 面对越来越多的数据扩容需求，最简单的方式就是购买更加强大的服务器，但这样做成本会变得越来越高。 并且单机服务器无论多强大，它仍然是单机服务器，总有容量上限。

NoSQL能带来什么改变？

除了纵向扩展(vertical scale)，还有一种扩展方式， 就是横向扩展(horizontal scale) . 横向扩展采购多台便宜的PC服务器组成大集群，提供服务，这种方式使用普通PC服务器，相对便宜，同时大集群也比单机服务器可靠。

关系型数据库基于行(row)作为分片(shard)，所以一些行(row)被分在某一个服务器上，而其他行分配到别的服务器上。 尽管如此， 数据库分片（shard）仍然非常复杂。 传统数据库最初设计的时候并不支持分片(shard).，这些后期添加的功能与关系型数据库的最初设计并不匹配。比如，分片后的关系型数据库不支持分片(shard)上的查询， 也不支持事务和一致性控制。关系型数据库是设计在单机上运行的，它不是设计在集群上运行。

关系型模型的局限性

数据库范式(database normalization)消除了冗余数据，提高了存储效率。然而，范式会导致在处理查询(database query)请求时，不得不做联表查询(join)，同时读取多个表的内容， 而这些表可能分配在不同的服务器上。虽然HBase不支持关系(relation)和联表查询(join), 但是它能把要访问的数据存储在一起，从而避免了关系型模型的限制，请参考下表数据存储模型的差异:

HBase的设计目标：可扩展的，高性能分布式数据库

HBase把一起访问的数据也存储在一起，实现了高扩展。主要的设计思想是按照主键(row key)分片数据。针对数据做水平分片（horizontal shard）， 根据主键的范围(row key range)分片。 不同主键范围（row key range）下的数据被分配到不同的服务器中。每台服务器的数据是全体数据的子集。HBase实际上是BigTable存储系统的一个开源实现，Bigtable是由Google开发的分布式存储系统，用来管理可扩展的，大容量的结构化数据。

Hbase在物理上是按照列簇（column-family）存储的，但是在用户角度看，HBase也是面向行的(row key)。 只要知道主键(row key), HBase就可以做到快速检索（例如，查找ID为1234的客户）。行的具体数据存储在不同的列簇中(column family) ，如（ID为1234的客户地址，订单等）。HBase中的每一行，由主键，1号列簇中的column , 2号列簇的column组合而成。

译注: HBase是面向列簇的存储系统， 底层是按照列簇(column family)作为单位存储，每个列簇（column family）可以看作一个单独的文件. 而传统数据是面向行级的存储系统，底层是按照行排列存储在硬盘上

译注：上图, CF1和CF2是一个列簇（column family), 里面可以有多个column. 根据主键(row key)查询到主键(row key)对应在CF1和CF2上的数据，这样就组成了上图红框中的一行

HBase作为分布式数据库。 根据对主键(row key)的分组把数据分配到不同服务器。HBase在行级操作是原子的。 不同的Hbase服务器存储不同的数据分片， 所有数据分片的总和来就是HBase存储的所有数据。

HBase的数据模型

HBase根据主键(row key)，分片，存储数据。HBase的主键(row key)和关系型数据库的主键(primary key)作用非常类似。 HBase上面的所有行按照主键的值排序，即主键小的行排在表的前面。HBase的数据按照主键(row key)有序排列是HBase区别于其他分布式数据库的重要特征

[译注：对比apache cassandra, cassandra的partition key是无序的]

下图中, HBase表按照主键(row key)的范围, 分成不同的区域(region). 然后把这些区域(region)分配给不同的区域服务器(region server)管理. 这种分配方式由HBase自动控制，自动调节区域服务器(region server)中的存储容量, 这样就实现了存储数据的无限扩展。

下图显示了列簇(column family)和HBase表之间的对应关系，不同的列簇(column)在物理上被存储在不同的文件中。每个列簇文件都可以被单独访问

数据存储在HBase表格的cell中。cell中包含key和value以及一些其他的信息（如version, type等）。其中key部分包括row key，column family，column qualifier, timestamp。并且对于每一个值，key和value和一起存储在列簇(column family)里。如下图所示:

列簇文件里面的数据按照Cell的方式存储。 每个Cell被称为一个键值对(KeyValue)。 Key包括的项目比较多，有主键(rowkey)，列簇的名称(column family), column qualifier和时间戳(timestamp)。 由这四项的组成一个Key，通过这个Key就可以在列簇文件中查询到Value.

从逻辑上看，Cell好像存储在表中的一行。但是在实际物理存储中，HBase的一行由有多个列簇（column family)的对应Cell拼接而成。

下图所示， 在上面的表显示了一个Hbase表结构， 从逻辑上看和关系型数据库类似，也是按行组织。但在物理存储中，整个表是由2个列簇文件组成。如果要修改某行中的一项（实际上是一个Cell）, 需要指定主键(rowkey)，列簇的名称(column family), column qualifier和时间戳(timestamp)形成一个Key， 然后在实际的列簇文件中设置Value。

如前所述， 定位一个Cell, 只需要5项数据拼成Key: <表名称, 主键名称, 列簇名称, 列名称, 时间戳> . HBase的表是一个稀疏表。 如果一项(column)没有数据，它就不会被存储. 此外, Cell是有版本信息的，如果只用4项数据做Key, <表名称, 主键名称, 列簇名称, 列名称>可以查询到一个Cell的多个版本.

HBase默认支持多版本，

Put操作既是一个插入操作也可以是一个修改操作，每个Cell都有自己的版本。删除操作不会真的做删除，只是写入一个删除的标志。 任何查询都不会返回有有删除标记的Cell.

Get操作可以任意指定的版本的数据。如果请求没有指定版本号，会返回最新的版本。HBase允许用户配置最多允许多少版本同时存在，HBase默认为同一个Cell最多存储3个版本。当超过3个版本后，最老版本的Cell会被最终清理。