こんにちわ、7月に入社したばかりの@emorinsです。

題名の通りですが分散データベース『Apache Cassandra』を紹介したいと思います。

少し前はHadoop(とHBase)と比較されることの多かったCassandraですが、最近はHadoopの人気に押されつつあるようにも感じます。
しかし、CassandraとHadoopは特徴が異なり、よく言われるのがCassandraはリアルタイム処理に向き、一貫性のかわりに可用性を重視し、またHadoopとは違って単一障害点もありません。

今日はそんなHadoopとは違った魅力のある分散データベース『Apache Cassandra』をはじめてみましょう。

目次

• Cassandraとは
• アーキテクチャ
  • Cassandraの特徴
  • コンシステンシレベル
  • データモデル
  • MemtableとSSTable
• セットアップ
• storage-conf.xmlの設定
  • Keyspace
  • ColumnFamily
  • MemtableThroughputInMB
  • MemtableFlushAfterMinutes
• Cassandra-CLIの使い方
• ThriftAPIによるクライアントからの操作
  • Thriftとは
  • Thriftのインストール
• PHPによるクライアントアプリケーションを作る
  • データを取得する簡単なプログラム
  • ThriftAPI
• 最後に
  • 本エントリで取り上げなかったこと
  • 参考

Cassandraとは

そもそもCassandraとは何でしょうか。

長い間データベースと言えばRDBMS(MySQL、PostgreSQL、Oracle Databaseなど)と、それを操作するSQL言語を使用するのが主流でした。しかし、大規模データ処理を必要としたGoogleやAmazonは、リレーショナルデータベースより(ペタバイトクラスの膨大なデータ処理に対して)高速で可用性のある、スケールアウトしやすいデータベースを必要としました。そこで生まれたのがGoogleのBigtableと、AmazonのDynamoです。

Cassandraは、そんなBigtableやDynamoを参考にFacebookが開発したNoSQLデータベースです。現在はApacheソフトウェア財団に寄贈され、オープンソースとして開発が進められています。

アーキテクチャ

Cassandraの特徴

コンシステンシレベル

• W=書き込みを保証するレプリケート数
• R=読み込むレプリケート数
• N=レプリケートしているノード数(storage-conf.xml内の<ReplicationFactor>)
• Q=QUORUM (Q = N / 2 + 1)

R + W > N

データモデル

キースペース

RDBMSでいうデータベースに当たるものです。Cassandraデータモデルの一次元目で、カラムファミリのコンテナになります。一般に1アプリケーションに1キースペースとされます。

カラムファミリ

RDBMSでいうテーブルに当たるものです。カラムのコンテナです。カラムファミリは後述するstorage-conf.xmlで設定して作成します。複数の行(Row)から構成されます。

行(Row)

キーと複数のカラムを持つ。RDBMSでいえば、行はレコード、キーは主キーのイメージです。

カラム

Cassandraでの最小のデータ構造。名前(name)、値(value)、タイムスタンプ(timestamp)を持ちます。

スーパーカラム

値(value)にソート済みの複数のカラムのリストを持つ。スーパーカラムは必ずしも必要ではありません。

• Cassandra-CLIでのデータ挿入
  

  set Keyspace1.Standard2['jsmith']['job']='developer'

• SQLによるINSERT文(※syntax error)
  

  INSERT INTO Keyspace1.Standard2 (job) VALUES('developer') WHERE id='jsmith';

MemtableとSSTable

ハードウェア上のデータの流れはどうなっているでしょうか。
まずCassandraに書き込み操作がされるとCommitLogに書き込まれます。その後、カラムファミリ毎にMemtableというメモリ空間に対して書き込まれます。Memtableが一杯になると、ディスク上にSSTableという形式で保存(フラッシュ)されます。

MemtableではSSTableにフラッシュする際に使用するキーを設定してソートしておくので、MySQLでのランダムアクセスとは違い、HDDにシーケンシャルに書き込みむので、高速です。

ここまで話を聞くと、MemtableからSSTableにフラッシュする回数を極力減らすため、Memtableの容量を設定したくなるかと思いますが、もちろん可能です。後述するstorage-conf.xmlという設定ファイルで、Memtableに使うメモリ容量や保存時間などが指定できます。

セットアップ

# wget http://www.FreeBSDFoundation.org/cgi-bin/download?download=diablo-caffe-freebsd7-i386-1.6.0_07-b02.tar.bz2
# make install clean

# cd /usr/ports/databases/cassandra
# make install clean

# cd /usr/local/share/cassandra
# cp conf/log4j.properties.sample conf/log4j.properties
# cp conf/storage-conf.xml.sample conf/storage-conf.xml

# /usr/local/share/cassandra/bin/cassandra

storage-conf.xmlの設定

Cassandraの最も重要な設定ファイルがstorage-conf.xmlです。このファイル内で、クラスタの各設定や、カラムファミリの作成、Memtableの容量など設定できます。

全ては紹介できませんが、いくつか重要な設定箇所をピックアップします。詳しい情報や設定例はstorage-conf.xml.sampleを見てください。

Keyspace

キースペースを作成します。Name属性を指定して、カラムファミリはこのKeyspaceタグ内に記述します。
今回の設定例:

<Keyspace Name="Keyspace1">
...
</Keyspace>

ColumnFamily

• Name:カラムファミリ名
• ColumnType:カラムタイプ。デフォルトは"Standard"。スーパーカラムを持ちたい場合は"Super"にする。
• CompareWith:カラムのソート方法
• KeysCached:キーをキャッシュする個数(%をつけると割合)

<ColumnFamily Name="Standard2" CompareWith="UTF8Type" KeysCached="100%"/>

MemtableThroughputInMB

MemtableFlushAfterMinutes

フラッシュまでの最大時間。この時間を超えると強制的にフラッシュする。

その他詳しい設定例などは以下をご参考ください。
StorageConfiguration - Cassandra Wiki

Cassandra-CLIの使い方

データモデルの項でチラっと出てきましたが、Cassandra-CLIというクライアントツールを使って、Cassandraのデータを操作してみましょう。

Cassandraを起動した状態で、Cassandra-CLIを立ち上げます。

/usr/local/share/cassandra/bin/cassandra-cli --host localhost --port 9160

Connected to: "Test Cluster" on localhost/9160
Welcome to cassandra CLI.

Type 'help' or '?' for help. Type 'quit' or 'exit' to quit.

cassandra> 

cassandra> set Keyspace1.Standard2['unoh']['age']='25'

set文で、Standard2カラムファミリに'unoh'キーを追加した上で、'age'という名前のカラムに25という値を挿入しました。

実際にちゃんとデータの追加ができているかget文で確認してみます。

cassandra> get Keyspace1.Standard2['unoh']            
=> (column=age, value=25, timestamp=1281559772819000)
Returned 1 results.

cassandra> set Keyspace1.Standard2['unoh']['phone']='03-5766-3911'
Value inserted.
cassandra> set Keyspace1.Standard2['unoh']['web']='www.unoh.net'  
Value inserted.

cassandra> get Keyspace1.Standard2['unoh']                        
=> (column=web, value=www.unoh.net, timestamp=1281560104883000)
=> (column=phone, value=03-5766-3911, timestamp=1281560057868000)
=> (column=age, value=25, timestamp=1281559772819000)
Returned 3 results.

cassandra> help 

ThriftAPIによるクライアントからの操作

Thriftとは

Thriftは、同じくFacebookが開発した言語間サービス開発のためのRPCフレームワークです。C++、C#、Java、OCaml、Perl、Python、PHP、Rubyなどで書かれたプログラム間を通信可能にしてくれます。

CassandraはJavaで書かれているわけですが、Thriftを使うことで、異なる言語からCassandraを操作することができるようになります。CassandraにはThiftインターフェースがあらかじめ用意されているので、Thrift（とCassandra）がサポートしている言語ならどの言語のクライアントコードからでも操作可能です。今回はタイトル通りPHPから利用してみましょう。

※CassandraのAPI/RPC/Thriftポートは9160番です。

Thriftのインストール

# cd /usr/ports/devel/thrift/
# make install clean

# mkdir ~/thrift

# wget http://ftp.riken.jp/net/apache/incubator/thrift/0.2.0-incubating/thrift-0.2.0-incubating.tar.gz
# tar zxvf thrift-0.2.0-incubating.tar.gz
# cp -R thrift-0.2.0/lib/php/src ~/thrift

# cd thrift
# mkdir src/packages
# cp /usr/local/share/cassandra/interface/cassandra.thrift ~/thrift/cassandra.thrift
# thrift --gen php cassandra.thrift
# mv -R gen-php/cassandra src/packages

/thrift
  ├ /src・・・Thriftプロトコルの実装ファイル
　　　├ Thrift.php
      ├ autoload.php
      ├ /ext
      ├ /packages・・・各サーバごとのThriftクライアント(gen-phpとして生成されたコード)
           └ /cassandra・・・cassandra用Thriftクライアントが入ったディレクトリ
                ├ Cassandra.php
                ├ cassandra_constants.php
                └ cassandra_types.php
      ├ /protocol
      └ /transport
  └ /unoh・・・プロジェクトディレクトリ
      └sample.php・・・クライアントアプリケーション(ここで具体的にCassandraを操作するコードを書きます)

PHPによるクライアントアプリケーションを作る

データを取得する簡単なプログラム

 <?php
 $GLOBALS['THRIFT_ROOT'] = '../src';
 require_once $GLOBALS['THRIFT_ROOT'].'/packages/cassandra/Cassandra.php';
 require_once $GLOBALS['THRIFT_ROOT'].'/packages/cassandra/cassandra_types.php';
 
 require_once $GLOBALS['THRIFT_ROOT'].'/transport/TSocket.php';
 require_once $GLOBALS['THRIFT_ROOT'].'/protocol/TBinaryProtocol.php';
 require_once $GLOBALS['THRIFT_ROOT'].'/transport/TFramedTransport.php';
 require_once $GLOBALS['THRIFT_ROOT'].'/transport/TBufferedTransport.php';
 
 try {
   // Thriftの接続用インスタンスの作成                 
   $socket = new TSocket('localhost', 9160);
   $transport = new TBufferedTransport($socket, 1024, 1024);
   $protocol = new TBinaryProtocolAccelerated($transport);
 
   //Cassandraクライアントの作成                        
   $client = new CassandraClient($protocol);
 
   //接続開始                                            
   $transport->open();
 
   // ColumnFamilyの指定                                
   $columnParent = new cassandra_ColumnParent();
   $columnParent->column_family = "Standard2";
 
   //スライスの指定。切り出すColumnの範囲を指定できる。
   $predicate = new cassandra_SlicePredicate();
   $sliceRange = new cassandra_SliceRange();
   //例えば、'age'から'phone'までのColumnを切り出す(Columnは昇順でソートされる)
   $sliceRange->start = "age";
   $sliceRange->finish = "phone";
   $predicate->slice_range = $sliceRange;
 
   //クエリを投げる
   $result = $client->get_slice('Keyspace1', 'unoh', $columnParent,$predicate, cassandra_ConsistencyLevel::ONE);
   //中身を出力してみる
   var_dump($result);
 
   //接続終了
   $transport->close();
 }
 catch (TException $tx) {
   print 'TException: '.$tx->why. ' Error: '.$tx->getMessage() . "\n";
 }

# php ~/thrift/unoh/sample.php

array(2) {
  [0]=>
  object(cassandra_ColumnOrSuperColumn)#9 (2) {
    ["column"]=>
    object(cassandra_Column)#10 (3) {
      ["name"]=>
      string(3) "age"
      ["value"]=>
      string(2) "25"
      ["timestamp"]=>
      float(1.281559772819E+15)
    }
    ["super_column"]=>
    NULL
  }
  [1]=>
  object(cassandra_ColumnOrSuperColumn)#11 (2) {
    ["column"]=>
   object(cassandra_Column)#12 (3) {
      ["name"]=>
      string(5) "phone"
      ["value"]=>
      string(12) "03-5766-3911"
      ["timestamp"]=>
      float(1.281560057868E+15)
    }
    ["super_column"]=>
    NULL
  }
}

ThriftAPI

最後に

本エントリで取り上げなかったこと

参考

• FrontPage_JP - Cassandra Wiki
• 連載：Cassandraのはじめ方─手を動かしてNoSQLを体感しよう｜gihyo.jp ... 技術評論社
• Cassandraメモ(Hishidama's Apache Cassandra Memo)