高并发系列: 存储优化之也许可能是史上最详尽的分库分表文章之一

Coder的技术之路

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发布于: 2021 年 05 月 06 日

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垂直性能提升

1.1. 架构优化：集群部署，负载均衡

1.2. 万亿流量下负载均衡的实现

1.3. 架构优化：消息中间件的妙用

1.4. 存储优化：mysql的索引原理和优化

1.5. 存储优化：详解分库分表

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Part1 库表会在哪天到达瓶颈？

1.1 苏宁拼购百万级库表拆分之前^[1]

苏宁拼购，苏宁易购旗下的电商 App，18 年 7 月累计用户突破 3000 万。

图片来源于 QCon 大会 PPT

面对千万级日活 + 千万级日新增 SKU + 千万级日均订单，拼购的单库每天增长数据超 1 亿，峰值 10 万 QPS 并发，每个月要搞一次数据迁移。

庞大的数据量，对数据库压力和数据运维成本造成了很大的困扰，并且，一旦有一条未命中缓存的 SQL，对于整个应用都是灾难级的。

所以，不得不考虑系统的稳定性和长远的业务支撑。

1.2 京东配运平台库表拆分之前^[2]

起初，用 SQL Server 存储，⽀支撑每天 10 万级别业务量。

扛不住后，采购了企业级 Oracle/IBM AIX⼩型机，用 RAC + DataGuard 方式，支撑配送所有业务，到百万级别单量。但是这种传统的企业架构，对于复杂多变的业务、昂贵的硬件成本、服务的部署和维护成本等痛点，变得越来越突出。

15 年开始，京东配运平台开始按业务对数据库做垂直拆分，将存储容器化，实现了方便的水平扩容、更精细的成本控制、更复杂的业务形态支持.

1.3 大众点评订单库拆分之前^[3]

16 年前，点评的订单库已经超 200G 容量，面对的越来越复杂的查询维度，为实现平稳查询，优化了索引并增加两个从库来分散数据库压力，但仍有很多效率不理想的数据库请求出现。

而随后而来的价格战、大量抢购的活动开展，订单数据库很快难以支撑，只能用限流、消息队列削峰填谷对其进行保护，才能勉强维持日常数据读写需求。

而随着业务模式的增加，原订单模型已经不能满足，如果经常用 DDL 去建表，建索引对于如此庞大的库表是非常吃力的，发生锁库锁表会直接影响线上服务。

所以，点评团队以未来十年不再担心订单容量为目的，开始进行库表切分。

1.4 小结：啥情况需要考虑库表拆分

实际上，是没有一个非常量化的指标来判定库表瓶颈的，因为每个系统的业务场景，查询复杂度都有不同。

但力有穷尽时，我们虽然可以尽量的从加从库读写分离、优化 sql、优化索引、复用连接等等方面进行优化，但总会有到达极限的时候的时候，量变引发质变。甚至，在真实生产环境，要更加未雨绸缪，不能等到崩了才去考虑。那么，应该怎么去判断已经到了库表拆分的时机呢：

硬件性能瓶颈，如果是读操作多，其实可以加多个从库分担主库读压力；但如果是写操作多，会因为主库磁盘 IO 增大，拖慢处理速度；另外，如果单表数据量过大，导致索引层级增多，扫描行增多，CPU 效率降低，影响 sql 执行效率，拖慢处理速度。而处理速度慢最终会导致连接数增加直至无连接可用。
日常运维投入，就如苏宁拼购的情况，如果一个月就要搞一次数据迁移，这个人力的投入产出比，应该是完全不匹配的，那就不如一次性搞定它。
业务发展可支持程度、难度和风险，当数据增长到一定程度，虽然没有达到极限，还能凑活，但是遇到活动型流量脉冲，无法完全支持业务需求；而业务需要进行迭代增加模式时，修改数据表带来的风险又比较大。就可以考虑重构数据模型，拆分库表了。

Part2 拆分库表的目的和方案

2.1 业务数据解耦--垂直拆分

把不同的业务数据拆分到各自的数据库中独立维护，那么最底层的原因是什么呢？

是微服务下的上层服务拆分。为了满足快速迭代、安全发布、链路降级、主次业务解耦等问题，去解决代码大量冲突、小功能排队等待大版本发布等等问题，将业务按照一定逻辑进行拆解，形成一个个功能完备，独立运行的服务。^[4]

然而，如果数据库层面不配合，就无法解决根本问题。当上层服务实例拆分后可以被大量横向扩展，以应对高并发的流量冲击，会导致底层数据库的承载压力和连接数急剧增加。

所以，通过垂直拆分将业务数据解耦，各管一事，以满足微服务的效能最大化。

2.2 解决容量和性能压力--水平拆分

对某一业务库，当数据增量达到了库瓶颈，或者表瓶颈，就要进行库表的水平拆分了。

我之前遇到的很多情况，总是先分表，解决单表的容量和读写性能问题，随着业务发展，单库也遇到瓶颈了再考虑分库。

为啥不一步到位？

就像之前在阿里，新应用上来搞个百库百表？一来是因为一些用户规模和一些路由规则的问题；更重要的，不是所有公司其实不是所有的公司都和阿里一样有钱，有限的资源要用在更重要的生存问题上。

如果你作为一个初创公司的架构，给出了一套可能撑 10 年的存储方案，感觉会被同事在心里怼，公司能活 3 年么就这么浪费？

但肯定没有人说这话，因为我们还是希望所有公司都能蓬勃发展，蒸蒸日上的☺。

所以，拆分方法就很有讲究了，怎么分能让后续迭代发展的代价最小呢？

2.3 分多少合适

表主要看容量，很多经验表明上千万后性能会有显著下降，因此，我们可以把表容量定在一半多一点，600w。

库主要看的是连接数，我们以阿里对外售卖的云存储来大致估计，单库的连接数定在 4000 左右。

抽象一个实际的评估案例来看：假如目前平台每天产生 10w 订单，峰值并发数 8000QPS，然后考虑业务扩展和增长的速率：

比如，业务是和银行合作扩展业务，将大小银行量级平均一下，估计每合作一家可以带来多大的增长量，这里假设是 5000 单/天/家，如果业务计划是每年度合作 10 家，那就是 5w，5 年以后每天的单量，理论上可能会到 25w/天。加上现有的 10w, 峰值 35w。

如果我们计划系统的容量需要支撑 3 年，或者说，3 年之后的该业务扩展会趋于平缓，那么我们可以大致的估计为：

表：（3年 * 365天 * 35w=3.8亿 ）/600w = 63 约 64张表.库：10000并发 / 4000 = 2.5 ,可按4个库来处理

复制代码

当然，如果是 BAT 这种，不缺用户，不缺钱，又有一些既定路由规则的情况，还是可以一步到位的。比如，我之前做过的项目就是按百库百表来做。关于阿里的玩法后面再详细介绍一下。

发现上述评估有问题的话，欢迎留言讨论~

2.4 怎么分合适

Hash 取模

优点：经过 hash 取模之后，分到库和分到表中的数据，都是均衡的，所以，不会出现资源倾斜的问题。

缺点：如果后续遇到业务暴增，没有在我们预估范围内，则要涉及到数据迁移，那就需要重新 hash , 迁移数据，修改路由等等。

range 划分

简单说，就是把数据划分范围，挨个存储，存满一个再存另一个。

优点：不需要数据迁移，后续数据即时增长很多也没问题。

缺点：数据倾斜严重，比如上图，很长一段时间，都会只用到 1 个库，几个表。

一致性 hash

一致性 hash 环的节点一般按 2^32-1 来算，但是一般如果业务 ID 足够均衡，则可以降一些节点，如 4096 等等，4 个库的话，则均衡的分布在图上的位置，而数据通过 hash 计算，对应到外环的虚拟节点，然后归属于真实的库，对于表也可以同样处理。或者，直接把表节点部署在外环上，直接将数据归属于表。

优点：更加均匀，并且在需要扩容时，数据迁移的量级更小，只需要迁移 1/N 的数据即可。

缺点：路由算法要复杂，但是对于能得到的好处，这点复杂度就可以忽略了

小结

那么,看起来，一致性 hash 的方法，是比较靠谱的了。但是只是这样就会对程序员很友好么？

我不知道其他公司，呆过的某一家公司，的数据查询后台是纯天然的，不带任何修饰的，想要 check 下数据，得拿业务 ID 手动计算库表的位置。没经历过的不知道，真的是要烦死了。

在技术设施方面，还是不得不佩服大公司的投入，阿里给工程师提供的数据查询后台，其实是一个逻辑库，你可以用查询单表的方式去查询分库分表，后台会调用数据库配置平台的配置，自动计算库表路由，人性化的很。就算不去计算路由，直接打包查询多个库也是很好的，毕竟界面查询，能有多大并发呢。

还是那句话，没有银弹，其实除了这几种方式，还见过不少变种，但都是结合本公司，本业务的特性进行的改良。

Part3 拆分带来新的问题

分区键选取

分区键要足够的均匀，比如，用户表用 UID，订单表可以用 UID，也可以用订单 ID，商户表用商户 ID，问题表用会话 ID 等等，总之，一定可以找到业务上的唯一 ID。当然还有一些特殊的分区，比如，日表，月表，则要按时间来分，等等。

全局唯一主键 ID

实际我理解这个就是分布式 ID 的生成问题，之前写的一篇分布式ID生成算法，有兴趣可以浏览下。

数据平滑迁移

停机发布：好处是简单，风险小；缺点是业务有损。那就看这个损能不能接受了

平滑迁移：平滑迁移就像是高速上换轮胎，要非常小心谨慎，也更复杂。思路可以类比快手 kafka 集群的扩容：

<<< 左右滑动见更多 >>>

虽然场景不一样，但是思路使一致的。从某一点开始设置 checkpoint , 然后执行数据双写，最后修改路由，删除旧数据，完成扩容。

事务问题

之前由于数据都在一个库中，所以，只要保证一个本地事务就可以办到。现在数据被分到了多个库，那么事务怎么保证：

（1）分布式事务。分布式事务的方式很多，TCC、本地事务表+事务消息、最大努力通知，saga 等等，之前有篇写我们自研的saga长事务引擎的文章，有兴趣的可以看下。

（2）程序+业务逻辑。用业务逻辑+程序控制的方式，比如，之前文章中提到的微信红包的系统设计，用 set 化将一个红包的所有操作都落到同一个库上，避免了数据库锁竞争和分布式事务。而蚂蚁的支付业务涉及了业务订单库、计收费库、支付库、积分库等等，没有办法从业务逻辑层面进行完全串联，并且由于金融属性的强一致要求，采用了非常重的侵入式 TCC 来保证全局支付事务的一致。

查询问题

之前一个库就能搞定的 join，count 等各种联合查询，将不复存在，老老实实调接口在代码层面实现吧。

Part4 大厂案例，知识回顾扩展

4.1 蚂蚁金服的库表路由规则

上文也提到过，蚂蚁的分库分表其实是独树一帜的。因为，在蚂蚁体系下，需要遵守 LDC 单元化部署，单元化的路由有用户 ID 的倒数 2，3 位来决定。加上蚂蚁的用户规模，基本上大部分的应用都采用了百库百表类的方式进行(遇到定时任务的超大规模数据，还会千库千表的存在)。用户请求发起后的路由规则和数据库的路由执行链路简化如下：