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被老大怼了我好几次,不要随便提 “分库分表”
2021-07-20 14:09:21


作者:坚持就是胜利 | 来源:rrd.me/gEJnq


关系型数据库本身比较容易成为系统瓶颈,单机存储容量、连接数、处理能力都有限。当单表的数据量达到1000W或100G以后,由于查询维度较多,即使添加从库、优化索引,做很多操作时性能仍下降严重。此时就要考虑对其进行切分了,切分的目的就在于减少数据库的负担,缩短查询时间。

数据库分布式核心内容无非就是数据切分(Sharding),以及切分后对数据的定位、整合。数据切分就是将数据分散存储到多个数据库中,使得单一数据库中的数据量变小,通过扩充主机的数量缓解单一数据库的性能问题,从而达到提升数据库操作性能的目的

数据切分根据其切分类型,可以分为两种方式:垂直(纵向)切分和水平(横向)切分

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的活跃连接数的阈值。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(并发量、吞吐量、崩溃)。

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

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,增加CPU运算的操作。->水平分表。

分库分表

水平分库

1、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。

2、结果:

  • 每个库的结构都一样

  • 每个库中的数据不一样,没有交集

  • 所有库的数据并集是全量数据

3、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的情况下。

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4、分析:库多了,io和cpu的压力自然可以成倍缓解

水平分表

1、概念:以字段为依据,按照一定策略(hash、range等),讲一个表中的数据拆分到多个表中。

2、结果:

  • 每个表的结构都一样

  • 每个表的数据不一样,没有交集,所有表的并集是全量数据。

3、场景:系统绝对并发量没有上来,只是单表的数据量太多,影响了SQL效率,加重了CPU负担,以至于成为瓶颈,可以考虑水平分表。

4、分析:单表的数据量少了,单次执行SQL执行效率高了,自然减轻了CPU的负担。

垂直分库

1、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。

2、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

3、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的情况下。

4、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。再者,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。

垂直分表

1、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中(主表和扩展表)。

2、结果:

  • 每个表的结构不一样。

  • 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。

3、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,查询时回去读磁盘数据产生大量随机读IO,产生IO瓶颈。

4、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(可能经常会查询的数据)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,要想获取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负担并且会将两个表耦合在一起(必须在一个数据库实例上)。关联数据应该在service层进行,分别获取主表和扩展表的数据,然后用关联字段关联得到全部数据。

分库分表工具

  • sharding-jdbc(当当)

  • TSharding(蘑菇街)

  • Atlas(奇虎360)

  • Cobar(阿里巴巴)

  • MyCAT(基于Cobar)

  • Oceanus(58同城)

  • Vitess(谷歌) 各种工具的利弊自查

分库分表带来的问题

分库分表能有效缓解单机和单表带来的性能瓶颈和压力,突破网络IO、硬件资源、连接数的瓶颈,同时也带来一些问题,下面将描述这些问题和解决思路。

事务一致性问题

分布式事务

当更新内容同时存在于不同库找那个,不可避免会带来跨库事务问题。跨分片事务也是分布式事务,没有简单的方案,一般可使用“XA协议”和“两阶段提交”处理。
分布式事务能最大限度保证了数据库操作的原子性。但在提交事务时需要协调多个节点,推后了提交事务的时间点,延长了事务的执行时间,导致事务在访问共享资源时发生冲突或死锁的概率增高。随着数据库节点的增多,这种趋势会越来越严重,从而成为系统在数据库层面上水平扩展的枷锁。

最终一致性

对于那些性能要求很高,但对一致性要求不高的系统,往往不苛求系统的实时一致性,只要在允许的时间段内达到最终一致性即可,可采用事务补偿的方式。与事务在执行中发生错误立刻回滚的方式不同,事务补偿是一种事后检查补救的措施,一些常见的实现方法有:对数据进行对账检查,基于日志进行对比,定期同标准数据来源进行同步等。

跨节点关联查询join问题

切分之前,系统中很多列表和详情表的数据可以通过join来完成,但是切分之后,数据可能分布在不同的节点上,此时join带来的问题就比较麻烦了,考虑到性能,尽量避免使用Join查询。解决的一些方法:

全局表

全局表,也可看做“数据字典表”,就是系统中所有模块都可能依赖的一些表,为了避免库join查询,可以将这类表在每个数据库中都保存一份。这些数据通常很少修改,所以不必担心一致性的问题。

字段冗余

一种典型的反范式设计,利用空间换时间,为了性能而避免join查询。例如,订单表在保存userId的时候,也将userName也冗余的保存一份,这样查询订单详情顺表就可以查到用户名userName,就不用查询买家user表了。但这种方法适用场景也有限,比较适用依赖字段比较少的情况,而冗余字段的一致性也较难保证。

数据组装

在系统service业务层面,分两次查询,第一次查询的结果集找出关联的数据id,然后根据id发起器二次请求得到关联数据,最后将获得的结果进行字段组装。这是比较常用的方法。

ER分片

关系型数据库中,如果已经确定了表之间的关联关系(如订单表和订单详情表),并且将那些存在关联关系的表记录存放在同一个分片上,那么就能较好地避免跨分片join的问题,可以在一个分片内进行join。在1:1或1:n的情况下,通常按照主表的ID进行主键切分。

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跨节点分页、排序、函数问题

跨节点多库进行查询时,会出现limit分页、order by 排序等问题。分页需要按照指定字段进行排序,当排序字段就是分页字段时,通过分片规则就比较容易定位到指定的分片;当排序字段非分片字段时,就变得比较复杂.需要先在不同的分片节点中将数据进行排序并返回,然后将不同分片返回的结果集进行汇总和再次排序,最终返回给用户如下图:

上图只是取第一页的数据,对性能影响还不是很大。但是如果取得页数很大,情况就变得复杂的多,因为各分片节点中的数据可能是随机的,为了排序的准确性,需要将所有节点的前N页数据都排序好做合并,最后再进行整体排序,这样的操作很耗费CPU和内存资源,所以页数越大,系统性能就会越差。
在使用Max、Min、Sum、Count之类的函数进行计算的时候,也需要先在每个分片上执行相应的函数,然后将各个分片的结果集进行汇总再次计算。

全局主键避重问题

在分库分表环境中,由于表中数据同时存在不同数据库中,主键值平时使用的自增长将无用武之地,某个分区数据库自生成ID无法保证全局唯一。因此需要单独设计全局主键,避免跨库主键重复问题。这里有一些策略:

UUID

UUID标准形式是32个16进制数字,分为5段,形式是8-4-4-4-12的36个字符。UUID是最简单的方案,本地生成,性能高,没有网络耗时,但是缺点明显,占用存储空间多,另外作为主键建立索引和基于索引进行查询都存在性能问题,尤其是InnoDb引擎下,UUID的无序性会导致索引位置频繁变动,导致分页。

结合数据库维护主键ID表

在数据库中建立sequence表:

CREATE TABLE `sequence` (    `id` bigint(20) unsigned NOT NULL auto_increment,    `stub` char(1) NOT NULL default '',    PRIMARY KEY  (`id`),    UNIQUE KEY `stub` (`stub`)  ) ENGINE=MyISAM;

stub字段设置为唯一索引,同一stub值在sequence表中只有一条记录,可以同时为多张表生辰全局ID。使用MyISAM引擎而不是InnoDb,已获得更高的性能。MyISAM使用的是表锁,对表的读写是串行的,所以不用担心并发时两次读取同一个ID。当需要全局唯一的ID时,执行:

REPLACE INTO sequence (stub) VALUES ('a');  SELECT LAST_INSERT_ID();

此方案较为简单,但缺点较为明显:存在单点问题,强依赖DB,当DB异常时,整个系统不可用。配置主从可以增加可用性。另外性能瓶颈限制在单台Mysql的读写性能。
另有一种主键生成策略,类似sequence表方案,更好的解决了单点和性能瓶颈问题。这一方案的整体思想是:建立2个以上的全局ID生成的服务器,每个服务器上只部署一个数据库,每个库有一张sequence表用于记录当前全局ID。表中增长的步长是库的数量,起始值依次错开,这样就能将ID的生成散列到各个数据库上

这种方案将生成ID的压力均匀分布在两台机器上,同时提供了系统容错,第一台出现了错误,可以自动切换到第二台获取ID。但有几个缺点:系统添加机器,水平扩展较复杂;每次获取ID都要读取一次DB,DB的压力还是很大,只能通过堆机器来提升性能。

Snowflake分布式自增ID算法

Twitter的snowfalke算法解决了分布式系统生成全局ID的需求,生成64位Long型数字,组成部分:

  • 第一位未使用

  • 接下来的41位是毫秒级时间,41位的长度可以表示69年的时间

  • 5位datacenterId,5位workerId。10位长度最多支持部署1024个节点

  • 最后12位是毫秒内计数,12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序列。

数据迁移、扩容问题

当业务高速发展、面临性能和存储瓶颈时,才会考虑分片设计,此时就不可避免的需要考虑历史数据的迁移问题。一般做法是先读出历史数据,然后按照指定的分片规则再将数据写入到各分片节点中。此外还需要根据当前的数据量个QPS,以及业务发展速度,进行容量规划,推算出大概需要多少分片(一般建议单个分片的单表数据量不超过1000W)

什么时候考虑分库分表

能不分就不分

并不是所有表都需要切分,主要还是看数据的增长速度。切分后在某种程度上提升了业务的复杂程度。不到万不得已不要轻易使用分库分表这个“大招”,避免“过度设计”和“过早优化”。分库分表之前,先尽力做力所能及的优化:升级硬件、升级网络、读写分离、索引优化等。当数据量达到单表瓶颈后,在考虑分库分表。

数据量过大,正常运维影响业务访问

这里的运维是指:

  • 对数据库备份,如果单表太大,备份时需要大量的磁盘IO和网络IO

  • 对一个很大的表做DDL,MYSQL会锁住整个表,这个时间会很长,这段时间业务不能访问此表,影响很大。

  • 大表经常访问和更新,就更有可能出现锁等待。

随着业务发展,需要对某些字段垂直拆分

这里就不举例了。在实际业务中都可能会碰到,有些不经常访问或者更新频率低的字段应该从大表中分离出去。

数据量快速增长

随着业务的快速发展,单表中的数据量会持续增长,当性能接近瓶颈时,就需要考虑水平切分,做分库分表了。

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数据库专区
创建时间:2020-06-16 18:15:35
数据库是存放数据的仓库。它的存储空间很大,可以存放百万条、千万条、上亿条数据。但是数据库并不是随意地将数据进行存放,是有一定的规则的,否则查询的效率会很低。当今世界是一个充满着数据的互联网世界,充斥着大量的数据。即这个互联网世界就是数据世界。数据的来源有很多,比如出行记录、消费记录、浏览的网页、发送的消息等等。除了文本类型的数据,图像、音乐、声音都是数据。 [2]
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