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好好的系统,为什么要分库分表?

收藏 2022-11-25 11:30:13   4   开源中国
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大家好,我是小富~

说在前边

今天是《分库分表 ShardingSphere 原理与实战》系列的开篇文章,之前写过几篇关于分库分表的文章反响都还不错,到现在公众号:程序员小富后台不断的有人留言、咨询分库分表的问题,我也没想到大家对于分库分表的话题会这么感兴趣,可能很多人的工作内容业务量较小很难接触到这方面的技能。这个系列在我脑子里筹划了挺久的,奈何手说啥也不干活,就一直拖到了现在。

其实网上关于分库分表相关的文章很多,但我还是坚持出这个系列,主要是自己学习研究,顺便给分享,对于一个知识,不同的人从不同的角度理解的不尽相同。

网上的资料看似很多,不过值得学有价值的得仔细挑,很多时候在筛选甄别的过程中,逐渐的磨灭了本就不高的学习热情。搬运抄袭雷同的东西太多,而且知识点又都比较零碎,很少有细致的原理实战案例。对新手来说妥妥的从入门到放弃,即便有成体系的基本上几篇后就断更了(希望我不会吧!)。

我不太喜欢堆砌名词概念,熟悉我的朋友不难发现,我的文章从来都是讲完原理紧跟着来一波实战操作。学习技术原理必须配合实操巩固一下,不然三天半不到忘得干干净净,纯纯的经验之谈。

ShardingSphere知识点梳理

上图是我初步罗列的ShardingSphere提纲,在官网文档基础上补充了很多基础知识,这个系列会用几十篇文章,详细的梳理分库分表基础理论,手把手的实战ShardingSphere 5.X框架的功能和解读源码,以及开发中容易踩坑的点,每篇附带代码案例demo,旨在让新手也能看的懂,后续系列完结全部内容会整理成PDF分享给大家,期待一下吧!

话不多说,咱们这就进入正题~

不急于上手实战ShardingSphere框架,先来复习下分库分表的基础概念,技术名词大多晦涩难懂,不要死记硬背理解最重要,当你捅破那层窗户纸,发现其实它也就那么回事。

什么是分库分表

分库分表是在海量数据下,由于单库、表数据量过大,导致数据库性能持续下降的问题,演变出的技术方案。

分库分表是由分库分表这两个独立概念组成的,只不过通常分库与分表的操作会同时进行,以至于我们习惯性的将它们合在一起叫做分库分表。

通过一定的规则,将原本数据量大的数据库拆分成多个单独的数据库,将原本数据量大的表拆分成若干个数据表,使得单一的库、表性能达到最优的效果(响应速度快),以此提升整体数据库性能。

为什么分库分表

单机数据库的存储能力、连接数是有限的,它自身就很容易会成为系统的瓶颈。当单表数据量在百万以里时,我们还可以通过添加从库、优化索引提升性能。

一旦数据量朝着千万以上趋势增长,再怎么优化数据库,很多操作性能仍下降严重。为了减少数据库的负担,提升数据库响应速度,缩短查询时间,这时候就需要进行分库分表。

为什么需要分库?

容量

我们给数据库实例分配的磁盘容量是固定的,数据量持续的大幅增长,用不了多久单机的容量就会承载不了这么多数据,解决办法简单粗暴,加容量!

连接数

单机的容量可以随意扩展,但数据库的连接数却是有限的,在高并发场景下多个业务同时对一个数据库操作,很容易将连接数耗尽导致too many connections报错,导致后续数据库无法正常访问。

可以通过max_connections查看MySQL最大连接数。

show variables like '%max_connections%'

将原本单数据库按不同业务拆分成订单库、物流库、积分库等不仅可以有效分摊数据库读写压力,也提高了系统容错性。

为什么需要分表?

做过报表业务的同学应该都体验过,一条SQL执行时间超过几十秒的场景。

导致数据库查询慢的原因有很多,SQL没命中索引、like扫全表、用了函数计算,这些都可以通过优化手段解决,可唯独数据量大是MySQL无法通过自身优化解决的。慢的根本原因是InnoDB存储引擎,聚簇索引结构的 B+tree 层级变高,磁盘IO变多查询性能变慢,详细原理自行查找一下,这里不用过多篇幅说明。

阿里的开发手册中有条建议,单表行数超500万行或者单表容量超过2GB,就推荐分库分表,然而理想和实现总是有差距的,阿里这种体量的公司不差钱当然可以这么用,实际上很多公司单表数据几千万、亿级别仍然不选择分库分表。

什么时候分库分表

技术群里经常会有小伙伴问,到底什么情况下会用分库分表呢?

分库分表要解决的是现存海量数据访问的性能瓶颈,对持续激增的数据量所做出的架构预见性。

是否分库分表的关键指标是数据量,我们以fire100.top这个网站的资源表 t_resource为例,系统在运行初始的时候,每天只有可怜的几十个资源上传,这时使用单库、单表的方式足以支持系统的存储,数据量小几乎没什么数据库性能瓶颈。

但某天开始一股神秘的流量进入,系统每日产生的资源数据量暴增至十万甚至上百万级别,这时资源表数据量到达千万级,查询响应变得缓慢,数据库的性能瓶颈逐渐显现。

以MySQL数据库为例,单表的数据量在达到亿条级别,通过加索引、SQL调优等传统优化策略,性能提升依旧微乎其微时,就可以考虑做分库分表了。

既然MySQL存储海量数据时会出现性能瓶颈,那么我们是不是可以考虑用其他方案替代它?比如高性能的非关系型数据库MongoDB

可以,但要看存储的数据类型!

现在互联网上大部分公司的核心数据几乎是存储在关系型数据库(MySQL、Oracle等),因为它们有着NoSQL如法比拟的稳定性和可靠性,产品成熟生态系统完善,还有核心的事务功能特性,也是其他存储工具不具备的,而评论、点赞这些非核心数据还是可以考虑用MongoDB的。

如何分库分表

分库分表的核心就是对数据的分片(Sharding)并相对均匀的路由在不同的库、表中,以及分片后对数据的快速定位与检索结果的整合。

分库与分表可以从:垂直(纵向)和 水平(横向)两种纬度进行拆分。下边我们以经典的订单业务举例,看看如何拆分。

垂直拆分

1、垂直分库

垂直分库一般来说按照业务和功能的维度进行拆分,将不同业务数据分别放到不同的数据库中,核心理念 专库专用

按业务类型对数据分离,剥离为多个数据库,像订单、支付、会员、积分相关等表放在对应的订单库、支付库、会员库、积分库。不同业务禁止跨库直连,获取对方业务数据一律通过API接口交互,这也是微服务拆分的一个重要依据。

垂直分库

垂直分库很大程度上取决于业务的划分,但有时候业务间的划分并不是那么清晰,比如:电商中订单数据的拆分,其他很多业务都依赖于订单数据,有时候界线不是很好划分。

垂直分库把一个库的压力分摊到多个库,提升了一些数据库性能,但并没有解决由于单表数据量过大导致的性能问题,所以就需要配合后边的分表来解决。

2、垂直分表

垂直分表针对业务上字段比较多的大表进行的,一般是把业务宽表中比较独立的字段,或者不常用的字段拆分到单独的数据表中,是一种大表拆小表的模式。

例如:一张t_order订单表上有几十个字段,其中订单金额相关字段计算频繁,为了不影响订单表t_order的性能,就可以把订单金额相关字段拆出来单独维护一个t_order_price_expansion扩展表,这样每张表只存储原表的一部分字段,通过订单号order_no做关联,再将拆分出来的表路由到不同的库中。

数据库它是以行为单位将数据加载到内存中,这样拆分以后核心表大多是访问频率较高的字段,而且字段长度也都较短,因而可以加载更多数据到内存中,减少磁盘IO,增加索引查询的命中率,进一步提升数据库性能。

水平拆分

上边垂直分库、垂直分表后还是会存在单库、表数据量过大的问题,当我们的应用已经无法在细粒度的垂直切分时,依旧存在单库读写、存储性能瓶颈,这时就要配合水平分库、水平分表一起了。

1、水平分库

水平分库是把同一个表按一定规则拆分到不同的数据库中,每个库可以位于不同的服务器上,以此实现水平扩展,是一种常见的提升数据库性能的方式。

例如:db_orde_1db_order_2两个数据库内有完全相同的t_order表,我们在访问某一笔订单时可以通过对订单的订单编号取模的方式 订单编号 mod 2 (数据库实例数) ,指定该订单应该在哪个数据库中操作。

这种方案往往能解决单库存储量及性能瓶颈问题,但由于同一个表被分配在不同的数据库中,数据的访问需要额外的路由工作,因此系统的复杂度也被提升了。

2、水平分表

水平分表是在同一个数据库内,把一张大数据量的表按一定规则,切分成多个结构完全相同表,而每个表只存原表的一部分数据。

例如:一张t_order订单表有900万数据,经过水平拆分出来三个表,t_order_1t_order_2t_order_3,每张表存有数据300万,以此类推。

水平分表尽管拆分了表,但子表都还是在同一个数据库实例中,只是解决了单一表数据量过大的问题,并没有将拆分后的表分散到不同的机器上,还在竞争同一个物理机的CPU、内存、网络IO等。要想进一步提升性能,就需要将拆分后的表分散到不同的数据库中,达到分布式的效果。

数据存在哪个库的表

分库分表以后会出现一个问题,一张表会出现在多个数据库里,到底该往哪个库的哪个表里存呢?

上边我们多次提到过一定规则 ,其实这个规则它是一种路由算法,决定了一条数据具体应该存在哪个数据库的哪张表里。

常见的有 取模算法范围限定算法范围+取模算法预定义算法

1、取模算法

关键字段取模(对hash结果取余数 hash(XXX) mod N),N为数据库实例数或子表数量)是最为常见的一种路由方式。

t_order订单表为例,先给数据库从 0 到 N-1进行编号,对 t_order订单表中order_no订单编号字段进行取模hash(order_no) mod N,得到余数ii=0存第一个库,i=1存第二个库,i=2存第三个库,以此类推。

同一笔订单数据会落在同一个库、表里,查询时用相同的规则,用t_order订单编号作为查询条件,就能快速的定位到数据。

优点

实现简单,数据分布相对比较均匀,不易出现请求都打到一个库上的情况。

缺点

取模算法对集群的伸缩支持不太友好,集群中有N个数据库实·hash(user_id) mod N,当某一台机器宕机,本应该落在该数据库的请求就无法得到处理,这时宕掉的实例会被踢出集群。

此时机器数减少算法发生变化hash(user_id) mod N-1,同一用户数据落在了在不同数据库中,等这台机器恢复,用user_id作为条件查询用户数据就会少一部分。

2、范围限定算法

范围限定算法以某些范围字段,如时间ID区拆分。

用户表t_user被拆分成t_user_1t_user_2t_user_3三张表,后续将user_id范围为1 ~ 1000w的用户数据放入t_user_1,1000~ 2000w放入t_user_2,2000~3000w放入t_user_3,以此类推。按日期范围划分同理。

优点

  • 单表数据量是可控的
  • 水平扩展简单只需增加节点即可,无需对其他分片的数据进行迁移

缺点

  • 由于连续分片可能存在数据热点,比如按时间字段分片时,如果某一段时间(双11等大促)订单骤增,存11月数据的表可能会被频繁的读写,其他分片表存储的历史数据则很少被查询,导致数据倾斜,数据库压力分摊不均匀。

3、范围 + 取模算法

为了避免热点数据的问题,我们可以对上范围算法优化一下

这次我们先通过范围算法定义每个库的用户表t_user只存1000w数据,第一个db_order_1库存放userId从1 ~ 1000w,第二个库1000~2000w,第三个库2000~3000w,以此类推。

每个库里再把用户表t_user拆分成t_user_1t_user_2t_user_3等,对userd进行取模路由到对应的表中。

有效的避免数据分布不均匀的问题,数据库水平扩展也简单,直接添加实例无需迁移历史数据。

4、地理位置分片

地理位置分片其实是一个更大的范围,按城市或者地域划分,比如华东、华北数据放在不同的分片库、表。

5、预定义算法

预定义算法是事先已经明确知道分库和分表的数量,可以直接将某类数据路由到指定库或表中,查询的时候亦是如此。

分库分表出来的问题

了解了上边分库分表的拆分方式不难发现,相比于拆分前的单库单表,系统的数据存储架构演变到现在已经变得非常复杂。看几个具有代表性的问题,比如:

分页、排序、跨节点联合查询

分页、排序、联合查询,这些看似普通,开发中使用频率较高的操作,在分库分表后却是让人非常头疼的问题。把分散在不同库中表的数据查询出来,再将所有结果进行汇总合并整理后提供给用户。

比如:我们要查询11、12月的订单数据,如果两个月的数据是分散到了不同的数据库实例,则要查询两个数据库相关的数据,在对数据合并排序、分页,过程繁琐复杂。

事务一致性

分库分表后由于表分布在不同库中,不可避免会带来跨库事务问题。后续会分别以阿里的Seata和MySQL的XA协议实现分布式事务,用来比较各自的优势与不足。

全局唯一的主键

分库分表后数据库表的主键ID业务意义就不大了,因为无法在标识唯一一条记录,例如:多张表t_order_1t_order_2的主键ID全部从1开始会重复,此时我们需要主动为一条记录分配一个ID,这个全局唯一的ID就叫分布式ID,发放这个ID的系统通常被叫发号器。

多数据库高效治理

对多个数据库以及库内大量分片表的高效治理,是非常有必要,因为像某宝这种大厂一次大促下来,订单表可能会被拆分成成千上万个t_order_n表,如果没有高效的管理方案,手动建表、排查问题是一件很恐怖的事。

历史数据迁移

分库分表架构落地以后,首要的问题就是如何平滑的迁移历史数据,增量数据和全量数据迁移,这又是一个比较麻烦的事情,后边详细讲。

分库分表架构模式

分库分表架构主要有两种模式:client客户端模式和proxy代理模式

客户模式

client模式指分库分表的逻辑都在你的系统应用内部进行控制,应用会将拆分后的SQL直连多个数据库进行操作,然后本地进行数据的合并汇总等操作。

代理模式

proxy代理模式将应用程序与MySQL数据库隔离,业务方的应用不在需要直连数据库,而是连接proxy代理服务,代理服务实现了MySQL的协议,对业务方来说代理服务就是数据库,它会将SQL分发到具体的数据库进行执行,并返回结果。该服务内有分库分表的配置,根据配置自动创建分片表。

如何抉择

如何选择client模式和proxy模式,我们可以从以下几个方面来简单做下比较。

1、性能

性能方面client模式表现的稍好一些,它是直接连接MySQL执行命令; proxy代理服务则将整个执行链路延长了,应用->代理服务->MySQL,可能导致性能有一些损耗,但两者差距并不是非常大。

2、复杂度

client模式在开发使用通常引入一个jar可以; proxy代理模式则需要搭建单独的服务,有一定的维护成本,既然是服务那么就要考虑高可用,毕竟应用的所有SQL都要通过它转发至MySQL。

3、升级

client模式分库分表一般是依赖基础架构团队的Jar包,一旦有版本升级或者Bug修改,所有应用到的项目都要跟着升级。小规模的团队服务少升级问题不大,如果是大公司服务规模大,且涉及到跨多部门,那么升级一次成本就比较高;

proxy模式在升级方面优势很明显,发布新功能或者修复Bug,只要重新部署代理服务集群即可,业务方是无感知的,但要保证发布过程中服务的可用性。

4、治理、监控

client模式由于是内嵌在应用内,应用集群部署不太方便统一处理;proxy模式在对SQL限流、读写权限控制、监控、告警等服务治理方面更优雅一些。

结束语

本文主要是回顾一下分库分表的一些基础概念,为大家在后续ShardingSphere实践中更好上手理解,内容里很多概念一笔带过没详细展开,接下来的篇幅会逐一解读。

下一篇预告《分库分表ShardingSphere的基础知识点梳理》

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