聊一聊数据模型与查询语言

数据模型是用于组织、描述和定义数据及其关系。数据模型可以帮助我们理解数据的结构和含义，为建立、设计和管理数据库提供指导。数据模型不仅影响着软件的编写方式，而且影响着我们的解题思路。不同的数据模型其实也对应了不同的数据库。

关系模型

关系模型由英国计算机科学家埃德加·科德在1970年首次提出。它基于数学上的集合理论和逻辑理论，使用二维表格结构来表示数据和数据之间的关系，这些表格被称为“关系”。

在关系模型中，每个关系代表一个多维数据集，表格中的每一行（也称为元组或记录）代表一个实体实例，每一列（也称为属性或字段）代表一个实体的一个属性。

以下是关系模型的一些关键概念：

1. 关系（Relation） ：关系是一组具有相同属性的元组的集合。在数据库中，关系通常被表示为一个表，其中表的每一行代表一个元组，每一列代表一个属性。
2. 属性（Attribute） ：属性是关系的一部分，代表关系中元素的某个特性。在表中，属性通常被表示为列。
3. 元组（Tuple） ：元组是关系的一个实例。在表中，元组通常被表示为行。
4. 键（Key） ：键是一个或多个属性的集合，可以唯一标识关系中的元组。主键是关系中的一个特殊键，它唯一标识关系中的每一个元组。

关系模型的一个主要优点是其简单性和形式化。通过使用标准的SQL（结构化查询语言），用户可以方便地查询和操作关系数据库。

数据库范式

在关系模型中，需要将现实中的问题抽象到关系模型中，转化为对应的表。在设计时，通常使用不同的数据库范式进行指导，一般需要满足第三范式。当然，有时出于性能或使用复杂度考虑，也会采用一些反范式的设计，这里不做讨论。使用数据库范式的本质是提高数据的一致性，减少数据冗余，并简化数据管理。

数据库范式主要包括第一范式（1NF）、第二范式（2NF）、第三范式（3NF）、BCNF（Boyce-Codd范式）、第四范式（4NF）和第五范式（5NF）。这里，我将通过一个简单的例子来介绍前三种最常用的范式。

设计一个系统，支持查询学生查看自己的课程与课程老师，其关系如下：

student_id	student_name	class	teach
1	小明	数学	李老师
1	小明	英语	王老师
2	小红	数学	李老师
2	小红	英语	王老师

第一范式 （ 1NF ） ：每一列都是不可分割的最小单元，每一行都是唯一的。在我们的例子中，表已经满足第一范式，因为每一列的值都是不可分割的。

第二范式 （ 2NF ） ：在第一范式的基础上，每一行都要被唯一的区分，且非主键列必须完全依赖于主键。在我们的例子中，主键为「student_id, class」。student_name 只依赖 student_id，tech 只依赖 class。因此，需要进行拆分，在拆分 class 时，通常为新的表增加一个 id 列作为主键。

第三范式 （ 3NF ） ：在第二范式的基础上，每一列都与主键有直接依赖关系，不存在非主属性对非主属性的依赖。在我们的例子中，已经满足第三范式。

查询语言-SQL

SQL，全称为Structured Query Language（结构化查询语言），是用于处理关系型数据库的标准计算机语言。SQL允许用户访问和操作数据库，它包括数据查询、数据操纵（插入、更新和删除）、数据定义以及数据控制等功能。

以下是关于SQL的一些详细介绍：

1. 数据查询（SELECT）：这可能是SQL中最常用的命令，用于从一个或多个表中获取数据。
2. 数据操纵语言（DML）：包括INSERT（插入）、UPDATE（更新）和DELETE（删除）命令，用于在表中插入新数据、更改已有数据或删除数据。
3. 数据定义语言（DDL）：包括CREATE（创建）、ALTER（修改）和DROP（删除）命令，用于创建、更改或删除数据库对象，如表、索引和序列等。
4. 数据控制语言（DCL）：包括GRANT（授权）和REVOKE（取消授权）命令，用于控制对数据库对象的访问权限。
5. 事务控制语言（TCL）：用于管理数据库中的事务，包括BEGIN TRANSACTION（开始事务）、COMMIT（提交事务）和ROLLBACK（回滚事务）等命令。

SQL是一种声明性语言，用户只需要指定他们希望执行什么操作，而无需指定如何执行这些操作。这使得SQL相对容易学习和使用。大多数现代的关系型数据库系统，如 MySQL、Oracle、SQL Server、SQLite 和 PostgreSQL 等，都支持SQL。

示例

下面是一个领应页面的展示数据，按照第三范式，需要设计 users、industries、position、education、contact_info 表。

文档模型

在上面的例子中，使用第三范式设计表存储领英主页数据。在一次页面展示时需要关联查询 6 张表，才能展示主页所需要的数据。那能否使用一种模式，仅需要一次查询即可以获取全部数据，减少查询的开销。

对于像简历这种包含文档的数据结构而言，使用 JSON 表达非常合适。可以使用面向文档的数据库「MonogoDB、CouchDB 等」来存储数据。针对上面的例子可以使用一个 JSON 表示。

{
  "user_id": 251,
  "first_name": "Bill",
  "last_name": "Gates",
  "summary": "Co-chair of the Bill & Melinda Gates... Active blogger.",
  "region_id": "us:91",
  "industry_id": 131,
  "photo_url": "/p/7/000/253/05b/308dd6e.jpg",
  "positions": [
    {
      "job_title": "Co-chair",
      "organization": "Bill & Melinda Gates Foundation"
    },
    {
      "job_title": "Co-founder, Chairman",
      "organization": "Microsoft"
    }
  ],
  "education": [
    {
      "school_name": "Harvard University",
      "start": 1973,
      "end": 1975
    },
    {
      "school_name": "Lakeside School, Seattle",
      "start": null,
      "end": null
    }
  ],
  "contact_info": {
    "blog": "http://thegatesnotes.com",
    "twitter": "http://twitter.com/BillGates"
  }
}

使用文档模型减少了应用程序代码和存储层之间的阻抗不匹配「即实际存储的模型与应用层展示的模型不一致」。使用文档数据库的优势在于使用 JSON 将所有相关信息都放在一个地方，一次查询就可以完成。且无需像关系数据库一样有严格的关系约束。

对于多对多的关系，无论是关系模型还是文档模型，最终都将进行关联查询。区别在于一个是关联不同的表，一个是关联不同的文档。以上面的个人主页为例，需要在展示的公司和学校详情上增加对应的官网链接。一种方式是在每个 uses 文档中添加对应的数据，造成大量数据的重复且不利于维护。因此，需要将需要内的数据分组为一个文档，同时保存对单位、学校的引用，在查询时需要进行连接。

查询语言

文档数据库的查询语言各有不同，根据所使用的数据库类型而异。以下是一些常见的文档数据库及其查询语言：

• MongoDB: MongoDB 使用 MongoDB 查询语言（MQL）。这是一种功能强大且灵活的查询语言，允许用户查询文档的任何部分，支持各种类型的查询运算符（如比较、逻辑、数组等），并包含对索引、聚合和全文搜索的支持。
• CouchDB: CouchDB使用CouchDB Query Language，它是基于JSON 的，允许创建各种复杂的查询，包括地理空间查询。
• Elasticsearch: Elasticsearch使用 Elasticsearch Query DSL，这是一种基于JSON 的查询语言，特别适合全文搜索和复杂的数据分析。
• Firestore: Firestore使用Firestore查询语言，它允许创建简单但强大的查询，可以查询、排序和过滤文档。

这些查询语言的共同之处是，都允许使用JSON格式来表示查询条件，可以非常灵活地查询文档的各个部分。然而，它们在语法、功能和性能方面都有所不同，用户需要根据具体的需求和环境来选择合适的数据库和查询语言。

图模型

图模型的提出是为了解决更复杂的多对多关系，使用图模型可以将复杂关系的写入和查询进行简化。依赖图模型可以简单进度深度和广度遍历对应的节点。典型的例子包括：

• 社交图谱：顶点是人，边指示哪些人彼此认识。
• 网络图谱：顶点是网页，边缘表示指向其他页面的 HTML 链接。
• 公路或铁路网络：顶点是交叉路口，边线代表它们之间的道路或铁路线。

基本概念

1. 节点（Node）：节点通常用于表示实体，比如人、地点、物品等。
2. 边（Edge）：边用于表示节点之间的关系。边可以是有向的（表示关系的方向）或无向的，也可以带有权重（表示关系的强度或其他属性）。
3. 属性（Property）：节点和边都可以有属性，这些属性是键值对，用于存储与节点或边相关的信息。
4. 图（Graph）：图是由节点和边组成的结构。在一个图数据库中，可以有一个或多个图。
5. 子图（Subgraph）：子图是图的一部分，包含一些节点和连接这些节点的边。
6. 邻居（Neighbor）：一个节点的邻居是与该节点直接相连的其他节点。
7. 度（Degree）：一个节点的度是与其相连的边的数量。
8. 路径（Path）：路径是通过边连接的一系列节点。

查询语言

图模型的查询语言有很多种，依据所使用的图数据库类型而异。以下是一些常见的图数据库及其查询语言：

1. Cypher：这是Neo4j图数据库的查询语言。Cypher是一种声明式的图查询语言，它允许开发人员使用类似于SQL的语法来查询图数据。
2. Gremlin：这是Apache TinkerPop图计算框架的查询语言。Gremlin是一种函数式的图遍历语言，可以用于查询、分析和操作图数据。
3. SPARQL：这是用于RDF（资源描述框架）数据模型的查询语言。SPARQL可以用于查询、更新和操作RDF图数据。
4. GraphQL：虽然不是专为图数据库设计，但GraphQL是一种用于API的查询语言，能够直观地描述数据的形状和方式，让客户端能够精确地获取需要的数据。

这些查询语言都能有效地查询和操作图数据，但在语法、性能和功能上都有所不同。用户需要根据具体的需求和环境来选择合适的查询语言。

示例

如下图所示，它显示了两个人，来自爱达荷州的 Lucy 和来自法国 Beaune 的 Alain。他们已婚，住在伦敦。

KV 模型

KV模型，也就是键值对（Key-Value）模型。在这种模型中，数据被表示为一系列的键值对。

• 键（Key）：键是唯一的标识符，用于定位到存储的数据。键可以是任何类型的数据，比如字符串、数字，甚至可以是复杂的数据类型。为了快速查找数据，键通常会被索引。
• 值（Value）：值是与键关联的数据。值可以是简单的数据类型，如数字、字符串，也可以是复杂的数据类型，如列表、字典或对象。

KV模型的优势在于简单和高效。由于数据的存储和检索都是基于键的，这使得 KV 模型在处理大量数据时能提供高性能的读写操作。这种模型特别适用于需要快速访问并且数据模型简单的应用，例如缓存系统、会话管理等。

然而，KV模型也有一些限制。它不支持复杂的查询，如多键查询或基于值的查询，也不支持数据之间的关系。此外，由于数据模型的简单性，可能需要在应用程序中处理更多的数据结构和关系复杂性。

查询语言

键值存储（Key-Value Store）的查询通常比较简单，主要是基于键（Key）的获取（Get）、设置（Set）和删除（Delete）操作。由于它们的数据模型相对简单，键值存储通常没有复杂的查询语言，例如SQL。下面是一些基本的操作示例：

• Get(Key): 根据提供的键获取对应的值。
• Set(Key, Value): 将特定的值存储在给定的键下。
• Delete(Key): 删除存储在给定键下的值。

例如，如果你正在使用Redis（一种流行的键值存储），你可能会使用以下命令：

• GET mykey: 获取名为"mykey"的键的值。
• SET mykey myvalue: 设置名为"mykey"的键的值为"myvalue"。
• DEL mykey: 删除名为"mykey"的键及其值。

需要注意的是，这些操作都是基于键的。键值存储通常不支持基于值的查询或复杂的多键查询。这也是为什么键值存储特别适合于读写密集、数据模型简单的应用场景。

向量模型

向量模型，或称为向量空间模型，是一种常用于信息检索和自然语言处理中的数学建模方法。在该模型中，文本（如文档或查询）被表示为在多维空间中的向量。每个维度对应于一个特定的词或概念。向量模型主要用于解决相关性检索的问题，多应用于 AI 模型中的数据预处理。

向量模型的主要思想是通过空间中的向量来度量文本之间的相似性。通常，两个向量之间的角度（或余弦相似性）被用来度量文本之间的相似性——角度越小（或余弦相似性越高），相似性越大。

以下是向量模型的一些核心概念：

1. 词项（Term）：即词语，作为向量空间的维度。
2. 文档向量（Document Vector）：每个文档在向量空间中都有一个向量表示。向量的每一维都对应一个词项，其值通常是该词在文档中出现的频率（可能经过TF-IDF等权重计算）。
3. 查询向量（Query Vector）：用户查询也可以被转化为向量，方法和文档向量相同。
4. 相似性度量（Similarity Measure）：度量文档向量和查询向量之间的相似性。常用的度量方法是计算两向量的余弦相似性。

使用向量模型进行信息检索的一般过程是：首先，将所有文档和用户的查询转化为向量；然后，计算查询向量和每个文档向量的相似性；最后，根据相似性的高低对文档进行排序，返回最相关的文档。

向量模型的一个主要优点是它能够处理语义上的模糊性，因为它允许对相似（而不是完全匹配）的概念进行匹配。其缺点包括处理布尔查询的能力较差，以及需要大量的存储空间和计算资源。

总结

数据模型是对数据组织、定义与关系的一种描述。对于现实中的业务场景，使用关系、文档、图、KV 等模型均可以组织数据。但是，在数据模型选型时，本质是要看对应的模型能否方便业务代码开发，简化写入和查询逻辑，并保证高性能。

并没有一种数据模型能够解决所有的问题，每一种数据模型都有自己的优缺点。针对于数据模式不固定且关系简单的场景，优先考虑文档模型；对于数据模式固定，且需要严格保证数据约束，可以考虑使用关系模型；对关系复杂的场景可以使用图数据库；对于 KV 模型则更多的应用于缓存中。当然，在数据模型选型时，除了需要对应的数据模型，还需要考虑相关模型数据库的可伸缩性、可靠性、对事务和复杂查询的支持等各种因素。

随着不同数据库的迭代，各种数据库之间的差异也在不断减少。目前的关系模型数据库「MySql, PG」均已经支持 JSON 数据的存储，这就意味着你可以使用关系模型数据库定义文档；而对于文档数据库如 Monogo，也已经支持不同文档之间的关联，以及严格的约束文档的定义。