MySQL 分库分表及其平滑扩容方案
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2022-03-06 00:05
作者：王克锋
出处：https://kefeng.wang/2018/07/22/mysql-sharding/
众所周知，数据库很容易成为应用系统的瓶颈。单机数据库的资源和处理能力有限，在高并发的分布式系统中，可采用分库分表突破单机局限。本文总结了分库分表的相关概念、全局ID的生成策略、分片策略、平滑扩容方案、以及流行的方案。
1 分库分表概述
在业务量不大时，单库单表即可支撑。
当数据量过大存储不下、或者并发量过大负荷不起时，就要考虑分库分表。
1.1 分库分表相关术语
读写分离: 不同的数据库，同步相同的数据，分别只负责数据的读和写；
分区: 指定分区列表达式，把记录拆分到不同的区域中(必须是同一服务器，可以是不同硬盘)，应用看来还是同一张表，没有变化；
分库：一个系统的多张数据表，存储到多个数据库实例中；
分表: 对于一张多行(记录)多列(字段)的二维数据表，又分两种情形：
(1) 垂直分表: 竖向切分，不同分表存储不同的字段，可以把不常用或者大容量、或者不同业务的字段拆分出去；
(2) 水平分表(最复杂): 横向切分，按照特定分片算法，不同分表存储不同的记录。
1.2 真的要采用分库分表？
需要注意的是，分库分表会为数据库维护和业务逻辑带来一系列复杂性和性能损耗，除非预估的业务量大到万不得已，切莫过度设计、过早优化。
规划期内的数据量和性能问题，尝试能否用下列方式解决：
当前数据量：如果没有达到几百万，通常无需分库分表；
数据量问题：增加磁盘、增加分库(不同的业务功能表，整表拆分至不同的数据库)；
性能问题：升级CPU/内存、读写分离、优化数据库系统配置、优化数据表/索引、优化 SQL、分区、数据表的垂直切分；
如果仍未能奏效，才考虑最复杂的方案：数据表的水平切分。
2 全局ID生成策略
2.1 自动增长列
优点：数据库自带功能，有序，性能佳。
缺点：单库单表无妨，分库分表时如果没有规划，ID可能重复。解决方案：
2.1.1 设置自增偏移和步长
### 假设总共有 10 个分表
### 级别可选: SESSION(会话级), GLOBAL(全局)
SET @@SESSION.auto_increment_offset = 1; ### 起始值, 分别取值为 1~10
SET @@SESSION.auto_increment_increment = 10; ### 步长增量
如果采用该方案，在扩容时需要迁移已有数据至新的所属分片。
2.1.2 全局ID映射表
在全局 Redis 中为每张数据表创建一个 ID 的键，记录该表当前最大 ID；
每次申请 ID 时，都自增 1 并返回给应用；
Redis 要定期持久至全局数据库。
2.2 UUID(128位)
在一台机器上生成的数字，它保证对在同一时空中的所有机器都是唯一的。通常平台会提供生成UUID的API。
UUID 由4个连字号(-)将32个字节长的字符串分隔后生成的字符串，总共36个字节长。形如：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000。
UUID 的计算因子包括：以太网卡地址、纳秒级时间、芯片ID码和许多可能的数字。
UUID 是个标准，其实现有几种，最常用的是微软的 GUID(Globals Unique Identifiers)。
优点：简单，全球唯一；
缺点：存储和传输空间大，无序，性能欠佳。
2.3 COMB(组合)
参考资料：The Cost of GUIDs as Primary Keys
组合 GUID(10字节) 和时间(6字节)，达到有序的效果，提高索引性能。
2.4 Snowflake(雪花) 算法
参考资料：twitter/snowflake，Snowflake 算法详解
Snowflake 是 Twitter 开源的分布式 ID 生成算法，其结果为 long(64bit) 的数值。
其特性是各节点无需协调、按时间大致有序、且整个集群各节点单不重复。
该数值的默认组成如下(符号位之外的三部分允许个性化调整)：
1bit: 符号位，总是 0(为了保证数值是正数)。
41bit: 毫秒数(可用 69 年)；
10bit: 节点ID(5bit数据中心 + 5bit节点ID，支持 32 * 32 = 1024 个节点)
12bit: 流水号(每个节点每毫秒内支持 4096 个 ID，相当于 409万的 QPS，相同时间内如 ID 遇翻转，则等待至下一毫秒)
3 分片策略
3.1 连续分片
根据特定字段(比如用户ID、订单时间)的范围，值在该区间的，划分到特定节点。
优点：集群扩容后，指定新的范围落在新节点即可，无需进行数据迁移。
缺点：如果按时间划分，数据热点分布不均(历史数冷当前数据热)，导致节点负荷不均。
3.3 ID取模分片
缺点：扩容后需要迁移数据。
3.2 一致性Hash算法
优点：扩容后无需迁移数据。
3.4 Snowflake 分片
优点：扩容后无需迁移数据。
4 分库分表引入的问题
4.1 分布式事务
参见 分布式事务的解决方案
由于两阶段/三阶段提交对性能损耗大，可改用事务补偿机制。
4.2 跨节点 JOIN
对于单库 JOIN，MySQL 原生就支持；
对于多库，出于性能考虑，不建议使用 MySQL 自带的 JOIN，可以用以下方案避免跨节点 JOIN：
全局表: 一些稳定的共用数据表，在各个数据库中都保存一份；
字段冗余: 一些常用的共用字段，在各个数据表中都保存一份；
应用组装：应用获取数据后再组装。
另外，某个 ID 的用户信息在哪个节点，他的关联数据(比如订单)也在哪个节点，可以避免分布式查询。
4.3 跨节点聚合
只能在应用程序端完成。
但对于分页查询，每次大量聚合后再分页，性能欠佳。
4.4 节点扩容
节点扩容后，新的分片规则导致数据所属分片有变，因而需要迁移数据。
5 节点扩容方案
相关资料: 数据库秒级平滑扩容架构方案
5.1 常规方案
如果增加的节点数和扩容操作没有规划，那么绝大部分数据所属的分片都有变化，需要在分片间迁移：
预估迁移耗时，发布停服公告；
停服(用户无法使用服务)，使用事先准备的迁移脚本，进行数据迁移；
修改为新的分片规则；
启动服务器。
5.2 免迁移扩容
采用双倍扩容策略，避免数据迁移。扩容前每个节点的数据，有一半要迁移至一个新增节点中，对应关系比较简单。
具体操作如下(假设已有 2 个节点 A/B，要双倍扩容至 A/A2/B/B2 这 4 个节点)：
无需停止应用服务器；
新增两个数据库 A2/B2 作为从库，设置主从同步关系为：A=>A2、B=>B2，直至主从数据同步完毕(早期数据可手工同步)；
调整分片规则并使之生效：
原ID%2=0 => A改为ID%4=0 => A, ID%4=2 => A2；
原ID%2=1 => B改为ID%4=1 => B, ID%4=3 => B2。解除数据库实例的主从同步关系，并使之生效；
此时，四个节点的数据都已完整，只是有冗余(多存了和自己配对的节点的那部分数据)，择机清除即可(过后随时进行，不影响业务)。
6 分库分表方案
6.1 代理层方式
部署一台代理服务器伪装成 MySQL 服务器，代理服务器负责与真实 MySQL 节点的对接，应用程序只和代理服务器对接。对应用程序是透明的。
比如 MyCAT，官网，源码，参考文档：MyCAT+MySQL 读写分离部署
MyCAT 后端可以支持 MySQL, SQL Server, Oracle, DB2, PostgreSQL等主流数据库，也支持MongoDB这种新型NoSQL方式的存储，未来还会支持更多类型的存储。
MyCAT 不仅仅可以用作读写分离，以及分表分库、容灾管理，而且可以用于多租户应用开发、云平台基础设施，让你的架构具备很强的适应性和灵活性。
6.2 应用层方式
处于业务层和 JDBC 层中间，是以 JAR 包方式提供给应用调用，对代码有侵入性。主要方案有：
(1)淘宝网的 TDDL: 已于 2012 年关闭了维护通道，建议不要使用。
(2)当当网的 Sharding-JDBC: 仍在活跃维护中：
是当当应用框架 ddframe 中，从关系型数据库模块 dd-rdb 中分离出来的数据库水平分片框架，实现透明化数据库分库分表访问，实现了 Snowflake 分片算法；
Sharding-JDBC定位为轻量Java框架，使用客户端直连数据库，无需额外部署，无其他依赖，DBA也无需改变原有的运维方式。
Sharding-JDBC分片策略灵活，可支持等号、between、in等多维度分片，也可支持多分片键。
SQL解析功能完善，支持聚合、分组、排序、limit、or等查询，并支持Binding Table以及笛卡尔积表查询。
Sharding-JDBC直接封装JDBC API，可以理解为增强版的JDBC驱动，旧代码迁移成本几乎为零：
可适用于任何基于Java的ORM框架，如JPA、Hibernate、Mybatis、Spring JDBC Template或直接使用JDBC。
可基于任何第三方的数据库连接池，如DBCP、C3P0、 BoneCP、Druid等。
理论上可支持任意实现JDBC规范的数据库。虽然目前仅支持MySQL，但已有支持Oracle、SQLServer等数据库的计划。
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