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数据库分库分表最佳实践及说明

2020-03-26    
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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

CPU瓶颈


分库分表

水平分库

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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:

 

水平分表

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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:

 

垂直分库

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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:

 

垂直分表

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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:

 


分库分表工具


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。

  1. 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。

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:

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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;
复制代码

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();  
复制代码

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

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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

 

数据库分库分表最佳实践及说明

 

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:

 

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:

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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