NoSQL数据库Apache Cassandra你知道多少？

Apache Cassandra是什么？

Apache Cassandra是一种面向列的分布式NoSQL数据库。 它旨在处理大量无结构或半结构化数据，并可在各种数据中心和云环境中扩展。 Cassandra可以管理多个节点并支持复制，在整个集群中分散数据，以避免单点故障。数据可在各个节点之间进行自动分区和负载平衡，这使得Cassandra适用于需要处理大量不断增长或复杂数据的应用，比如传感器数据或者日志数据分析等。

Cassandra的模型是基于规则的数据复制、保持数据的一致性和可扩展性。 Cassandra的数据存储结构由列族、行和列组成。每个列族可以包含不同的列，并将它们存储在单个行中。这使得数据存储非常灵活，可以根据需要添加或删除列。另外，Cassandra通过节点扩展和负载平衡技术，可以自动将数据分割为更小的部分来扩展和管理数据。这也解决了集中式数据库容量不足和性能瓶颈的问题。

Cassandra被广泛应用于大数据、分布式和云计算生态系统，如Hadoop、MapReduce、Hive和Spark等。作为一个NoSQL数据库，Cassandra不仅提供了可扩展性和高可用性，还支持数据复制和故障转移，从而保证了数据持久性和可靠性。同时，Cassandra还支持多种数据模式和灵活的数据处理方式，如其自带的查询语言CQL(Cassandra Query Language)。 这些特点使得Cassandra 成为了互联网公司及其应用的首选数据库之一。

Apache Cassandra可以做什么？

Apache Cassandra是一个高度可扩展的NoSQL数据库系统，它可用于面对大数据量的分布式存储和处理。它的主要优点之一是其能够处理海量数据和实现高可用性和稳定性，并且支持大量的读写并发和复杂的操作。

以下是一些常见的用途和问题，Apache Cassandra通常用来解决：

1. 分布式系统：Apache Cassandra通常用作分布式系统，可以在多个节点上存储和处理数据。这使得它成为数据中心、云应用程序和大型企业级应用程序的理想解决方案。

2. 高可用性和稳定性：Apache Cassandra具有自动重新平衡的能力，使其能够在硬件故障或人为失误的情况下保持稳定和高可用性。它还支持多点故障，即使在整个集群中出现故障，也可以保持头部操作。

3. 快速读取/写入操作：Apache Cassandra可用于实时数据读取和写入。相比传统关系型数据库，它能够处理更大的数据量，更快地执行读取和写入操作。

4. 强一致性：Apache Cassandra可以保证数据的强一致性，即在多个节点进行数据操作的同时可以保证数据的正确性。

5. 数据可扩展性：Apache Cassandra是一个高度可扩展的数据库，可以轻松地添加或删除节点来增加或减少存储容量。

总之，Apache Cassandra具有高可用性、稳定性和强一致性的特点，尤其适用于需要高度扩展能力的大型分布式系统和应用程序。在大数据处理和实时应用程序方面，Cassandra也是一种非常有效的解决方案。然而，在使用Cassandra之前，用户需要对其建模和设计有较好的了解，才能实现最佳的性能和扩展性。

面试题

1. Cassandra中的一致性级别有哪些，每种级别的含义是什么？

Cassandra中的一致性级别包括ANY、ONE、TWO、THREE、QUORUM、LOCAL_QUORUM、EACH_QUORUM和ALL。其中：

• ANY：只需要至少一个副本成功写入或读取。
• ONE：只需要一个副本成功写入或读取。
• TWO：需要两个副本成功写入或读取。
• THREE：需要三个副本成功写入或读取。
• QUORUM：需要大多数副本（N/2+1）成功写入或读取。
• LOCAL_QUORUM：在本地数据中心，需要大多数副本（N/2+1）成功写入或读取。对于远程副本，只需要一个副本成功写入或读取。
• EACH_QUORUM：需要在每个数据中心中的大多数副本（N/2+1）成功写入或读取。
• ALL：需要所有副本成功写入或读取。

2. Cassandra的数据模型是什么？

Cassandra的数据模型是基于列族（column family）的。每个列族包含多行记录，每行记录可以有任意数量的列，每个列包含一个名称、一个值和一个时间戳。

3. Cassandra的读写流程是怎样的？

Cassandra的读写流程分为以下几个步骤：

• 客户端向Cassandra节点发送请求。
• Cassandra节点接收请求，并根据请求中指定的键找到相关副本。
• Cassandra节点根据一致性级别向副本中写入或读取数据。
• 副本将数据写入或读取出来，并将确认信息返回给Cassandra节点。
• Cassandra节点根据一致性级别等待足够多的副本确认，并将确认信息返回给客户端。

4. Cassandra的数据分布策略是什么？

Cassandra的数据分布策略是基于一致性哈希算法的。数据在环形数据结构上分布，并根据哈希值分配到不同的节点上。每个节点负责一个哈希范围内的数据。

5. Cassandra的并发控制采用什么策略？

Cassandra的并发控制采用乐观锁机制。每个写操作都会带上一个时间戳，当多个写操作冲突时，只有时间戳最大的操作会生效。

6. Cassandra的数据删除策略是什么？

Cassandra的数据删除策略是基于标记（tombstone）的。当一个数据被删除时，它并不会真正地被删除，而是被标记为已删除。标记会在一定时间后自动过期，然后数据才会真正地被删除。

以下是一段Java代码示例，插入数据到Cassandra，并进行查询操作：

// 创建连接
Cluster cluster = Cluster.builder().addContactPoint("127.0.0.1").build();
Session session = cluster.connect();

// 创建表格
session.execute("CREATE KEYSPACE IF NOT EXISTS test WITH replication = {'class': 'SimpleStrategy', 'replication_factor': 1 }");
session.execute("CREATE TABLE IF NOT EXISTS test.users (id int PRIMARY KEY, name text, age int)");

// 插入数据
int id = 1;
String name = "Lucy";
int age = 23;
session.execute("INSERT INTO test.users (id, name, age) VALUES (?, ?, ?)", id, name, age);

// 查询数据
ResultSet resultSet = session.execute("SELECT * FROM test.users WHERE id = ?", id);
Row row = resultSet.one();

// 输出结果
System.out.println("id: " + row.getInt("id"));
System.out.println("name: " + row.getString("name"));
System.out.println("age: " + row.getInt("age"));

// 关闭连接
session.close();
cluster.close();

安装Apache Cassandra教程如下：

Windows系统：

步骤1：下载和解压缩Apache Cassandra

从官方网站下载并解压Apache Cassandra：

https://cassandra.apache.org/download/

将解压的文件夹保存到C：\ Apache Cassandra目录下。

步骤2：配置环境变量

在计算机系统属性中添加环境变量。在“环境变量”对话框中，选择“系统变量”卡，并在系统变量列表中找到“Path”变量，然后单击“编辑”按键。在编辑环境变量对话框中，单击“新建”按键并输入以下路径：

C:\Apache Cassandra\bin

步骤3：启动Apache Cassandra

打开命令行窗口并输入以下命令以启动Apache Cassandra：

cassandra.bat

您可以使用这个命令来检查Apache Cassandra是否正在运行：

nodetool status

Linux系统：

步骤1：下载和解压缩Apache Cassandra

从官方网站下载并解压Apache Cassandra：

https://cassandra.apache.org/download/

将解压的文件夹保存到/usr/local/cassandra目录下。

步骤2：配置环境变量

执行以下命令来配置环境变量：

export CASSANDRA_HOME=/usr/local/cassandra export PATH=$PATH:$CASSANDRA_HOME/bin

步骤3：启动Apache Cassandra

执行以下命令来启动Apache Cassandra：

sudo /usr/local/cassandra/bin/cassandra

您可以使用这个命令来检查Apache Cassandra是否正在运行：

nodetool status

Docker容器：

步骤1：安装Docker

执行以下命令来安装Docker：

sudo apt-get update
sudo apt-get install docker-ce

步骤2：下载和运行Apache Cassandra

执行以下命令来下载并运行Apache Cassandra：

sudo docker run --name some-cassandra -d cassandra:tag

其中，tag是指Cassandra映像的版本号。例如，要下载Cassandra 3.11.3版本，可以执行以下命令：

sudo docker run --name some-cassandra -d cassandra:3.11.3

步骤3：连接到Apache Cassandra

执行以下命令来连接到Apache Cassandra：

sudo docker exec -it some-cassandra bash
cqlsh

在这个shell中，您可以使用CQL（Cassandra查询语言）来查询和更新数据库。

容易遇到的问题

1. 无法连接到Cassandra集群

原因：可能是防火墙造成的，或者节点地址配置错误

解决方法：检查防火墙配置，或者检查cassandra.yaml文件中的节点地址配置

代码示例：

在cassandra.yaml文件中修改节点地址配置：

listen_address: localhost 

rpc_address: localhost 

2. 执行CQL语句时遇到错误

原因：可能是语法错误，或者正在执行的操作与表定义不匹配

解决方法：检查语法，或者检查表定义

代码示例：

创建表格时错误的定义：

CREATE TABLE user ( 

id text PRIMARY KEY, 

name text ); 

正确的定义：

CREATE TABLE user ( 

id text PRIMARY KEY, 

username text ); 

3. 无法启动Cassandra

原因：可能是Java版本不兼容，或者其他配置问题

解决方法：检查Java版本和其他配置

代码示例：

检查环境变量中的Java版本：

echo $JAVA_HOME 

/usr/lib/jvm/jdk1.8.0_171 

4. 安装过程中遇到依赖问题

原因：可能是没有安装必要的软件包依赖

解决方法：检查并安装软件包依赖

代码示例：

在Ubuntu上安装必要的软件包依赖：

sudo apt-get install openjdk-8-jdk build-essential pkg-config autoconf automake libtool 

以上是一些常见的问题及解决方法，安装Cassandra时可能还会遇到其他问题，需要根据具体情况进行解决。

SpringBoot整合

步骤：

1. 初始化SpringBoot项目，并在pom.xml文件中添加Cassandra JDBC驱动和Spring Data Cassandra依赖。

2. 在application.yml配置文件中配置Cassandra数据库连接信息，如数据库名称、用户名和密码等。

3. 创建实体类，使用@PrimaryKey注解指定主键，并定义相应的字段。

4. 创建Repository接口，继承CassandraRepository接口并指定实体类和主键类型。

5. 在Service中通过Repository调用相应的方法，进行数据的增删改查操作。

完整代码：

1. 添加依赖

在pom.xml文件中添加Cassandra JDBC驱动和Spring Data Cassandra依赖。

<dependencies>
    <!--Cassandra JDBC驱动-->
    <dependency>
        <groupId>org.apache.cassandra</groupId>
        <artifactId>cassandra-driver-core</artifactId>
        <version>4.10.0</version>
    </dependency>

    <!--Spring Data Cassandra依赖-->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.data</groupId>
        <artifactId>spring-data-cassandra</artifactId>
        <version>2.3.10.RELEASE</version>
    </dependency>
</dependencies>

2. 配置Cassandra数据库连接信息

在 application.yml 配置文件中配置Cassandra数据库连接信息。

spring:
  data:
    cassandra:
      keyspace-name: test_db # 数据库名称
      contact-points: 127.0.0.1 # Cassandra集群节点
      port: 9042 # Cassandra集群端口
      username: null # 数据库用户名，可选
      password: null # 数据库密码，可选

3. 创建实体类

创建一个实体类，并使用@PrimaryKey注解指定主键。

@Table("users")
public class User {
    @PrimaryKey("id")
    private UUID id;

    @Column("name")
    private String name;

    @Column("age")
    private int age;

    // 省略getter和setter方法
}

4. 创建Repository接口

创建一个Repository接口，继承CassandraRepository接口并指定实体类和主键类型。

@Repository
public interface UserRepository extends CassandraRepository<User, UUID> {
}

5. 创建Service类

在Service中通过Repository调用相应的方法，进行数据的增删改查操作。

@Service
public class UserService {
    @Autowired
    private UserRepository userRepository;

    public void save(User user) {
        userRepository.save(user);
    }

    public void delete(UUID id) {
        userRepository.deleteById(id);
    }

    public List<User> findAll() {
        return (List<User>) userRepository.findAll();
    }

    public User findById(UUID id) {
        return userRepository.findById(id).orElse(null);
    }
}