MySql-高级(分库分表问题简析) 学习笔记

1. 为什么要分库分表？

• 说白了，分库分表是两回事儿，大家可别搞混了，可能是光分库不分表，也可能是光分表不分库，都有可能。
• 我先给大家抛出来一个场景。
• 假如我们现在是一个小创业公司，现在注册用户就 20 万，每天活跃用户就 1 万，每天单表数据量就 1000，然后高峰期每秒钟并发请求最多就 10。天，就这种系统，随便找一个有几年工作经验的，然后带几个刚培训出来的，随便干干都可以。
• 结果没想到我们运气居然这么好，碰上个 CEO 带着我们走上了康庄大道，业务发展迅猛，过了几个月，注册用户数达到了 2000 万！每天活跃用户数 100 万！每天单表数据量 10 万条！高峰期每秒最大请求达到 1000！
• 好吧，没事，现在大家感觉压力已经有点大了，为啥呢？因为每天多 10 万条数据，一个月就多 300 万条数据，现在咱们单表已经几百万数据了，马上就破千万了。但是勉强还能撑着。高峰期请求现在是 1000，咱们线上部署了几台机器，负载均衡搞了一下，数据库撑 1000QPS 也还凑合。但是大家现在开始感觉有点担心了，接下来咋整呢…
• 再接下来几个月，我的天，CEO 太牛逼了，公司用户数已经达到 1 亿，因为此时每天活跃用户数上千万，每天单表新增数据多达 50 万，目前一个表总数据量都已经达到了两三千万了！扛不住啊！数据库磁盘容量不断消耗掉！高峰期并发达到惊人的 5000~8000！别开玩笑了，哥。我跟你保证，你的系统支撑不到现在，已经挂掉了！
• 好吧，所以你看到这里差不多就理解分库分表是怎么回事儿了，实际上这是跟着你的公司业务发展走的，你公司业务发展越好，用户就越多，数据量越大，请求量越大，那你单个数据库一定扛不住。

分表

• 比如你单表都几千万数据了，你确定你能扛住么？绝对不行，单表数据量太大，会极大影响你的 sql 执行的性能，到了后面你的 sql 可能就跑的很慢了。一般来说，就以我的经验来看，单表到几百万的时候，性能就会相对差一些了，你就得分表了。
• 分表是啥意思？就是把一个表的数据放到多个表中，然后查询的时候你就查一个表。比如按照用户 id 来分表，将一个用户的数据就放在一个表中。然后操作的时候你对一个用户就操作那个表就好了。这样可以控制每个表的数据量在可控的范围内，比如每个表就固定在 200 万以内。

分库

• 分库是啥意思？就是你一个库一般我们经验而言，最多支撑到并发 2000，一定要扩容了，而且一个健康的单库并发值你最好保持在每秒 1000 左右，不要太大。那么你可以将一个库的数据拆分到多个库中，访问的时候就访问一个库好了。

#	分库分表前	分库分表后
并发支撑情况	MySQL 单机部署，扛不住高并发	MySQL从单机到多机，能承受的并发增加了多倍
磁盘使用情况	MySQL 单机磁盘容量几乎撑满	拆分为多个库，数据库服务器磁盘使用率大大降低
SQL 执行性能	单表数据量太大，SQL 越跑越慢	单表数据量减少，SQL 执行效率明显提升

2. 用过哪些分库分表中间件？不同的分库分表中间件都有什么优点和缺点？

• 这个其实就是看看你了解哪些分库分表的中间件，各个中间件的优缺点是啥？然后你用过哪些分库分表的中间件。
• 比较常见的包括：

  Cobar
  TDDL
  Atlas
  Sharding-jdbc
  Mycat

1. Cobar

• 阿里 b2b 团队开发和开源的，属于 proxy 层方案，就是介于应用服务器和数据库服务器之间。应用程序通过 JDBC 驱动访问 Cobar 集群，Cobar 根据 SQL 和分库规则对 SQL 做分解，然后分发到 MySQL 集群不同的数据库实例上执行。早些年还可以用，但是最近几年都没更新了，基本没啥人用，差不多算是被抛弃的状态吧。而且不支持读写分离、存储过程、跨库 join 和分页等操作。

2. TDDL

• 淘宝团队开发的，属于 client 层方案。支持基本的 crud 语法和读写分离，但不支持 join、多表查询等语法。目前使用的也不多，因为还依赖淘宝的 diamond 配置管理系统。

3. Atlas

• 360 开源的，属于 proxy 层方案，以前是有一些公司在用的，但是确实有一个很大的问题就是社区最新的维护都在 5 年前了。所以，现在用的公司基本也很少了。

4. Sharding-jdbc

• 当当开源的，属于 client 层方案，目前已经更名为 ShardingSphere（后文所提到的 Sharding-jdbc，等同于 ShardingSphere）。确实之前用的还比较多一些，因为 SQL 语法支持也比较多，没有太多限制，而且截至 2019.4，已经推出到了 4.0.0-RC1 版本，支持分库分表、读写分离、分布式 id 生成、柔性事务（最大努力送达型事务、TCC 事务）。而且确实之前使用的公司会比较多一些（这个在官网有登记使用的公司，可以看到从 2017 年一直到现在，是有不少公司在用的），目前社区也还一直在开发和维护，还算是比较活跃，个人认为算是一个现在也可以选择的方案。

5. Mycat

• 基于 Cobar 改造的，属于 proxy 层方案，支持的功能非常完善，而且目前应该是非常火的而且不断流行的数据库中间件，社区很活跃，也有一些公司开始在用了。但是确实相比于 Sharding jdbc 来说，年轻一些，经历的锤炼少一些。

6. 总结

• 综上，现在其实建议考量的，就是 Sharding-jdbc 和 Mycat，这两个都可以去考虑使用。
• Sharding-jdbc 这种 client 层方案的优点在于不用部署，运维成本低，不需要代理层的二次转发请求，性能很高，但是如果遇到升级啥的需要各个系统都重新升级版本再发布，各个系统都需要耦合 Sharding-jdbc 的依赖；
• Mycat 这种 proxy 层方案的缺点在于需要部署，自己运维一套中间件，运维成本高，但是好处在于对于各个项目是透明的，如果遇到升级之类的都是自己中间件那里搞就行了。
• 通常来说，这两个方案其实都可以选用，但是我个人建议中小型公司选用 Sharding-jdbc，client 层方案轻便，而且维护成本低，不需要额外增派人手，而且中小型公司系统复杂度会低一些，项目也没那么多；但是中大型公司最好还是选用 Mycat 这类 proxy 层方案，因为可能大公司系统和项目非常多，团队很大，人员充足，那么最好是专门弄个人来研究和维护 Mycat，然后大量项目直接透明使用即可。

3. 你们具体是如何对数据库如何进行垂直拆分或水平拆分的？

• 水平拆分的意思，就是把一个表的数据给弄到多个库的多个表里去，但是每个库的表结构都一样，只不过每个库表放的数据是不同的，所有库表的数据加起来就是全部数据。水平拆分的意义，就是将数据均匀放更多的库里，然后用多个库来扛更高的并发，还有就是用多个库的存储容量来进行扩容。
  
• 垂直拆分的意思，就是把一个有很多字段的表给拆分成多个表，或者是多个库上去。每个库表的结构都不一样，每个库表都包含部分字段。一般来说，会将较少的访问频率很高的字段放到一个表里去，然后将较多的访问频率很低的字段放到另外一个表里去。因为数据库是有缓存的，你访问频率高的行字段越少，就可以在缓存里缓存更多的行，性能就越好。这个一般在表层面做的较多一些。
  
• 这个其实挺常见的，不一定我说，大家很多同学可能自己都做过，把一个大表拆开，订单表、订单支付表、订单商品表。
• 还有表层面的拆分，就是分表，将一个表变成 N 个表，就是让每个表的数据量控制在一定范围内，保证 SQL 的性能。否则单表数据量越大，SQL 性能就越差。一般是 200 万行左右，不要太多，但是也得看具体你怎么操作，也可能是 500 万，或者是 100 万。你的SQL越复杂，就最好让单表行数越少。
• 好了，无论分库还是分表，上面说的那些数据库中间件都是可以支持的。就是基本上那些中间件可以做到你分库分表之后，中间件可以根据你指定的某个字段值，比如说 userid，自动路由到对应的库上去，然后再自动路由到对应的表里去。
• 你就得考虑一下，你的项目里该如何分库分表？一般来说，垂直拆分，你可以在表层面来做，对一些字段特别多的表做一下拆分；水平拆分，你可以说是并发承载不了，或者是数据量太大，容量承载不了，你给拆了，按什么字段来拆，你自己想好；分表，你考虑一下，你如果哪怕是拆到每个库里去，并发和容量都 ok 了，但是每个库的表还是太大了，那么你就分表，将这个表分开，保证每个表的数据量并不是很大。
• 而且这儿还有两种分库分表的方式：
  • 一种是按照 range 来分，就是每个库一段连续的数据，这个一般是按比如时间范围来的，但是这种一般较少用，因为很容易产生热点问题，大量的流量都打在最新的数据上了。
  • 或者是按照某个字段 hash 一下均匀分散，这个较为常用。
• range 来分，好处在于说，扩容的时候很简单，因为你只要预备好，给每个月都准备一个库就可以了，到了一个新的月份的时候，自然而然，就会写新的库了；缺点，但是大部分的请求，都是访问最新的数据。实际生产用 range，要看场景。
• hash 分发，好处在于说，可以平均分配每个库的数据量和请求压力；坏处在于说扩容起来比较麻烦，会有一个数据迁移的过程，之前的数据需要重新计算 hash 值重新分配到不同的库或表。

4. 分库分表时，数据迁移方案

1. 停机迁移方案

• 先是，app 挂个公告，说 0 点到早上 6 点进行运维，无法访问。
• 接着到 0 点停机，系统停掉，没有流量写入了，此时老的单库单表数据库静止了。
• 然后使用之前得写好一个导数的一次性工具，此时直接跑起来，然后将单库单表的数据读出来，写到分库分表里面去。
• 导数完了之后，修改系统的数据库连接配置啥的，包括可能代码和 SQL 也许有修改，那你就用最新的代码，然后直接启动连到新的分库分表上去。
• 验证一下，ok了。
• 但是这种方法的问题就是必须停机，若一天没有迁移成功需要接连几天凌晨进行迁移
  

2. 双写迁移方案

• 这个是我们常用的一种迁移方案，比较靠谱一些，不用停机。
• 简单来说，就是在线上系统里面，之前所有写库的地方，增删改操作，除了对老库增删改，都加上对新库的增删改，这就是所谓的双写，同时对老库和新库写入。
• 然后系统部署之后，新库数据差太远，使用导数工具，跑起来读老库数据写新库，写的时候要根据更新时间这类字段判断这条数据最后修改的时间，除非是读出来的数据在新库里没有，或者是比新库的数据新才会写。简单来说，就是不允许用老数据覆盖新数据。
• 导完一轮之后，有可能数据还是存在不一致，那么就程序自动做一轮校验，比对新老库每个表的每条数据，接着如果有不一样的，就针对那些不一样的，从老库读数据再次写。反复循环，直到两个库每个表的数据都完全一致为止。
• 最后将向老库写数据的代码删除，重新部署一次，就好了
• 这种方式也不需要停机，只需要导数工具在后台一直运行即可。
  

5. 如何设计可以动态扩容缩容的分库分表方案？

• 对于分库分表来说，主要是面对以下问题：

  • 选择一个数据库中间件，调研、学习、测试；
  • 设计你的分库分表的一个方案，你要分成多少个库，每个库分成多少个表，比如 3 个库，每个库 4 个表；
  • 基于选择好的数据库中间件，以及在测试环境建立好的分库分表的环境，然后测试一下能否正常进行分库分表的读写；
  • 完成单库单表到分库分表的迁移，双写方案；
  • 线上系统开始基于分库分表对外提供服务；
  • 扩容了，扩容成 6 个库，每个库需要 12 个表，你怎么来增加更多库和表呢？

分库方案

1. 设定好几台数据库服务器，每台服务器上几个库，每个库多少个表，推荐是 32 库 * 32 表，对于大部分公司来说，可能几年都够了。
2. 路由的规则，orderId % 32 = 库，orderId / 32 % 32 = 表
3. 扩容的时候，申请增加更多的数据库服务器，装好 mysql，呈倍数扩容，4 台服务器，扩到 8 台服务器，再到 16 台服务器。
4. 由 dba 负责将原先数据库服务器的库，迁移到新的数据库服务器上去，库迁移是有一些便捷的工具的。
5. 我们这边就是修改一下配置，调整迁移的库所在数据库服务器的地址。
6. 重新发布系统，上线，原先的路由规则变都不用变，直接可以基于 n 倍的数据库服务器的资源，继续进行线上系统的提供服务。

6. 分库分表之后，id 主键如何处理？

1. 基于数据库的实现方案

• 使用一个单独的库，这个库不做分库分表，就只有它一个，此时当系统里每次得到一个 id，都是往这个库的一个表里插入一条没什么业务含义的数据，然后获取一个数据库自增的一个 id。拿到这个 id 之后再往对应的分库分表里去写入。

• 这个方案的好处就是方便简单，谁都会用；

• 缺点就是单库生成自增 id，要是高并发的话，就会有瓶颈的；如果你硬是要改进一下，那么就专门开一个服务出来，这个服务每次就拿到当前 id 最大值，然后自己递增几个 id，一次性返回一批 id，然后再把当前最大 id 值修改成递增几个 id 之后的一个值；但是无论如何都是基于单个数据库。

2. UUID

• 好处就是本地生成，不要基于数据库来了；

• 不好之处就是

  • UUID 太长了、占用空间大，作为主键性能太差了；
  • ，UUID 不具有有序性，会导致 B+ 树索引在写的时候有过多的随机写操作（连续的 ID 可以产生部分顺序写）
  • 由于在写的时候不能产生有顺序的 append 操作，而需要进行 insert 操作，将会读取整个 B+ 树节点到内存，在插入这条记录后会将整个节点写回磁盘，这种操作在记录占用空间比较大的情况下，性能下降明显。

• 适合的场景：如果你是要随机生成个什么文件名、编号之类的，你可以用 UUID，但是作为主键是不能用 UUID 的。

3. snowflake 算法

• snowflake 算法是 twitter 开源的分布式 id 生成算法，采用 Scala 语言实现，是把一个 64 位的 long 型的 id，1 个 bit 是不用的，用其中的 41 bit 作为毫秒数，用 10 bit 作为工作机器 id，12 bit 作为序列号。

  0 | 0001 1001 0100 0101 0111 1101 0001 0010 1011 1000 0 | 1000 1 | 1100 1 | 0000 0000 0000

  • 1 bit：不用，为啥呢？因为二进制里第一个 bit 为如果是 1，那么都是负数，但是我们生成的 id 都是正数，所以第一个 bit 统一都是 0。
  • 41 bit：表示的是时间戳，单位是毫秒。41 bit 可以表示的数字多达 2⁴¹ - 1，也就是可以标识 2⁴¹ - 1 个毫秒值，换算成年就是表示69年的时间。
  • 10 bit：记录工作机器 id，代表的是这个服务最多可以部署在 2¹⁰台机器上哪，也就是1024台机器。但是 10 bit 里 5 个 bit 代表机房 id，5 个 bit 代表机器 id。意思就是最多代表 2⁵个机房（32个机房），每个机房里可以代表 2⁵ 个机器（32台机器）。
  • 12 bit：这个是用来记录同一个毫秒内产生的不同 id，12 bit 可以代表的最大正整数是 2¹² - 1 = 4096，也就是说可以用这个 12 bit 代表的数字来区分同一个毫秒内的 4096 个不同的 id。

• Java 改写的雪花算法

  public class IdWorker {private long workerId;private long datacenterId;private long sequence;public IdWorker(long workerId, long datacenterId, long sequence) {// sanity check for workerId// 这儿不就检查了一下，要求就是你传递进来的机房id和机器id不能超过32，不能小于0if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));}if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));}System.out.printf("worker starting. timestamp left shift %d, datacenter id bits %d, worker id bits %d, sequence bits %d, workerid %d",timestampLeftShift, datacenterIdBits, workerIdBits, sequenceBits, workerId);this.workerId = workerId;this.datacenterId = datacenterId;this.sequence = sequence;}private long twepoch = 1288834974657L;private long workerIdBits = 5L;private long datacenterIdBits = 5L;// 这个是二进制运算，就是 5 bit最多只能有31个数字，也就是说机器id最多只能是32以内private long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);// 这个是一个意思，就是 5 bit最多只能有31个数字，机房id最多只能是32以内private long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);private long sequenceBits = 12L;private long workerIdShift = sequenceBits;private long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;private long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;private long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);private long lastTimestamp = -1L;public long getWorkerId() {return workerId;}public long getDatacenterId() {return datacenterId;}public long getTimestamp() {return System.currentTimeMillis();}public synchronized long nextId() {// 这儿就是获取当前时间戳，单位是毫秒long timestamp = timeGen();if (timestamp < lastTimestamp) {System.err.printf("clock is moving backwards.  Rejecting requests until %d.", lastTimestamp);throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards.  Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));}if (lastTimestamp == timestamp) {// 这个意思是说一个毫秒内最多只能有4096个数字// 无论你传递多少进来，这个位运算保证始终就是在4096这个范围内，避免你自己传递个sequence超过了4096这个范围sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;if (sequence == 0) {timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);}} else {sequence = 0;}// 这儿记录一下最近一次生成id的时间戳，单位是毫秒lastTimestamp = timestamp;// 这儿就是将时间戳左移，放到 41 bit那儿；// 将机房 id左移放到 5 bit那儿；// 将机器id左移放到5 bit那儿；将序号放最后12 bit；// 最后拼接起来成一个 64 bit的二进制数字，转换成 10 进制就是个 long 型return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (datacenterId << datacenterIdShift)| (workerId << workerIdShift) | sequence;}private long tilNextMillis(long lastTimestamp) {long timestamp = timeGen();while (timestamp <= lastTimestamp) {timestamp = timeGen();}return timestamp;}private long timeGen() {return System.currentTimeMillis();}// ---------------测试---------------public static void main(String[] args) {IdWorker worker = new IdWorker(1, 1, 1);for (int i = 0; i < 30; i++) {System.out.println(worker.nextId());}}}
  

• 大概这个意思吧，就是说 41 bit 是当前毫秒单位的一个时间戳，就这意思；然后 5 bit 是你传递进来的一个机房 id（但是最大只能是 32 以内），另外 5 bit 是你传递进来的机器 id（但是最大只能是 32 以内），剩下的那个 12 bit序列号，就是如果跟你上次生成 id 的时间还在一个毫秒内，那么会把顺序给你累加，最多在 4096 个序号以内。

• 所以你自己利用这个工具类，自己搞一个服务，然后对每个机房的每个机器都初始化这么一个东西，刚开始这个机房的这个机器的序号就是 0。然后每次接收到一个请求，说这个机房的这个机器要生成一个 id，你就找到对应的 Worker 生成。

• 这个 snowflake 算法相对来说还是比较靠谱的，所以你要真是搞分布式 id 生成，如果是高并发啥的，那么用这个应该性能比较好，一般每秒几万并发的场景，也足够你用了。

7. 如何实现 MySQL 的读写分离？

• 其实很简单，就是基于主从复制架构，简单来说，就搞一个主库，挂多个从库，然后我们就单单只是写主库，然后主库会自动把数据给同步到从库上去。
• 一个主库最多也就挂三五个从库就可以了，再多也会影响到性能。

8. MySQL 主从复制原理的是啥？

• 主库将变更写入 binlog 日志，然后从库连接到主库之后，从库有一个 IO 线程，将主库的 binlog 日志拷贝到自己本地，写入一个 relay 中继日志中。接着从库中有一个 SQL 线程会从中继日志读取 binlog，然后回放 binlog 日志中的内容，也就是在自己本地再次执行一遍 SQL，这样就可以保证自己跟主库的数据是一样的。
  

• 这里有一个非常重要的一点，就是从库同步主库数据的过程是串行化的，也就是说主库上并行的操作，在从库上会串行执行。所以这就是一个非常重要的点了，由于从库从主库拷贝日志以及串行执行 SQL 的特点，在高并发场景下，从库的数据一定会比主库慢一些，是有延时的。所以经常出现，刚写入主库的数据可能是读不到的，要过几十毫秒，甚至几百毫秒才能读取到。

• 而且这里还有另外一个问题，就是如果主库突然宕机，然后恰好数据还没同步到从库，那么有些数据可能在从库上是没有的，有些数据可能就丢失了。

• 所以 MySQL 实际上在这一块有两个机制，

  • 一个是半同步复制，用来解决主库数据丢失问题；
  • 一个是并行复制，用来解决主从同步延时问题。

• 半同步复制，也叫 semi-sync 复制，指的就是主库写入 binlog 日志之后，就会将强制此时立即将数据同步到从库，从库将日志写入自己本地的 relay log 之后，接着会返回一个 ack 给主库，主库接收到至少一个从库的 ack 之后才会认为写操作完成了。

• 并行复制，指的是从库开启多个线程，并行读取 relay log 中不同库的日志，然后并行重放不同库的日志，这是库级别的并行。

9. MySQL 主从同步延时问题

• 以前线上确实处理过因为主从同步延时问题而导致的线上的 bug，属于小型的生产事故。

• 是这个么场景。有个同学是这样写代码逻辑的。先插入一条数据，再立马把它查出来，然后更新这条数据。在生产环境高峰期，写并发达到了 2000/s，这个时候，主从复制延时大概是在小几十毫秒。线上会发现，每天总有那么一些数据，我们期望更新一些重要的数据状态，但在高峰期时候却没更新。

• 我们通过 MySQL 命令：

  show status
  

  查看 Seconds_Behind_Master，可以看到从库复制主库的数据落后了几 ms。

• 一般来说，如果主从延迟较为严重，有以下解决方案：

  • 分库，将一个主库拆分为多个主库，每个主库的写并发就减少了几倍，此时主从延迟可以忽略不计。
  • 打开 MySQL 支持的并行复制，多个库并行复制。如果说某个库的写入并发就是特别高，单库写并发达到了 2000/s，并行复制还是没意义。
  • 重写代码，写代码的同学，要慎重，插入数据时立马查询可能查不到。
  • 如果确实是存在必须先插入，立马要求就查询到，然后立马就要反过来执行一些操作，对这个查询设置直连主库。不推荐这种方法，你要是这么搞，读写分离的意义就丧失了。