用NodeJS写一个数据库-唐霜

多年前我在用MySQL数据库时，始终没理【版权所有，侵权必究】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。解innodb是什么意思，也就糊弄自己说本文版权归作者所有，未经授权不得转载。本文版权归作者所有，未经授权不得转载。，那个东西就是一种存储数据的格式，多年后【本文首发于唐霜的博客】【本文受版权保护】我自己在写一个桌面应用时，想创建一个用来【本文首发于唐霜的博客】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】存储数据的实体时，接触了sqlite，而本文版权归作者所有，未经授权不得转载。【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】后再接触了leveldb，之所以要接触这未经授权，禁止复制转载。【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net类东西，是因为我想要让自己的应用不需要依本文版权归作者所有，未经授权不得转载。【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】赖用户机器上已经启动的其他数据库服务，而【本文首发于唐霜的博客】【版权所有，侵权必究】是把数据库本身随着应用部署到用户电脑上。本文作者：唐霜，转载请注明出处。【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】而随着我对leveldb了解后，我逐渐意未经授权，禁止复制转载。本文版权归作者所有，未经授权不得转载。识到，它就是和innodb一个层面的东西未经授权，禁止复制转载。【本文首发于唐霜的博客】，被称为“存储引擎”。

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从文件到引擎到最终的数据库，我们怎么才能【原创内容，转载请注明出处】未经授权，禁止复制转载。做一个自己的类似MySQL一样的数据库呢未经授权，禁止复制转载。【原创不易，请尊重版权】？本文我将讲解利用我们市面上已有的工具，【未经授权禁止转载】未经授权，禁止复制转载。用nodejs整合出一个自己的数据库。

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数据库系统的架构【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net

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对于我们习惯了应用开发的开发者而言，很少原创内容，盗版必究。【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】去考虑数据库的整体架构到底是怎样的。如果【本文受版权保护】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。我们不理解数据库系统的整体架构，就没有办未经授权，禁止复制转载。本文版权归作者所有，未经授权不得转载。法做出一个符合自己需求的数据库。

我们常见的数据库有关系型数据库和NoSQ转载请注明出处：www.tangshuang.net【转载请注明来源】L数据库，此外还有其他类型的数据库，如时【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net【本文受版权保护】序数据库、大数据数据库等等。这些数据库各【未经授权禁止转载】转载请注明出处：www.tangshuang.net有各的不同，但是在概念层面，总存在共通的原创内容，盗版必究。【本文首发于唐霜的博客】架构。

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经过总结，我认为数据库系统的架构大致如下转载请注明出处：www.tangshuang.net本文版权归作者所有，未经授权不得转载。，不一定全面，但是可以帮助我们理解数据库【原创不易，请尊重版权】【原创不易，请尊重版权】架构。

著作权归作者所有，禁止商业用途转载。转载请注明出处：www.tangshuang.net【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】未经授权，禁止复制转载。【本文首发于唐霜的博客】

在上述架构图中，处于最底层的，是引擎层，【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】【未经授权禁止转载】我们可能会挑选市面上比较中意的存储引擎，【原创不易，请尊重版权】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。比如MySQL所选用的innodb，El【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【本文受版权保护】astic和Solr所选用的Apache原创内容，盗版必究。【版权所有，侵权必究】 Lucene等等。而存储引擎，很大程度本文版权归作者所有，未经授权不得转载。著作权归作者所有，禁止商业用途转载。上决定了整个数据库的一些特性，甚至整个数转载请注明出处：www.tangshuang.net【版权所有，侵权必究】据库系统的设计都决定了我们是否应该采用该【未经授权禁止转载】本文作者：唐霜，转载请注明出处。引擎，而一旦确定了采用该引擎，就意味着后【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net续的很多开发工作都将被固定下来。基于引擎【作者：唐霜】【原创内容，转载请注明出处】和索引算法，设计一套适合该数据库的索引体【本文受版权保护】【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】系，能够在将来的查询阶段提供非常高的性能著作权归作者所有，禁止商业用途转载。【本文受版权保护】，但是一般而言，索引的建立又会花掉性能。【本文首发于唐霜的博客】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net例如Elastic作为知名的全文搜索引擎【原创内容，转载请注明出处】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。数据库，就在索引层面花了大量的设计。有些转载请注明出处：www.tangshuang.net【原创不易，请尊重版权】引擎还设计了读写锁和事务，特别是写的时候【原创内容，转载请注明出处】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。，因为大部分存储引擎都是基于文件的，所以本文版权归作者所有，未经授权不得转载。著作权归作者所有，禁止商业用途转载。在写入文件时，就存在同时写入的问题，而通本文作者：唐霜，转载请注明出处。【原创不易，请尊重版权】过锁和事务，就可以有效控制数据错误问题。著作权归作者所有，禁止商业用途转载。本文作者：唐霜，转载请注明出处。在这一层，我们要完成“存储单元->【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net转载请注明出处：www.tangshuang.net存储集合+索引->存储库”的设计，【未经授权禁止转载】本文作者：唐霜，转载请注明出处。不管是“Column->Table【作者：唐霜】本文作者：唐霜，转载请注明出处。->Database”还是“Obj未经授权，禁止复制转载。未经授权，禁止复制转载。ect(key-value)->s转载请注明出处：www.tangshuang.net【版权所有，侵权必究】tore->database”，都【转载请注明来源】【本文受版权保护】需要在引擎层提前设计好。甚至，在某些数据转载请注明出处：www.tangshuang.net【转载请注明来源】库设计中，可以同时存在多个引擎，只要封装【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net【转载请注明来源】的好，不同引擎之间还可以相互交互。

在进行更进一步设计之前，我们要知道，不同【转载请注明来源】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。的数据库，针对的场景不同，除了通用的关系【未经授权禁止转载】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。型数据库之外，还有其他场景下的数据库，例【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net如专门用于存储日志的数据库、专门用于大数本文版权归作者所有，未经授权不得转载。【本文受版权保护】据分析的数据库、专门用于流程处理的数据库【转载请注明来源】【未经授权禁止转载】等等。因此，在引擎层的上方，我们看到有一转载请注明出处：www.tangshuang.net未经授权，禁止复制转载。层叫“领域分析”，主要负责对数据应用的场【本文受版权保护】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net景进行分析，以更清楚自己的设计需求。只有【本文首发于唐霜的博客】【作者：唐霜】搞清楚自己的需求之后，我们才能知道，我们原创内容，盗版必究。原创内容，盗版必究。是否存在有多进程的需求，是否需要需要提供未经授权，禁止复制转载。【版权所有】唐霜 www.tangshuang.netC/S架构的服务层，如果都不需要，只是简【本文首发于唐霜的博客】【原创不易，请尊重版权】单的存取数据，那么我们的数据库设计就到此【本文首发于唐霜的博客】【本文受版权保护】结束了，直接用封装好的引擎接口就可以了，本文作者：唐霜，转载请注明出处。【未经授权禁止转载】比如我们在一个手机端app中用来存取用户【未经授权禁止转载】转载请注明出处：www.tangshuang.net在app中进行的内容创作等等，我们可能只【原创内容，转载请注明出处】【本文受版权保护】需要用到sqlite的封装即可，不需要再【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net往上走了。但是，假如我们需要考虑多进程或【作者：唐霜】未经授权，禁止复制转载。多线程或多用户的问题，就需要继续往上。

我们都知道，如果基于存储引擎进行数据存取【版权所有，侵权必究】【版权所有，侵权必究】，就会存在一个争抢资源的问题，比如用户A【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【作者：唐霜】需要写入一条数据的同时，用户B也需要写入著作权归作者所有，禁止商业用途转载。未经授权，禁止复制转载。，此时，就存在一个争抢。而为了避免这种情【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。况发生，存储引擎一般都会做一个设计，即只【作者：唐霜】原创内容，盗版必究。允许在单一线程中打开自己，并通过一个PI【本文受版权保护】本文作者：唐霜，转载请注明出处。D文件记录打开自己的线程，再通过事务机制【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【未经授权禁止转载】来控制写入顺序。但是，正是这一看上去合理著作权归作者所有，禁止商业用途转载。本文作者：唐霜，转载请注明出处。的设计，导致我们在面对多用户读写时，由于【作者：唐霜】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net单个用户的访问往往都是独立一个进程来执行【版权所有，侵权必究】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。，因此，我们需要做一个架构层面的设计，来原创内容，盗版必究。未经授权，禁止复制转载。达到这个目标，这个架构就是我们常说的C/转载请注明出处：www.tangshuang.net【未经授权禁止转载】S架构。我们在Server端用一个进程来【作者：唐霜】转载请注明出处：www.tangshuang.net负责数据的读写，而不同的用户通过Clie【未经授权禁止转载】原创内容，盗版必究。nt端向Server发送消息，所有读写都【原创内容，转载请注明出处】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。交给Server端统一处理，从而达到可多【原创不易，请尊重版权】【本文首发于唐霜的博客】用户同时读写数据的效果。至于查询语言（如本文作者：唐霜，转载请注明出处。【版权所有】唐霜 www.tangshuang.netSQL等），统一在Server端完成执行【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】原创内容，盗版必究。，当然，我们可以把SQL的解析等放到Cl【作者：唐霜】【版权所有，侵权必究】ient端，从而减少服务端的运算压力。C著作权归作者所有，禁止商业用途转载。【版权所有，侵权必究】/S架构也好，B/S架构也好，我们都会发本文版权归作者所有，未经授权不得转载。【未经授权禁止转载】现，服务端需要强大的机器性能，才能支撑我【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。们的某些需求。

在服务端之上，我们还会提供更多的能力，这未经授权，禁止复制转载。原创内容，盗版必究。些能力本质上不属于数据库本身，但是却对数【本文受版权保护】【本文首发于唐霜的博客】据库的管理有非常大的帮助，例如日志和缓存【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net原创内容，盗版必究。。数据库管理系统则是可以提供用户和权限，原创内容，盗版必究。【未经授权禁止转载】以及提供可用户数据本身的管理的可视化页面【本文受版权保护】本文作者：唐霜，转载请注明出处。，甚至像Kibana还提供了统计分析的能【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】【作者：唐霜】力。

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前面讲，C/S架构也好，BS架构也罢，我【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【未经授权禁止转载】们的瓶颈在Server端，而通过应用层，【转载请注明来源】【原创不易，请尊重版权】我们可以对数据库做更上层的架构设计，通过本文作者：唐霜，转载请注明出处。【原创内容，转载请注明出处】云计算的能力，把数据库从底到顶都实现一遍本文作者：唐霜，转载请注明出处。转载请注明出处：www.tangshuang.net优化，以确保数据库的吞吐能力，以及安全风本文作者：唐霜，转载请注明出处。未经授权，禁止复制转载。险的管理等等。

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我们在市面上见过很多非常知名的数据库，例【原创内容，转载请注明出处】【本文首发于唐霜的博客】如MySQL、PostgreSQL、Or【未经授权禁止转载】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.netacle、Mongodb、redis、E转载请注明出处：www.tangshuang.net【作者：唐霜】S（本质上算引擎）、clickhouse【本文受版权保护】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】等等，同时，在不同公司内部也会自己设计和著作权归作者所有，禁止商业用途转载。著作权归作者所有，禁止商业用途转载。实现数据库，例如华为的GaussDB、F【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。acebook的TiDB、中兴的Gold【本文受版权保护】本文作者：唐霜，转载请注明出处。enDB等等。这些数据库有的规模非常宏大【转载请注明来源】原创内容，盗版必究。，单无外乎都是上述的架构模式。

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LevelDB引擎【版权所有，侵权必究】

几年前我研究indexedDB时不断阅读原创内容，盗版必究。【转载请注明来源】标准文档，作为国内比较早深入研究该库的开【原创不易，请尊重版权】未经授权，禁止复制转载。发者之一，在阅读标准文档时发现它的设计非【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【本文受版权保护】常有意思，之后无意之间知道它的底层是基于原创内容，盗版必究。转载请注明出处：www.tangshuang.netleveldb实现的，随后我就对leve【本文首发于唐霜的博客】【未经授权禁止转载】ldb非常痴迷。虽然作为前端开发者，我并著作权归作者所有，禁止商业用途转载。未经授权，禁止复制转载。没有太多兴趣去阅读leveldb的源码，转载请注明出处：www.tangshuang.net未经授权，禁止复制转载。但是谷歌的这一小巧的数据引擎，让我觉得可【本文受版权保护】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】以用它做不少应用的存储工具。

简单讲，LevelDB在很多领域被应用，【原创不易，请尊重版权】转载请注明出处：www.tangshuang.net我们前端开发最熟悉的就是indexedD【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】B、localStorage等等，fac未经授权，禁止复制转载。【作者：唐霜】ebook从leveldb的源码fork【未经授权禁止转载】【本文首发于唐霜的博客】了一份经过优化后发布了rocksdb，并【原创内容，转载请注明出处】【作者：唐霜】基于它发布了TiDB（后面更换了引擎）。【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net原创内容，盗版必究。我之所以关注它，是因为它让我接触了存储引【转载请注明来源】著作权归作者所有，禁止商业用途转载。擎这一比较底层的概念，我以前只了解比较上【转载请注明来源】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。层的数据库，很少有认真思考它的底层数据最【本文首发于唐霜的博客】未经授权，禁止复制转载。终落地为文件时，是如何去存储的，而通过对【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】原创内容，盗版必究。leveldb原理进行了解后，逐渐明白，【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。原来最终一个数据库存储的数据，不是纯粹的【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net未经授权，禁止复制转载。把数据序列化之后生成一个文件的buffe【本文受版权保护】本文作者：唐霜，转载请注明出处。r，而是有多个层面的架构设计，最终文件系本文版权归作者所有，未经授权不得转载。【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net统里面的文件，也不是纯粹的序列化buff【原创不易，请尊重版权】【版权所有】唐霜 www.tangshuang.neter而已。

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正如其名，leveldb的特征正在于它的本文作者：唐霜，转载请注明出处。未经授权，禁止复制转载。分层设计，更细节的可以阅读其他博主的介绍未经授权，禁止复制转载。【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】，我可能不能讲的很详细，总之，基于它的分【原创内容，转载请注明出处】原创内容，盗版必究。层设计，leveldb在读写上有不错的【作者：唐霜】本文作者：唐霜，转载请注明出处。表现。把它作为我们应用的数据存储工具，是【转载请注明来源】【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】一个不错的选择。

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同时，leveldb提供了nodejs的【转载请注明来源】未经授权，禁止复制转载。封装，在它的封装中，包括leveldow【版权所有，侵权必究】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】n、levelup、和其他封装。其中，我【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net【版权所有，侵权必究】们常用的是levelup，它提供了统一的原创内容，盗版必究。转载请注明出处：www.tangshuang.net抽象接口，这些统一抽象接口即是我们更换底本文作者：唐霜，转载请注明出处。原创内容，盗版必究。层的存储引擎，在其他包中导出时，也是拥有【原创内容，转载请注明出处】转载请注明出处：www.tangshuang.net同样的API。用这些nodejs的包，我【版权所有，侵权必究】【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】们可以做出不错的技术选型，然而，要真正构【本文受版权保护】【本文首发于唐霜的博客】建起数据库，还是不大够。

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LevelDB提供了最简单的封装，包含了【原创内容，转载请注明出处】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】基础的kv存储、锁，并且levelup实【转载请注明来源】【作者：唐霜】现了类似事务的封装，不需要开发者主动去调转载请注明出处：www.tangshuang.net著作权归作者所有，禁止商业用途转载。用存储的open和close。但是，一个【未经授权禁止转载】【版权所有，侵权必究】LevelDB实例，只提供一个kv的st【作者：唐霜】转载请注明出处：www.tangshuang.netore，且只能存储字符串或buffer类【版权所有，侵权必究】转载请注明出处：www.tangshuang.net型的值。我们需要一层一层的封装出自己的数著作权归作者所有，禁止商业用途转载。【版权所有，侵权必究】据库。

引擎接口封装【原创不易，请尊重版权】

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在引擎层，我们需要做两件事，一是支持传入【未经授权禁止转载】【版权所有，侵权必究】普通的object，我们自己序列化之后再本文版权归作者所有，未经授权不得转载。本文作者：唐霜，转载请注明出处。存入到库中；二是需要支持索引。其中，索引未经授权，禁止复制转载。【未经授权禁止转载】部分，我们再创建一个store来存储索引【转载请注明来源】转载请注明出处：www.tangshuang.net。索引的算法和数据结构有很多种，我们从B【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】【转载请注明来源】/B+树、二叉树、Hash表等算法中挑选【未经授权禁止转载】【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】一个，既然leveldb本身就是kv，那原创内容，盗版必究。【原创不易，请尊重版权】么我们就用Hash表吧。

class Store {
  constrcutor(options: { rootPath: string }) {
    this.options = options;
    
    // TODO 实例化LevelDB，创建一个用于存储数据，另外一个存储索引
  }
  
  query(params) {
    // 查询数据
  }

  put(data) {
    // 写入数据
  }
}

服务端著作权归作者所有，禁止商业用途转载。

实现C/S架构的S端，我们使用dgram【本文首发于唐霜的博客】转载请注明出处：www.tangshuang.net模块启用一个UDP来运行服务，监听来自客【版权所有，侵权必究】本文作者：唐霜，转载请注明出处。户端的请求。同时，在服务端，我们要实现库本文版权归作者所有，未经授权不得转载。【原创内容，转载请注明出处】的创建和管理能力，日志、缓存和数据库管理【本文受版权保护】未经授权，禁止复制转载。都需要实现。

不过，我们为了让这个数据库轻便一些，我们【转载请注明来源】未经授权，禁止复制转载。并没有把它设计为多database的，而著作权归作者所有，禁止商业用途转载。著作权归作者所有，禁止商业用途转载。是单database单store的，也就著作权归作者所有，禁止商业用途转载。【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net是说，它就像localStorage一样【版权所有，侵权必究】原创内容，盗版必究。，整个应用只有一个kv模型。因此，我们不【版权所有】唐霜 www.tangshuang.net著作权归作者所有，禁止商业用途转载。需要完整实现库的创建和管理，只需要通过服转载请注明出处：www.tangshuang.net【版权所有，侵权必究】务，能让我们的库在server端拥有读写【未经授权禁止转载】【原创不易，请尊重版权】能力即可。

class Server {
  constrcutor(options: { db: Store, port: number, host: string }) {
  }

  start() {
    const socket = dgram.createSocket('udp4');
    socket.on('message', () => {
      // TODO
    });
    socket.bind(this.options.port, this.options.host);

    this.socket = socket;
  }

  stop() {
    this.socket.close();
    this.socket = null;
  }
}

使用UDP的好处，一方面可以拥有更好的性未经授权，禁止复制转载。【作者：唐霜】能，另一方面可以服用TCP的端口。

【未经授权禁止转载】【本文首发于唐霜的博客】转载请注明出处：www.tangshuang.net转载请注明出处：www.tangshuang.net未经授权，禁止复制转载。

最后，我们写一个脚本，让服务跑起来：著作权归作者所有，禁止商业用途转载。

const { port, ROOT } = require('./config');
const Server = require('./cs/server');
const Store = require('./db/store');
const path = require('path');

const rootPath = path.resolve(ROOT, 'db');
const db = new Store({ rootPath });

const server = new Server({
    port,
    db,
});

server.start();

接下来，我们用pm2将这个服务启动起来，【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【本文受版权保护】那么，一个正在运行的数据库服务端就跑起来【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。了。

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【原创不易，请尊重版权】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【未经授权禁止转载】

【未经授权禁止转载】【原创不易，请尊重版权】本文版权归作者所有，未经授权不得转载。原创内容，盗版必究。本文版权归作者所有，未经授权不得转载。

class Client {
  constrcutor(options: { port: number, host: string }) {
     const socket = dgram.createSocket('udp4');
     socket.on('message', (e, address) => {
       // TODO 检查是否为对应port发来的消息
     });
  }

  // TODO
}

转载请注明出处：www.tangshuang.net【原创内容，转载请注明出处】【原创内容，转载请注明出处】【未经授权禁止转载】

结语【原创不易，请尊重版权】

【未经授权禁止转载】【本文首发于唐霜的博客】【访问 www.tangshuang.net 获取更多精彩内容】本文作者：唐霜，转载请注明出处。未经授权，禁止复制转载。

本文的重点在于梳理一个数据库系统的常见架【原创不易，请尊重版权】转载请注明出处：www.tangshuang.net构，再基于这个架构，用nodejs和le【原创不易，请尊重版权】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】veldb实现一个我们自己的数据库。当然著作权归作者所有，禁止商业用途转载。【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】，要让数据库稳定运行，且能够支撑庞大的用【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】本文作者：唐霜，转载请注明出处。户请求，还需要应用层面的架构，例如做一些【本文首发于唐霜的博客】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】主从设计，甚至分布式集群设计等等。虽然本【本文受版权保护】【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】文的内容非常简单，但是通过这一介绍，让我【原创内容，转载请注明出处】转载请注明出处：www.tangshuang.net们也能在数据库的设计中，有了一定的基础了【关注微信公众号：wwwtangshuangnet】【原创不易，请尊重版权】解。

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2023-07-02 4591

唐霜

用NodeJS写一个数据库