分而治之 -- 浅谈分库分表及实践之路
前言
之前总在聊微服务， 微服务本身也是分布式系统，其实微服务的核心思想是分而治之，把一个复杂的单体系统，按照业务的交付，分成不同的自服务，以降低资深复杂度，同时可以提升系统的扩展性。
今天想聊一下分库分表，因为对于快速增长的业务来说，这个是无法回避的一环。之前我在做商城相关的SAAS系统，商品池是一个存储瓶颈，商品池数量会基于租户增长和运营变得指数级增长，短短几个月就能涨到几千万的数据，而运营半年后就可能过亿。而对于订单这种数据，也会跟着业务的成长，也会变得愈发巨大。
存储层来说，提升大数据量下的存储和查询性能，就涉及到了另一个层面的问题，但思想还是一样的，分而治之。
我们面临什么样的问题
关系型数据库在大于一定数据量的情况下检索性能会急剧下降。在面对海量数据情况时，所有数据都存于一张表，显然会轻易超过数据库表可承受的。
此外单纯的分表虽然可以解决数据量过大导致检索变慢的问题，但无法解决过多并发请求访问同一个库，导致数据库响应变慢的问题。所以需要分库来解决单数据库实例性能瓶颈问题。
数据库架构方案
在讲具体解决方案之前，我们需要先了解一下数据库的三种架构涉及方案。
1. Shared Everything
一般指的是单个主机的环境，完全透明共享的CPU/内存/硬盘，并行处理能力是最差的，一般不考虑大规模的并发需求，架构比较简单，一般的应用需求基本都能满足。
2. Shared Disk
各处理单元使用自己的私有CPU和Memory，共享磁盘系统。典型的代表是Oracle RAC、DB2 PureScale。例如Oracle RAC，他用的是共享存储，做到了数据共享，可通过增加节点来提高并行处理的能力，扩展能力较好，使用Storage Area Network (SAN)，光纤通道连接到多个服务器的磁盘阵列，降低网络消耗，提高数据读取的效率，常用于并发量较高的OLTP应用。其类似于SMP(对称多处理)模式，但是当存储器接口达到饱和的时候，增加节点并不能获得更高的性能，同时更多的节点，则增加了运维的成本。
3. Shared Nothing
各处理单元都有自己私有的CPU/内存/硬盘等，Nothing，顾名思义，不存在共享资源，类似于MPP(大规模并行处理)模式，各处理单元之间通过协议通信，并行处理和扩展能力更好。典型代表DB2 DPF、带分库分表的MySQL Cluster，各节点相互独立，各自处理自己的数据，处理后的结果可能向上层汇总或在节点间流转。
我们常说的Sharding其实就是Shared Nothing，他是将某个表从物理存储上被水平分割，并分配给多台服务器(或多个实例)，每台服务器可以独立工作，具备共同的schema，例如MySQL Proxy和Google的各种架构，只需增加服务器数就可以增加处理能力和容量。
至于MPP，指的是大规模并行分析数据库(Analytical Massively Parallel Processing (MPP) Databases)，他是针对分析工作负载进行了优化的数据库，一般需要聚合和处理大型数据集。MPP数据库往往是列式的，因此MPP数据库通常将每一列存储为一个对象，而不是将表中的每一行存储为一个对象。这种体系结构使复杂的分析查询可以更快，更有效地处理。例如TeraData、Greenplum，GaussDB100、TBase。
基于以上的这几种架构方案，我们可以给出大数据量存储的解决方案：
以上几种解决方案各有利弊，分区模式最大的问题是准share everything架构，无法水平扩展cpu和内存，所以基本可以排除；nosql本身其实是个非常好的备选方案，但是nosql（包括大部分开源newsql）硬件消耗非常大，运维成本较高。而常用的一种方案就是基于Mysql的分库分表方案。
分库分表架构方案
对于分库分表，首先看一下市面上有哪些产品。
| 业界组件 | 原厂 | 功能特性 | 备注 |
|---|---|---|---|
| DBLE | 爱可生开源社区 | 专注于mysql的高可扩展性的分布式中间件 | 基于MyCAT开发出来的增强版。 |
| Meituan Atlas | 美团 | 读写分离、单库分表 | 目前已经在原厂逐步下架。 |
| Cobar | 阿里（B2B） | Cobar 中间件以 Proxy 的形式位于前台应用和实际数据库之间，对前台的开放的接口是 MySQL 通信协议 | 开源版本中数据库只支持 MySQL，并且不支持读写分离。 |
| MyCAT | 阿里 | 是一个实现了 MySQL 协议的服务器，前端用户可以把它看作是一个数据库代理，用 MySQL 客户端工具和命令行访问，而其后端可以用MySQL 原生协议与多个 MySQL 服务器通信 | MyCAT 基于阿里开源的 Cobar 产品而研发 |
| Atlas | 360 | 读写分离、静态分表 | 2015年后已经不在维护 |
| Kingshard | 开源项目 | 由 Go 开发高性能 MySQL Proxy 项目，在满足基本的读写分离的功能上，Kingshard 的性能是直连 MySQL 性能的80%以上。 | |
| TDDL | 阿里淘宝 | 动态数据源、读写分离、分库分表 | TDDL 分为两个版本, 一个是带中间件的版本, 一个是直接Java版本 |
| Zebra | 美团点评 | 实现动态数据源、读写分离、分库分表、CAT监控 | 功能齐全且有监控，接入复杂、限制多。 |
| MTDDL | 美团点评 | 动态数据源、读写分离、分布式唯一主键生成器、分库分表、连接池及SQL监控 | |
| Vitess | 谷歌、Youtube | 集群基于ZooKeeper管理，通过RPC方式进行数据处理，总体分为，server，command line，gui监控 3部分 | Youtube 大量应用 |
| DRDS | 阿里 | DRDS（Distributed Relational Database Service）专注于解决单机关系型数据库扩展性问题，具备轻量(无状态)、灵活、稳定、高效等特性，是阿里巴巴集团自主研 | |
| Sharding-proxy | apache开源项目 | 提供MySQL版本，它可以使用任何兼容MySQL协议的访问客户端(如：MySQL Command Client, MySQL Workbench等)操作数据，对DBA更加友好。向应用程序完全透明，可直接当做MySQL使用。适用于任何兼容MySQL协议的客户端。 | Apache项目，定位为透明化的数据库代理端，提供封装了数据库二进制协议的服务端版本，用于完成对异构语言的支持。 |
| Sharding jdbc | apache开源项目 | 完全兼容JDBC和各种ORM框架。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。基于任何第三方的数据库连接池，如：DBCP,C3P0, BoneCP, Druid, HikariCP等。支持任意实现JDBC规范的数据库。目前支持MySQL，Oracle，SQLServer和PostgreSQL | Apache项目，定位为轻量级Java框架，在Java的JDBC层提供的额外服务。 它使用客户端直连数据库，以jar包形式提供服务，无需额外部署和依赖，可理解为增强版的JDBC驱动 |
对于分库分表的产品模式，又分为两种，中间件模式和客户端模式。
1. 中间件模式其优缺点
中间件模式独立进程，所以可以支持异构语言，对当前程序没有侵入性，对业务方来说是透明的mysql服务，但是缺点也非常明显，硬件消耗大、运维成本高（尤其是在本地化实施情况下），同时因为对关系型数据库增加了代理，会造成问题难调试。
2. 客户端模式优缺点
客户端模式的主要缺点是对代码有侵入，所以基本只能支持单语言，同时因为每个客户端都要对schema建立连接，所以如果数据库实例不多，需要对连接数仔细控制，但是客户端模式的优点也非常明显，首先从架构上它是去中心化的，这样就避免了中间件模式的proxy故障问题，同时因为没有中间层性能高、灵活可控，而且因为没有proxy层，不需要考虑proxy的高可用和集群，运维成本也比较低。
sharding-jdbc接入实战
sharding-jdbc其实是这些产品中最为大家熟知的，也是因为它定位为轻量级 Java 框架，在 Java 的 JDBC 层提供的额外服务。 它使用客户端直连数据库，以 jar 包形式提供服务，无需额外部署和依赖，可理解为增强版的 JDBC 驱动，完全兼容 JDBC 和各种 ORM 框架。适用于任何基于 JDBC 的 ORM 框架，如：JPA, Hibernate, Mybatis, Spring JDBC Template 或直接使用 JDBC。而且在社区活跃度，代码质量等方面，也是很不错的。接下来，我讲详细讲一下接入细节。
1. 组件集成
<dependency>
<groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
<artifactId>shardingsphere-jdbc-core-spring-boot-starter</artifactId> <version> 5.0.0</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>com.baomidou</groupId>
<artifactId>dynamic-datasource-spring-boot-starter</artifactId>
<version>3.4.0</version>
</dependency>
2. bean配置
配置sharding jdbc数据源并且加入到动态数据源中，用于数据源路由。
修改原配置中心对应服务的mysql数据源配置，对不分库分表的数据源配置为动态数据源默认路由
3. sharing JDBC配置
spring.shardingsphere.enabled=true #shardingsphere开关
spring.shardingsphere.props.sql.show=true
spring.shardingsphere.mode.type=Standalone #在使用配置中心的情况下，使用standalone模式即可（memery、standalone、cluster三种模式）
spring.shardingsphere.mode.repository.type=File #standalone模式下使用File，即当前配置文件
spring.shardingsphere.mode.overwrite=true # 本地配置是否覆盖配置中心配置。如果可覆盖，每次启动都以本地配置为准。
spring.shardingsphere.datasource.names=ds-0,ds-1 #配置数据源名字，真实数据源
#配置ds-0数据源
spring.shardingsphere.datasource.ds-0.jdbc-url=jdbc:mysql://****
spring.shardingsphere.datasource.ds-0.type=com.zaxxer.hikari.HikariDataSource
spring.shardingsphere.datasource.ds-0.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.ds-0.username=
spring.shardingsphere.datasource.ds-0.password=
#配置ds-1数据源
spring.shardingsphere.datasource.ds-1.jdbc-url=jdbc:mysql://****
spring.shardingsphere.datasource.ds-1.type=com.zaxxer.hikari.HikariDataSource
spring.shardingsphere.datasource.ds-1.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.ds-1.username=
spring.shardingsphere.datasource.ds-1.password=
#配置模式数据库分片键和相关的表
spring.shardingsphere.rules.sharding.default-database-strategy.standard.sharding-column=user_id
spring.shardingsphere.rules.sharding.default-database-strategy.standard.sharding-algorithm-name=database-inline
spring.shardingsphere.rules.sharding.binding-tables[0]=t_order,t_order_item
spring.shardingsphere.rules.sharding.broadcast-tables=t_address #配置广播表，即所有库中都会同步增删的表
以上是一些基本配置，还有一些业务场景配置，大家可以参考开源社区文档: https://shardingsphere.apache.org/document/4.1.0/cn/overview/
总结
对于具体业务场景，我们首先是基于DDD的思想划分业务单元，最开始先做好垂直分库。接着是针对一些特定的业务增长量巨大的表，进行水平的分库处理，比如商品子域中的商品池表，订单子域中的订单表等等。
而在分表维度，业务初期，就要最好垂直分表的设计。比如商品池设计中，只需要存储关系信息，而商品详情的信息单独存储在一个底表之中。
作者：京东物流 赵勇萍
来源：京东云开发者社区