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从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

MySQL 彭东稳 2530次浏览 已收录 1个评论

分库分表原则

关系型数据库本身比较容易成为系统性能瓶颈,单机存储容量、连接数、处理能力等都很有限,数据库本身的“有状态性”导致了它并不像Web和应用服务器那么容易扩展。在互联网行业海量数据和高并发访问的考验下,聪明的技术人员提出了分库分表技术(有些地方也称为Sharding、分片)。同时,流行的分布式系统中间件(例如MongoDB、ElasticSearch等)均自身友好支持Sharding,其原理和思想都是大同小异的。

目前针对海量数据的优化,其分库分表是MySQL永远的话题,一般情况下认为MySQL是个简单的数据库,在数据量大到一定程度之后处理查询的效率降低,如果需要继续保持高性能运转的话,必须分库或者分表了。关于数据量达到多少大是个极限这个事儿,本文先不讨论,研究源码的同学已经证实MySQL或者Innodb内部的锁粒度太大的问题大大限制了MySQL提供QPS的能力或者处理大规模数据的能力。在这点上,一般的使用者只好坐等官方不断推出的优化版本了。

在一般运维的角度来看,我们什么情况下需要考虑分库分表?

首先说明,这里所说的分库分表是指把数据库数据的物理拆分到多个实例或者多台机器上去,而不是类似分区表的原地切分。

原则零:能不分就不分

是的,MySQL 是关系数据库,数据库表之间的关系从一定的角度上映射了业务逻辑。任何分库分表的行为都会在某种程度上提升业务逻辑的复杂度,数据库除了承载数据的存储和访问外,协助业务更好的实现需求和逻辑也是其重要工作之一。分库分表会带来数据的合并,查询或者更新条件的分离,事务的分离等等多种后果,业务实现的复杂程度往往会翻倍或者指数级上升。所以,在分库分表之前,不要为分而分,去做其他力所能及的事情吧,例如升级硬件,升级,升级网络,升级数据库版本,读写分离,负载均衡等等。所有分库分表的前提是,这些你已经尽力了。

原则一:数据量太大,正常的运维影响正常业务访问

这里说的运维,例如:

1)对数据库的备份。如果单表或者单个实例太大,在做备份的时候需要大量的磁盘IO或者网络IO资源。例如1T的数据,网络传输占用50MB的时候,需要20000秒才能传输完毕,在此整个过程中的维护风险都是高于平时的。我们在Qunar的做法是给所有的数据库机器添加第二块网卡,用来做备份,或者SST,Group Communication等等各种内部的数据传输。1T的数据的备份,也会占用大量的磁盘IO,如果是SSD还好,当然这里忽略某些厂商的产品在集中IO的时候会出一些BUG的问题。如果是普通的物理磁盘,则在不限流的情况下去执行xtrabackup,该实例基本不可用。

2)对数据表的修改。如果某个表过大,对此表做DDL的时候,MySQL会锁住全表,这个时间可能很长,在这段时间业务不能访问此表,影响甚大。解决的办法有类似腾讯游戏DBA自己改造的可以在线秒改表,不过他们目前也只是能添加字段而已,对别的DDL还是无效;或者使用pt-online-schema-change,当然在使用过程中,它需要建立触发器和影子表,同时也需要很长很长的时间,在此操作过程中的所有时间,都可以看做是风险时间。把数据表切分,总量减小,有助于改善这种风险。

3)整个表热点,数据访问和更新频繁,经常有锁等待,你又没有能力去修改源码,降低锁的粒度,那么只会把其中的数据物理拆开,用空间换时间,变相降低访问压力。

原则二:表设计不合理,需要对某些字段垂直拆分

这里举一个例子,如果你有一个用户表,在最初设计的时候可能是这样:

一般的users表会有很多字段,我就不列举了。如上所示,在一个简单的应用中,这种设计是很常见的。但是:

设想情况一:你的业务中彩了,用户数从100w飙升到10个亿。你为了统计活跃用户,在每个人登录的时候都会记录一下他的最近登录时间。并且的用户活跃得很,不断的去更新这个login_time,搞的你的这个表不断的被update,压力非常大。那么,在这个时候,只要考虑对它进行拆分,站在业务的角度,最好的办法是先把last_login_time拆分出去,我们叫它 user_time。这样做,业务的代码只有在用到这个字段的时候修改一下就行了。如果你不这么做,直接把users表水平切分了,那么,所有访问users表的地方,都要修改。或许你会说,我有proxy,能够动态merge数据。到目前为止我还从没看到谁家的proxy不影响性能的。

设想情况二:personal_info这个字段本来没啥用,你就是让用户注册的时候填一些个人爱好而已,基本不查询。一开始的时候有它没它无所谓。但是到后来发现两个问题,一,这个字段占用了大量的空间,因为是text嘛,有很多人喜欢长篇大论地介绍自己。更糟糕的是二,不知道哪天哪个产品经理心血来潮,说允许个人信息公开吧,以方便让大家更好的相互了解。那么在所有人猎奇窥私心理的影响下,对此字段的访问大幅度增加。数据库压力瞬间抗不住了,这个时候,只好考虑对这个表的垂直拆分了。

原则三:某些数据表出现了无穷增长

例子很好举,各种的评论,消息,日志记录。这个增长不是跟人口成比例的,而是不可控的,例如微博的feed的广播,我发一条消息,会扩散给很多很多人。虽然主体可能只存一份,但不排除一些索引或者路由有这种存储需求。这个时候,增加存储,提升机器配置已经苍白无力了,水平切分是最佳实践。拆分的标准很多,按用户的,按时间的,按用途的,不在一一举例。

原则四:安全性和可用性的考虑

这个很容易理解,鸡蛋不要放在一个篮子里,我不希望我的数据库出问题,但我希望在出问题的时候不要影响到100%的用户,这个影响的比例越少越好,那么,水平切分可以解决这个问题,把用户,库存,订单等等本来同统一的资源切分掉,每个小的数据库实例承担一小部分业务,这样整体的可用性就会提升。这对Qunar这样的业务还是比较合适的,人与人之间,某些库存与库存之间,关联不太大,可以做一些这样的切分。

原则五:业务耦合性考虑

这个跟上面有点类似,主要是站在业务的层面上,我们的火车票业务和烤羊腿业务是完全无关的业务,虽然每个业务的数据量可能不太大,放在一个MySQL实例中完全没问题,但是很可能烤羊腿业务的DBA 或者开发人员水平很差,动不动给你出一些幺蛾子,直接把数据库搞挂。这个时候,火车票业务的人员虽然技术很优秀,工作也很努力,照样被老板打屁股。解决的办法很简单:惹不起,躲得起。

分库分表方案

垂直拆分(垂直分表)

垂直分表在日常开发和设计中比较常见,通俗的说法叫做“大表拆小表”,拆分是基于关系型数据库中的“列”(字段)进行的。通常情况,某个表中的字段比较多,可以新建立一张“扩展表”,将不经常使用或者长度较大的字段拆分出去放到“扩展表”中,如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

在字段很多的情况下,拆分开确实更便于开发和维护(笔者曾见过某个遗留系统中,一个大表中包含100多列的)。某种意义上也能避免“跨页”的问题(MySQL、MSSQL底层都是通过“数据页”来存储的,“跨页”问题可能会造成额外的性能开销,这里不展开,感兴趣的朋友可以自行查阅相关资料进行研究)。

拆分字段的操作建议在数据库设计阶段就做好。如果是在发展过程中拆分,则需要改写以前的查询语句,会额外带来一定的成本和风险,建议谨慎。

垂直拆分(垂直分库)

垂直分库在“微服务”盛行的今天已经非常普及了。基本的思路就是按照业务模块来划分出不同的数据库,而不是像早期一样将所有的数据表都放到同一个数据库中。如下图:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

小结

系统层面的“服务化”拆分操作,能够解决业务系统层面的耦合和性能瓶颈,有利于系统的扩展维护。而数据库层面的拆分,道理也是相通的。与服务的“治理”和“降级”机制类似,我们也能对不同业务类型的数据进行“分级”管理、维护、监控、扩展等。

众所周知,数据库往往最容易成为应用系统的瓶颈,而数据库本身属于“有状态”的,相对于Web和应用服务器来讲,是比较难实现“横向扩展”的。数据库的连接资源比较宝贵且单机处理能力也有限,在高并发场景下,垂直分库一定程度上能够突破IO、连接数及单机硬件资源的瓶颈,是大型分布式系统中优化数据库架构的重要手段。

然后,很多人并没有从根本上搞清楚为什么要拆分,也没有掌握拆分的原则和技巧,只是一味的模仿大厂的做法。导致拆分后遇到很多问题(例如:跨库join,分布式事务等)。

优势:降低高并发情况下,对于表的锁定。

不足:对于单表来说,随着数据库的记录增多,读写压力将进一步增大。

水平拆分(水平分表)

水平分表也称为横向分表,比较容易理解,就是将表中不同的数据行按照一定规律分布到不同的数据库表中(这些表保存在同一个数据库中),这样来降低单表数据量,优化查询性能。最常见的方式就是通过主键或者时间等字段进行Hash和取模后拆分。如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

如果单表的IO压力大,可以考虑用水平分割,其原理就是通过hash算法,将一张表分为N多页,并通过一个新的表(总表),记录着每个页的的位置。假如一个门户网站,它的数据库表已经达到了1000万条记录,那么此时如果通过select去查询,必定会效率低下(不做索引的前提下)。为了降低单表的读写IO压力,通过水平分割,将这个表分成10个页,同时生成一个总表,记录各个页的信息,那么假如我查询一条id=100的记录,它不再需要全表扫描,而是通过总表找到该记录在哪个对应的页上,然后再去相应的页做检索,这样就降低了IO压力。

当下分表有静态分表和动态分表两种:

静态分表:事先估算出表能达到的量,然后根据每一个表需要存多少数据直接算出需要创建表的数量。如:1亿数据每一个表100W条数据那就要建100张表,然后通过一定的hash算法计算每一条数据存放在那张表。其实就有点像是使用partition table一样。静态分表有一个毙命就是当分的那么多表还不满足时,需要再扩展难度和成本就会很高。

动态分表:同样也是对大数据量的表进行拆分,他可以避免静态分表带来的后遗症。当然也需要在设计上多一些东西(这往往是我们能接受的)。

某种意义上来讲,有些系统中使用的“冷热数据分离”(将一些使用较少的历史数据迁移到其他的数据库中。而在业务功能上,通常默认只提供热点数据的查询),也是类似的实践。在高并发和海量数据的场景下,分库分表能够有效缓解单机和单库的性能瓶颈和压力,突破IO、连接数、硬件资源的瓶颈。当然,投入的硬件成本也会更高。同时,这也会带来一些复杂的技术问题和挑战(例如:跨分片的复杂查询,跨分片事务等)

分库分表难点

垂直分库带来的问题和解决思路:

1)跨库join的问题

在拆分之前,系统中很多列表和详情页所需的数据是可以通过sql join来完成的。而拆分后,数据库可能是分布式在不同实例和不同的主机上,join将变得非常麻烦。而且基于架构规范,性能,安全性等方面考虑,一般是禁止跨库join的。那该怎么办呢?首先要考虑下垂直分库的设计问题,如果可以调整,那就优先调整。如果无法调整的情况,下面笔者将结合以往的实际经验,总结几种常见的解决思路,并分析其适用场景。

跨库Join的几种解决思路

全局表

所谓全局表,就是有可能系统中所有模块都可能会依赖到的一些表。比较类似我们理解的“数据字典”。为了避免跨库join查询,我们可以将这类表在其他每个数据库中均保存一份。同时,这类数据通常也很少发生修改(甚至几乎不会),所以也不用太担心“一致性”问题。

字段冗余

这是一种典型的反范式设计,在互联网行业中比较常见,通常是为了性能来避免join查询。

举个电商业务中很简单的场景:

“订单表”中保存“卖家Id”的同时,将卖家的“Name”字段也冗余,这样查询订单详情的时候就不需要再去查询“卖家用户表”。

字段冗余能带来便利,是一种“空间换时间”的体现。但其适用场景也比较有限,比较适合依赖字段较少的情况。最复杂的还是数据一致性问题,这点很难保证,可以借助数据库中的触发器或者在业务代码层面去保证。当然,也需要结合实际业务场景来看一致性的要求。就像上面例子,如果卖家修改了Name之后,是否需要在订单信息中同步更新呢?

数据同步

定时A库中的tab_a表和B库中tbl_b有关联,可以定时将指定的表做同步。当然,同步本来会对数据库带来一定的影响,需要性能影响和数据时效性中取得一个平衡。这样来避免复杂的跨库查询。笔者曾经在项目中是通过ETL工具来实施的。

系统层组装

在系统层面,通过调用不同模块的组件或者服务,获取到数据并进行字段拼装。说起来很容易,但实践起来可真没有这么简单,尤其是数据库设计上存在问题但又无法轻易调整的时候。具体情况通常会比较复杂。

2)跨库事务(分布式事务)的问题

按业务拆分数据库之后,不可避免的就是“分布式事务”的问题。想要了解分布式事务,就需要了解“XA接口”和“两阶段提交”。值得提到的是,MySQL5.5x和5.6x中的xa支持是存在问题的,会导致主从数据不一致。直到5.7x版本中才得到修复。Java应用程序可以采用Atomikos框架来实现XA事务(J2EE中JTA)。感兴趣的读者可以自行参考《分布式事务一致性解决方案》,链接地址:http://www.infoq.com/cn/articles/solution-of-distributed-system-transaction-consistency

垂直分库总结和实践建议

本篇中主要描述了几种常见的拆分方式,并着重介绍了垂直分库带来的一些问题和解决思路。读者朋友可能还有些问题和疑惑。

1. 我们目前的数据库是否需要进行垂直分库?

根据系统架构和公司实际情况来,如果你们的系统还是个简单的单体应用,并且没有什么访问量和数据量,那就别着急折腾“垂直分库”了,否则没有任何收益,也很难有好结果。

切记,“过度设计”和“过早优化”是很多架构师和技术人员常犯的毛病。

2. 垂直拆分有没有原则或者技巧?

没有什么黄金法则和标准答案。一般是参考系统的业务模块拆分来进行数据库的拆分。比如“用户服务”,对应的可能就是“用户数据库”。但是也不一定严格一一对应。有些情况下,数据库拆分的粒度可能会比系统拆分的粒度更粗。笔者也确实见过有些系统中的某些表原本应该放A库中的,却放在了B库中。有些库和表原本是可以合并的,却单独保存着。还有些表,看起来放在A库中也OK,放在B库中也合理。

如何设计和权衡,这个就看实际情况和架构师/开发人员的水平了。

3. 上面举例的都太简单了,我们的后台报表系统中join的表都有n个了,分库后该怎么查?

有很多朋友跟我提过类似的问题。其实互联网的业务系统中,本来就应该尽量避免join的,如果有多个join的,要么是设计不合理,要么是技术选型有误。请自行科普下OLAP和OLTP,报表类的系统在传统BI时代都是通过OLAP数据仓库去实现的(现在则更多是借助离线分析、流式计算等手段实现),而不该向上面描述的那样直接在业务库中执行大量join和统计。

常见分片规则和策略

分布式全局唯一ID

在很多中小项目中,我们往往直接使用数据库自增特性来生成主键ID,这样确实比较简单。而在分库分表的环境中,数据分布在不同的分片上,不能再借助数据库自增长特性直接生成,否则会造成不同分片上的数据表主键会重复。简单介绍下使用和了解过的几种ID生成算法。

1. Twitter的Snowflake(又名“雪花算法”)

2. UUID/GUID(一般应用程序和数据库均支持)

3. MongoDB ObjectID(类似UUID的方式)

4. Ticket Server(数据库生存方式,Flickr采用的就是这种方式)

其中,Twitter的Snowflake算法是近几年在分布式系统项目中使用最多的,未发现重复或并发的问题。该算法生成的是64位唯一Id(由41位的timestamp+10位自定义的机器码+13位累加计数器组成)。这里不做过多介绍,感兴趣的读者可自行查阅相关资料。

分片字段该如何选择

在开始分片之前,我们首先要确定分片字段(也可称为“片键”)。很多常见的例子和场景中是采用ID或者时间字段进行拆分。这也并不绝对的,我的建议是结合实际业务,通过对系统中执行的sql语句进行统计分析,选择出需要分片的那个表中最频繁被使用,或者最重要的字段来作为分片字段。

常见的分片策略有随机分片和连续分片这两种,如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

当需要使用分片字段进行范围查找时,连续分片可以快速定位分片进行高效查询,大多数情况下可以有效避免跨分片查询的问题。后期如果想对整个分片集群扩容时,只需要添加节点即可,无需对其他分片的数据进行迁移。但是,连续分片也有可能存在数据热点的问题,就像图中按时间字段分片的例子,有些节点可能会被频繁查询压力较大,热数据节点就成为了整个集群的瓶颈。而有些节点可能存的是历史数据,很少需要被查询到。

随机分片其实并不是随机的,也遵循一定规则。通常,我们会采用Hash取模的方式进行分片拆分,所以有些时候也被称为离散分片。随机分片的数据相对比较均匀,不容易出现热点和并发访问的瓶颈。但是,后期分片集群扩容起来需要迁移旧的数据。使用一致性Hash算法能够很大程度的避免这个问题,所以很多中间件的分片集群都会采用一致性Hash算法。离散分片也很容易面临跨分片查询的复杂问题。

数据迁移,容量规划,扩容等问题

很少有项目会在初期就开始考虑分片设计的,一般都是在业务高速发展面临性能和存储的瓶颈时才会提前准备。因此,不可避免的就需要考虑历史数据迁移的问题。一般做法就是通过程序先读出历史数据,然后按照指定的分片规则再将数据写入到各个分片节点中。

此外,我们需要根据当前的数据量和QPS等进行容量规划,综合成本因素,推算出大概需要多少分片(一般建议单个分片上的单表数据量不要超过1000W)。

如果是采用随机分片,则需要考虑后期的扩容问题,相对会比较麻烦。如果是采用的范围分片,只需要添加节点就可以自动扩容。

跨分片技术问题

跨分片的排序分页

一般来讲,分页时需要按照指定字段进行排序。当排序字段就是分片字段的时候,我们通过分片规则可以比较容易定位到指定的分片,而当排序字段非分片字段的时候,情况就会变得比较复杂了。为了最终结果的准确性,我们需要在不同的分片节点中将数据进行排序并返回,并将不同分片返回的结果集进行汇总和再次排序,最后再返回给用户。如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

上面图中所描述的只是最简单的一种情况(取第一页数据),看起来对性能的影响并不大。但是,如果想取出第10页数据,情况又将变得复杂很多,如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

有些读者可能并不太理解,为什么不能像获取第一页数据那样简单处理(排序取出前10条再合并、排序)。其实并不难理解,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,必须把所有分片节点的前N页数据都排序好后做合并,最后再进行整体的排序。很显然,这样的操作是比较消耗资源的,用户越往后翻页,系统性能将会越差。

跨分片的函数处理

在使用Max、Min、Sum、Count之类的函数进行统计和计算的时候,需要先在每个分片数据源上执行相应的函数处理,然后再将各个结果集进行二次处理,最终再将处理结果返回。如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

跨分片join

Join是关系型数据库中最常用的特性,但是在分片集群中,join也变得非常复杂。应该尽量避免跨分片的join查询(这种场景,比上面的跨分片分页更加复杂,而且对性能的影响很大)。通常有以下几种方式来避免:

全局表

全局表的概念之前在“垂直分库”时提过。基本思想一致,就是把一些类似数据字典又可能会产生join查询的表信息放到各分片中,从而避免跨分片的join。

ER分片

在关系型数据库中,表之间往往存在一些关联的关系。如果我们可以先确定好关联关系,并将那些存在关联关系的表记录存放在同一个分片上,那么就能很好的避免跨分片join问题。在一对多关系的情况下,我们通常会选择按照数据较多的那一方进行拆分。如下图所示:

从原则、方案、策略及难点阐述分库分表

这样一来,Data Node1上面的订单表与订单详细表就可以直接关联,进行局部的join查询了,Data Node2上也一样。基于ER分片的这种方式,能够有效避免大多数业务场景中的跨分片join问题。

内存计算

随着spark内存计算的兴起,理论上来讲,很多跨数据源的操作问题看起来似乎都能够得到解决。可以将数据丢给spark集群进行内存计算,最后将计算结果返回。

<摘之>

周彦伟:http://mp.weixin.qq.com/s/BI2P45pnzUceCSQWU961zA

丁浪:http://www.infoq.com/cn/articles/key-steps-and-likely-problems-of-split-table


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  1. 好文章啊!为何不提供分享功能
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