分库分表方案

一、数据库瓶颈

不管是IO瓶颈,还是CPU瓶颈,最终都会导致数据库的活跃连接数增加,进而逼近甚至达到数据库可承载活跃连接数的阈值。在业务Service来看就是,可用数据库连接少甚至无连接可用。接下来就可以想象了吧(并发量、吞吐量、崩溃)。

1、IO瓶颈

第一种:磁盘读IO瓶颈,热点数据太多,数据库缓存放不下,每次查询时会产生大量的IO,降低查询速度 -> 分库和垂直分表。

第二种:网络IO瓶颈,请求的数据太多,网络带宽不够 -> 分库。

2、CPU瓶颈

第一种:SQL问题,如SQL中包含join,group by,order by,非索引字段条件查询等,增加CPU运算的操作 -> SQL优化,建立合适的索引,在业务Service层进行业务计算。

第二种:单表数据量太大,查询时扫描的行太多,SQL效率低,CPU率先出现瓶颈 -> 水平分表。

二、分库分表

1、水平分库

分库分表方案
概念:以字段为依据,按照一定策略(hash、range等),将一个库中的数据拆分到多个库中。

结果:

每个库的结构都一样;
每个库的数据都不一样,没有交集;
所有库的并集是全量数据;

场景:系统绝对并发量上来了,分表难以根本上解决问题,并且还没有明显的业务归属来垂直分库。

分析:库多了,io和cpu的压力自然可以成倍缓解。

几种典型的分片规则

  • 按照用户 ID 求模,将数据分散到不同的数据库,具有相同数据用户的数据都被分散到一个库中。
  • 按照日期,将不同月甚至日的数据分散到不同的库中。
  • 按照某个特定的字段求摸,或者根据特定范围段分散到不同的库中。

如图,切分原则都是根据业务找到适合的切分规则分散到不同的库,下面用用户 ID 求模举例:

分库分表方案
优点:

  • 拆分规则抽象好,join 操作基本可以数据库做。
  • 不存在单库大数据,高并发的性能瓶颈。
  • 应用端改造较少。
  • 提高了系统的稳定性跟负载能力。

缺点:

  • 拆分规则难以抽象。
  • 分片事务一致性难以解决。
  • 数据多次扩展难度跟维护量极大。
  • 跨库 join 性能较差。

切分共同的问题

垂直切分跟水平切分不同的优缺点,会发现每种切分方式都有缺点,但共同的特点缺点有:

  • 引入分布式事务的问题。
  • 跨节点 Join 的问题。
  • 跨节点合并排序分页问题。
  • 多数据源管理问题。

一般来讲业务存在着复杂 join 的场景是难以切分的,往往业务独立的易于切分。如何切分,切分到何种程度是考验技术架构的一个难题。

切分的一些原则

由于数据切分后数据 Join 的难度在此也分享一下数据切分的经验:

第一原则:能不切分尽量不要切分。
第二原则:如果要切分一定要选择合适的切分规则,提前规划好。
第三原则:数据切分尽量通过数据冗余或表分组(Table Group)来降低跨库 Join 的可能。
第四原则:由于数据库中间件对数据 Join 实现的优劣难以把握,而且实现高性能难度极大,业务读取尽量少使用多表 Join。

数据库的切分引申的数据源管理思考

主要有两种思路:

  • A. 客户端模式,在每个应用程序模块中配置管理自己需要的一个(或者多个)数据源,直接访问各个数据
    库,在模块内完成数据的整合;
  • B. 通过中间代理层来统一管理所有的数据源,后端数据库集群对前端应用程序透明;

可能 90%以上的人在面对上面这两种解决思路的时候都会倾向于选择第二种,尤其是系统不断变得庞大复杂的时候。确实,这是一个非常正确的选择,虽然短期内需要付出的成本可能会相对更大一些,但是对整个系统的扩展性来说,是非常有帮助的。

中间件

mycat 是基于Java开发所设计的,PHP选择第一种比较简单

为了减少业务人员的压力,
常用一些中间件,如 mycat Cobar
其结构大约如下图

分库分表方案
中间件的直接感受
这里 简单试用了下,mycat ,使用的例子是其官方例子

过程:
mysql 新建三个库db1,db2,db3
在linux服务器上 安装mycat. 配置好mycat对三个库,表的对应,mycat的rules 等.

后续使用时,将mycat 当作mysql来使用即可,
insert 三条数据进 mycat 的 TESTDB 的 travelrecord 表,

结果如下:
三条数据的实际存储位置在db1,db2,db3中

分库分表方案

2、水平分表

相对于垂直拆分,水平拆分不是将表做分类,而是按照某个字段的某种规则来分散到多个库之中,每个表中包含一部分数据。

简单来说,我们可以将数据的水平切分理解为是按照数据行的切分,就是将表中的某些行切分到一个数据库,而另外的某些行又切分到其他的数据库中。
分库分表方案

3、垂直分库

分库分表方案
概念:以表为依据,按照业务归属不同,将不同的表拆分到不同的库中。

结果:

每个库的结构都不一样;
每个库的数据也不一样,没有交集;
所有库的并集是全量数据;
场景:系统绝对并发量上来了,并且可以抽象出单独的业务模块。

分析:到这一步,基本上就可以服务化了。例如,随着业务的发展一些公用的配置表、字典表等越来越多,这时可以将这些表拆到单独的库中,甚至可以服务化。再有,随着业务的发展孵化出了一套业务模式,这时可以将相关的表拆到单独的库中,甚至可以服务化。

4、垂直分表

分库分表方案
概念:

以字段为依据,按照字段的活跃性,将表中字段拆到不同的表(主表和扩展表)中。

结果:

每个表的结构都不一样;
每个表的数据也不一样,一般来说,每个表的字段至少有一列交集,一般是主键,用于关联数据;
所有表的并集是全量数据;

场景:

系统绝对并发量并没有上来,表的记录并不多,但是字段多,并且热点数据和非热点数据在一起,单行数据所需的存储空间较大。以至于数据库缓存的数据行减少,查询时会去读磁盘数据产生大量的随机读IO,产生IO瓶颈。

分析:可以用列表页和详情页来帮助理解。垂直分表的拆分原则是将热点数据(可能会冗余经常一起查询的数据)放在一起作为主表,非热点数据放在一起作为扩展表。这样更多的热点数据就能被缓存下来,进而减少了随机读IO。拆了之后,要想获得全部数据就需要关联两个表来取数据。

但记住,千万别用join,因为join不仅会增加CPU负担并且会讲两个表耦合在一起(必须在一个数据库实例上)。关联数据,应该在业务Service层做文章,分别获取主表和扩展表数据然后用关联字段关联得到全部数据。

三、分库分表工具

  • sharding-sphere:jar,前身是sharding-jdbc;
  • TDDL:jar,Taobao Distribute Data Layer;
  • Mycat:中间件

注:工具的利弊,请自行调研,官网和社区优先。

四、分库分表步骤

根据容量(当前容量和增长量)评估分库或分表个数 -> 选key(均匀)-> 分表规则(hash或range等)-> 执行(一般双写)-> 扩容问题(尽量减少数据的移动)。

扩展MySQL:分库分表与分区的区别和思考

冗余法

分库分表方案

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