NoSQLデータベース入門：種類と特徴から活用事例まで完全解説

NoSQLデータベースは、従来のリレーショナルデータベース（RDBMS）では対応が難しい大規模データの処理や柔軟なデータ管理を実現する次世代のデータベース技術です。

本記事では、NoSQLの基礎から実践的な活用方法まで、初心者にもわかりやすく解説します。

ビッグデータ時代に不可欠となったNoSQLについて、その特徴や種類、適切な使い分けを理解しましょう。

はじめに

みなさんが毎日使っているスマートフォンアプリやWebサイト。友達とメッセージをやり取りしたり、オンラインで買い物をしたり、ニュースを読んだり…。これらのサービスの裏側では、データベースと呼ばれる技術が活躍しています。データベースとは、大量のデータを効率的に保存・管理するためのシステムのことです。例えば、ECサイトであれば、商品情報や顧客情報、注文履歴など、膨大な量のデータをデータベースに格納し、必要な時に必要なデータを取り出して利用しています。

従来のデータベースはRDBMS（リレーショナルデータベース管理システム）と呼ばれ、データをテーブルと呼ばれる表形式で管理するのが特徴です。テーブルは、Excelのように行と列で構成され、それぞれの列にはデータの種類（例えば、氏名、年齢、住所など）が定義されています。RDBMSでは、SQLと呼ばれる言語を使ってデータを操作します。SQLを使うことで、様々な条件でデータを検索したり、複数のテーブルを組み合わせて複雑な処理を行ったりすることができます。RDBMSは、データの整合性を保ち、複雑な処理を行うのに適していますが、データ量が増えてくると処理速度が遅くなる、拡張性が低いといったデメリットも抱えています。特に、Webサイトやスマートフォンアプリのように、アクセスが集中し、データ量が爆発的に増加するような状況では、RDBMSでは対応が難しいケースも出てきました。

そこで近年注目を集めているのがNoSQLです。NoSQLは “Not Only SQL” の略称で、RDBMS以外のデータベース管理システムの総称です。RDBMSとは異なるデータモデルを採用することで、従来のデータベースでは難しかった、大量データの高速処理や柔軟なデータ管理を実現しています。

NoSQLとは

RDBMS

RDBMSは、リレーショナルデータベースを管理するためのシステムです。リレーショナルデータベースとは、データを2次元の表の集合として表現するデータベースです。表は行と列で構成され、各列は属性、各行はレコードと呼ばれます。複数の表を関連付けることで、複雑なデータ構造を表現することができます。RDBMSの特徴としては、ACID特性を満たすことが挙げられます。ACID特性とは、データベースのトランザクション処理における信頼性を保証するための4つの特性のことです。

• 原子性（Atomicity）: トランザクション内の処理は、すべて成功するか、すべて失敗するかのいずれかであり、中途半端な状態にならないことを保証します。
• 一貫性（Consistency）: トランザクションの前後で、データベースは一貫した状態を保つことを保証します。
• 独立性（Isolation）: 並行して実行される複数のトランザクションは、互いに干渉しないことを保証します。
• 永続性（Durability）: 一度コミットされたトランザクションは、システム障害が発生しても失われないことを保証します。

NoSQL

NoSQLは、RDBMSとは異なるアプローチでデータを管理するデータベースシステムです。NoSQLが登場した背景には、インターネットの普及に伴うデータ量の増大や、Webサービスのような柔軟なシステム開発への需要の高まりなどがあります。NoSQLの主な特徴として、以下の点が挙げられます。

• スキーマレス: あらかじめデータ構造を厳密に定義する必要がなく、柔軟なデータモデルに対応できます。
• 水平スケーラビリティ: 複数のサーバーにデータを分散して保存することで、容易にシステムを拡張できます。
• 高速処理: 大量データの読み書きを高速に行うことができます。
• 多様なデータモデル: キーバリュー型、ドキュメント型、カラム指向型、グラフ型など、様々なデータモデルに対応しています。

また、NoSQLは、RDBMSのACID特性とは異なるBASE特性を持つことが多いです。BASE特性とは、Basically Available（基本的な可用性）、Soft state（柔軟な状態）、Eventually consistent（結果整合性）の3つの特性の頭文字をとったものです。NoSQLでは、可用性やパフォーマンスを優先するために、データの整合性についてはRDBMSほど厳密ではありません。

NoSQLの種類

NoSQLは、大きく分けて以下の4つの種類に分類されます。

キーバリュー型

データを「キー」と「バリュー」のペアで管理する最もシンプルな形式です。キーはデータの識別子として機能し、キーを使って高速に値を取得できます。データ構造が単純なため、高速な読み書き処理に優れていますが、複雑なクエリには対応できません。例えば、キャッシュやセッション管理などに利用されます。

ドキュメント型

データをドキュメント形式（JSON, XMLなど）で管理します。ドキュメントは、キーと値のペアの集合であり、階層構造やリストなどの複雑なデータ構造を表現することができます。データ構造が柔軟であるため、Webアプリケーションやモバイルアプリケーションなどに適しています。

カラム指向型

データを列単位で管理します。行指向のRDBMSとは異なり、列単位でデータを保存するため、特定の列へのアクセスや集計処理を高速に行うことができます。大量データの分析や集計処理に優れていますが、データの更新処理には不向きです。例えば、ログ分析やデータウェアハウスなどに利用されます。

グラフ型

データをノードとエッジで表現し、データ間の関係性を管理します。ノードはエンティティ（例えば、人、物、場所など）を表し、エッジはノード間の関係性（例えば、友達、所属、位置など）を表します。ソーシャルネットワークやレコメンデーションシステムなど、データ間の関係性を分析する必要があるアプリケーションに適しています。

NoSQLデータベースは、それぞれ異なる特徴を持つため、アプリケーションの要件に合わせて適切な種類を選択することが重要です。例えば、キーバリュー型はシンプルなデータ構造で高速な処理が必要な場合に適しており、ドキュメント型は柔軟なデータ構造が必要な場合に適しています。カラム指向型は大量データの分析に適しており、グラフ型はデータ間の関係性を分析する必要がある場合に適しています。

NoSQLが使われている場面

NoSQLは、以下のようなユースケースで特に効果を発揮します。

ソーシャルメディア

FacebookやTwitterのようなソーシャルメディアでは、膨大な数のユーザー情報や投稿データを管理する必要があります。NoSQLは、このような大量データの高速処理に適しており、ユーザーのタイムライン表示や友達検索などを高速に行うことができます。

ECサイト

AmazonやRakutenのようなECサイトでは、商品情報や顧客情報、購買履歴など、様々なデータを管理する必要があります。NoSQLは、柔軟なデータモデルに対応できるため、商品情報の追加や変更にも柔軟に対応することができます。例えば、ドキュメント型データベースMongoDBは、ECサイトの商品情報管理に活用されています。

IoT

IoT（Internet of Things）デバイスから収集される大量のセンサーデータをリアルタイムに処理する必要がある場合、NoSQLが有効です。NoSQLは、高速なデータ書き込み処理に優れており、センサーデータのリアルタイム分析や可視化などに利用することができます。

ゲーム

オンラインゲームでは、ランキングやユーザーデータなどを高速に処理する必要があります。NoSQLは、高速な読み書き処理に優れているため、ゲームのレスポンス速度向上に貢献することができます。

金融

金融機関では、リアルタイム取引や不正検知などにNoSQLを利用しています。NoSQLは、高速なデータ処理と柔軟なデータモデルに対応できるため、金融取引のリアルタイム処理や不正検知システムの構築に役立ちます。

従来のRDBMSとNoSQLは、それぞれ得意な分野が異なります。以下を参考に、用途に合わせて使い分けることが重要です。

• RDBMS: データの整合性が重要で、複雑な検索や集計を行う必要がある場合（例: 銀行システム、会計システム）
• NoSQL: 大量データの高速処理や柔軟なデータ管理が必要な場合（例: ソーシャルメディア、ECサイト）

まとめ

NoSQLは、ビッグデータ時代に対応した新しいデータベースシステムです。従来のRDBMSとは異なるデータモデルを採用することで、大量データの高速処理や柔軟なデータ管理を実現し、様々な分野で活用されています。今後、IoTやAIの普及に伴い、NoSQLの重要性はさらに高まっていくでしょう。NoSQLを理解することは、これからのITシステム開発においてますます重要になってくると言えます。

NoSQLの種類と特徴一覧表

練習問題

NoSQLについて理解を深めるために、練習問題に挑戦してみましょう！

まけまけ

フルスタックエンジニア

会社の研修でpythonを勉強し始めました。