数据库分库分表

一、什么是分库分表？

分库分表就是按照一定的规则，对原有的数据库和表进行拆分，把原本存储于一个库的数据分块存储到多个库上，把原本存储到一个表的数据分块存储到多个表上。

mysql中有一种机制是表锁定和行锁定，是为了保证数据的完整性。表锁定表示你们都不能对这张表进行操作，必须等我对表操作完才行。行锁定也一样，别的sql必须等我对这条数据操作完了，才能对这条数据进行操作。

二、为什么要分库分表？

随着时间和业务的发展，数据库中的数据量增长是不可控的，库和表中的数据会越来越大，随之带来的是更高的磁盘、IO、系统开销，甚至性能上的瓶颈。而一台服务器的资源终究是有限的。因此需要对数据库和表进行拆分，从而更好地提供数据服务。

三、数据切分方式？

数据切分根据其切分类型，可以分为两种方式：垂直（纵向）切分和水平（横向）切分

1、垂直（纵向）切分

垂直切分常见有垂直分库和垂直分表两种。

垂直分库就是根据业务耦合性，将关联度低的不同表存储在不同的数据库。做法与大系统拆分为多个小系统类似，按业务分类进行独立划分。与"微服务治理"的做法相似，每个微服务使用单独的一个数据库。如图：

垂直分表是基于数据库中的"列"进行，某个表字段较多，可以新建一张扩展表，将不经常用或字段长度较大的字段拆分出去到扩展表中。在字段很多的情况下（例如一个大表有100多个字段），通过"大表拆小表"，更便于开发与维护，也能避免跨页问题，MySQL底层是通过数据页存储的，一条记录占用空间过大会导致跨页，造成额外的性能开销。另外数据库以行为单位将数据加载到内存中，这样表中字段长度较短且访问频率较高，内存能加载更多的数据，命中率更高，减少了磁盘IO，从而提升了数据库性能。

垂直切分的优点：

• 解决业务系统层面的耦合，业务清晰
• 与微服务的治理类似，也能对不同业务的数据进行分级管理、维护、监控、扩展等
• 高并发场景下，垂直切分一定程度的提升IO、数据库连接数、单机硬件资源的瓶颈

缺点：

• 部分表无法join，只能通过接口聚合方式解决，提升了开发的复杂度
• 分布式事务处理复杂
• 依然存在单表数据量过大的问题（需要水平切分）

2、水平（横向）切分

当一个应用难以再细粒度的垂直切分，或切分后数据量行数巨大，存在单库读写、存储性能瓶颈，这时候就需要进行水平切分了。

水平切分分为库内分表和分库分表，是根据表内数据内在的逻辑关系，将同一个表按不同的条件分散到多个数据库或多个表中，每个表中只包含一部分数据，从而使得单个表的数据量变小，达到分布式的效果。如图所示： 

库内分表只解决了单一表数据量过大的问题，但没有将表分布到不同机器的库上，因此对于减轻MySQL数据库的压力来说，帮助不是很大，大家还是竞争同一个物理机的CPU、内存、网络IO，最好通过分库分表来解决。

水平切分的优点：

• 不存在单库数据量过大、高并发的性能瓶颈，提升系统稳定性和负载能力
• 应用端改造较小，不需要拆分业务模块

缺点：

• 跨分片的事务一致性难以保证
• 跨库的join关联查询性能较差
• 数据多次扩展难度和维护量极大

水平切分后同一张表会出现在多个数据库/表中，每个库/表的内容不同。几种典型的数据分片规则为：

1、根据数值范围

按照时间区间或ID区间来切分。例如：按日期将不同月甚至是日的数据分散到不同的库中；将userId为1~9999的记录分到第一个库，10000~20000的分到第二个库，以此类推。某种意义上，某些系统中使用的"冷热数据分离"，将一些使用较少的历史数据迁移到其他库中，业务功能上只提供热点数据的查询，也是类似的实践。

这样的优点在于：

• 单表大小可控
• 天然便于水平扩展，后期如果想对整个分片集群扩容时，只需要添加节点即可，无需对其他分片的数据进行迁移
• 使用分片字段进行范围查找时，连续分片可快速定位分片进行快速查询，有效避免跨分片查询的问题。

缺点：

• 热点数据成为性能瓶颈。连续分片可能存在数据热点，例如按时间字段分片，有些分片存储最近时间段内的数据，可能会被频繁的读写，而有些分片存储的历史数据，则很少被查询

2、根据数值取模

一般采用hash取模mod的切分方式，例如：将 Customer 表根据 cusno 字段切分到4个库中，余数为0的放到第一个库，余数为1的放到第二个库，以此类推。这样同一个用户的数据会分散到同一个库中，如果查询条件带有cusno字段，则可明确定位到相应库去查询。

优点：

• 数据分片相对比较均匀，不容易出现热点和并发访问的瓶颈

缺点：

• 后期分片集群扩容时，需要迁移旧的数据（使用一致性hash算法能较好的避免这个问题）
• 容易面临跨分片查询的复杂问题。比如上例中，如果频繁用到的查询条件中不带cusno时，将会导致无法定位数据库，从而需要同时向4个库发起查询，再在内存中合并数据，取最小集返回给应用，分库反而成为拖累。

3、垂直拆分和水平拆分的区别

数据水平拆分与数据垂直拆分的区别是，垂直拆分是把不同的表拆到不同的数据库中，而水平拆分是把同一个表拆到不同的数据库中。例如，经过垂直拆分后，用户表与交易表、商品表不在一个数据库中了，如果数据量或者更新量太大，我们可以进一步把用户表拆分到两个数据库中，它们拥有结构一模一样的用户表，而且每个库中的用户表都只涵盖了一部分的用户，两个数据库的用户合在一起就相当于没有拆分之前的用户表。

垂直(纵向)拆分：是指按功能模块拆分，比如分为订单库、商品库、用户库...这种方式多个数据库之间的表结构不同。

水平(横向)拆分：将同一个表的数据进行分块保存到不同的数据库中，这些数据库中的表结构完全相同。

四、何时分库分表？

1、能不切分尽量不要切分

并不是所有表都需要进行切分，主要还是看数据的增长速度。切分后会在某种程度上提升业务的复杂度，数据库除了承载数据的存储和查询外，协助业务更好的实现需求也是其重要工作之一。

不到万不得已不用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，不要为分而分，先尽力去做力所能及的事情，例如：升级硬件、升级网络、读写分离、索引优化等等。当数据量达到单表的瓶颈时候，再考虑分库分表。

2、数据量过大，正常运维影响业务访问

这里说的运维，指：

1）对数据库备份，如果单表太大，备份时需要大量的磁盘IO和网络IO。例如1T的数据，网络传输占50MB时候，需要20000秒才能传输完毕，整个过程的风险都是比较高的

2）对一个很大的表进行DDL修改时，MySQL会锁住全表，这个时间会很长，这段时间业务不能访问此表，影响很大。如果使用pt-online-schema-change，使用过程中会创建触发器和影子表，也需要很长的时间。在此操作过程中，都算为风险时间。将数据表拆分，总量减少，有助于降低这个风险。

3）大表会经常访问与更新，就更有可能出现锁等待。将数据切分，用空间换时间，变相降低访问压力

3、随着业务发展，需要对某些字段垂直拆分

举个例子，假如项目一开始设计的用户表如下：

id                   bigint             #用户的ID
name                 varchar            #用户的名字
last_login_time      datetime           #最近登录时间
personal_info        text               #私人信息
.....                                   #其他信息字段

在项目初始阶段，这种设计是满足简单的业务需求的，也方便快速迭代开发。而当业务快速发展时，用户量从10w激增到10亿，用户非常的活跃，每次登录会更新 last_login_name 字段，使得 user 表被不断update，压力很大。而其他字段：id, name, personal_info 是不变的或很少更新的，此时在业务角度，就要将 last_login_time 拆分出去，新建一个 user_time 表。

personal_info 属性是更新和查询频率较低的，并且text字段占据了太多的空间。这时候，就要对此垂直拆分出 user_ext 表了。

4、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。此时一定要选择合适的切分规则，提前预估好数据容量。

5、安全性和可用性

鸡蛋不要放在一个篮子里。在业务层面上垂直切分，将不相关的业务的数据库分隔，因为每个业务的数据量、访问量都不同，不能因为一个业务把数据库搞挂而牵连到其他业务。利用水平切分，当一个数据库出现问题时，不会影响到100%的用户，每个库只承担业务的一部分数据，这样整体的可用性就能提高。

五、数据切分可能带来的问题

分库分表能有效的缓解单机和单库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，同时也带来了一些问题。下面将描述这些技术挑战以及对应的解决思路。 

1、事务一致性问题

分布式事务

当更新内容同时分布在不同库中，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后立即回滚的方式不同，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等。事务补偿还要结合业务系统来考虑。

 

2、跨节点关联查询 join 问题

切分之前，系统中很多列表和详情页所需的数据可以通过sql join来完成。而切分之后，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。

解决这个问题的一些方法：

1）全局表

全局表，也可看做是"数据字典表"，就是系统中所有模块都可能依赖的一些表，为了避免跨库join查询，可以将这类表在每个数据库中都保存一份。这些数据通常很少会进行修改，所以也不担心一致性的问题。

2）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：订单表保存userId时候，也将userName冗余保存一份，这样查询订单详情时就不需要再去查询"买家user表"了。

但这种方法适用场景也有限，比较适用于依赖字段比较少的情况。而冗余字段的数据一致性也较难保证，就像上面订单表的例子，买家修改了userName后，是否需要在历史订单中同步更新呢？这也要结合实际业务场景进行考虑。

3）数据组装

在系统层面，分两次查询，第一次查询的结果集中找出关联数据id，然后根据id发起第二次请求得到关联数据。最后将获得到的数据进行字段拼装。

4）ER分片

关系型数据库中，如果可以先确定表之间的关联关系，并将那些存在关联关系的表记录存放在同一个分片上，那么就能较好的避免跨分片join问题。在1:1或1:n的情况下，通常按照主表的ID主键切分。如下图所示：

这样一来，Data Node1上面的order订单表与orderdetail订单详情表就可以通过orderId进行局部的关联查询了，Data Node2上也一样。

 

3、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，当排序字段就是分片字段时，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，就变得比较复杂了。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。如图所示：

上图中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，情况则变得复杂很多，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，最后再进行整体的排序，这样的操作时很耗费CPU和内存资源的，所以页数越大，系统的性能也会越差。

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和再次计算，最终将结果返回。如图所示：

 

4、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的ID无法保证全局唯一。因此需要单独设计全局主键，以避免跨库主键重复问题。有一些常见的主键生成策略：

1）UUID

UUID标准形式包含32个16进制数字，分为5段，形式为8-4-4-4-12的36个字符，例如：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000

UUID是主键是最简单的方案，本地生成，性能高，没有网络耗时。但缺点也很明显，由于UUID非常长，会占用大量的存储空间；另外，作为主键建立索引和基于索引进行查询时都会存在性能问题，在InnoDB下，UUID的无序性会引起数据位置频繁变动，导致分页。

2）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;

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成全局ID。sequence表的内容，如下所示：

+-------------------+------+  
| id                | stub |  
+-------------------+------+  
| 72157623227190423 |    a |  
+-------------------+------+  

使用 MyISAM 存储引擎而不是 InnoDB，以获取更高的性能。MyISAM使用的是表级别的锁，对表的读写是串行的，所以不用担心在并发时两次读取同一个ID值。

当需要全局唯一的64位ID时，执行：

REPLACE INTO sequence (stub) VALUES ('a');  
SELECT LAST_INSERT_ID();  

这两条语句是Connection级别的，select last_insert_id() 必须与 replace into 在同一数据库连接下才能得到刚刚插入的新ID。

使用replace into代替insert into好处是避免了表行数过大，不需要另外定期清理。

此方案较为简单，但缺点也明显：存在单点问题，强依赖DB，当DB异常时，整个系统都不可用。配置主从可以增加可用性，但当主库挂了，主从切换时，数据一致性在特殊情况下难以保证。另外性能瓶颈限制在单台MySQL的读写性能。

flickr团队使用的一种主键生成策略，与上面的sequence表方案类似，但更好的解决了单点和性能瓶颈的问题。

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ID增长的步长是库的数量，起始值依次错开，这样能将ID的生成散列到各个数据库上。如下图所示：

由两个数据库服务器生成ID，设置不同的auto_increment值。第一台sequence的起始值为1，每次步长增长2，另一台的sequence起始值为2，每次步长增长也是2。结果第一台生成的ID都是奇数（1, 3, 5, 7 ...），第二台生成的ID都是偶数（2, 4, 6, 8 ...）。

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机器上获取ID。但有以下几个缺点：系统添加机器，水平扩展时较复杂；每次获取ID都要读写一次DB，DB的压力还是很大，只能靠堆机器来提升性能。

可以基于flickr的方案继续优化，使用批量的方式降低数据库的写压力，每次获取一段区间的ID号段，用完之后再去数据库获取，可以大大减轻数据库的压力。如下图所示：

还是使用两台DB保证可用性，数据库中只存储当前的最大ID。ID生成服务每次批量拉取6个ID，先将max_id修改为5，当应用访问ID生成服务时，就不需要访问数据库，从号段缓存中依次派发0~5的ID。当这些ID发完后，再将max_id修改为11，下次就能派发6~11的ID。于是，数据库的压力降低为原来的1/6。

3）Snowflake分布式自增ID算法

Twitter的snowflake算法解决了分布式系统生成全局ID的需求，生成64位的Long型数字，组成部分：

• 第一位未使用
• 接下来41位是毫秒级时间，41位的长度可以表示69年的时间
• 5位datacenterId，5位workerId。10位的长度最多支持部署1024个节点
• 最后12位是毫秒内的计数，12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序列

这样的好处是：毫秒数在高位，生成的ID整体上按时间趋势递增；不依赖第三方系统，稳定性和效率较高，理论上QPS约为409.6w/s（1000*2^12），并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞；可根据自身业务灵活分配bit位。

不足就在于：强依赖机器时钟，如果时钟回拨，则可能导致生成ID重复。

综上

结合数据库和snowflake的唯一ID方案，可以参考业界较为成熟的解法：Leaf——美团点评分布式ID生成系统，并考虑到了高可用、容灾、分布式下时钟等问题。

5、数据迁移、扩容问题

当业务高速发展，面临性能和存储的瓶颈时，才会考虑分片设计，此时就不可避免的需要考虑历史数据迁移的问题。一般做法是先读出历史数据，然后按指定的分片规则再将数据写入到各个分片节点中。此外还需要根据当前的数据量和QPS，以及业务发展的速度，进行容量规划，推算出大概需要多少分片（一般建议单个分片上的单表数据量不超过1000W）

如果采用数值范围分片，只需要添加节点就可以进行扩容了，不需要对分片数据迁移。如果采用的是数值取模分片，则考虑后期的扩容问题就相对比较麻烦。

 六、使用Merge存储引擎实现MySQL分表（水平切分）

一、使用场景

　　Merge表有点类似于视图。使用Merge存储引擎实现MySQL分表，这种方法比较适合那些没有事先考虑分表，随着数据的增多，已经出现了数据查询慢的情况。这个时候如果要把已有的大数据量表分开比较痛苦，最痛苦的事就是改代码。所以使用Merge存储引擎实现MySQL分表可以避免改代码。

　　Merge引擎下每一张表只有一个MRG文件。MRG里面存放着分表的关系，以及插入数据的方式。它就像是一个外壳，或者是连接池，数据存放在分表里面。

　　merge合并表的要求：

• 合并的表使用的必须是MyISAM引擎
• 表的结构必须一致，包括索引、字段类型、引擎和字符集

　　对于增删改查，直接操作总表即可。

二、建表

　　1.用户1表

CREATE TABLE `user1` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(50) DEFAULT NULL,
  `sex` int(1) NOT NULL DEFAULT '0',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8; 

　　2.用户2表

　　create table user2 like user1;

　　3.主表

CREATE TABLE `alluser` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` varchar(50) DEFAULT NULL,
  `sex` int(1) NOT NULL DEFAULT '0',
  KEY `id` (`id`)
) ENGINE=MRG_MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8 INSERT_METHOD=LAST UNION=(`user1`,`user2`);

　　1) ENGINE = MERGE 和 ENGINE = MRG_MyISAM是一样的意思，都是代表使用的存储引擎是 Merge。

　　2) INSERT_METHOD，表示插入方式，取值可以是：0 和 1，0代表不允许插入，1代表可以插入；

　　3) FIRST插入到UNION中的第一个表，LAST插入到UNION中的最后一个表。

三、操作

　　1. 先在user1表中增加一条数据，然后再在user2表中增加一条数据，查看 alluser中的数据。

　　　insert into user1(name,sex) values ('张三',1);

　　　insert into user2(name,sex) values ('李四',2);

　　  select * from alluser;  发现是刚刚插入的数据如下：

　　　

　　   这就出现了一个id重复，这就造成了当删除和修改的时候异常，解决办法是给 alluser的id赋唯一值。

　　   我们解决方法是，重新建立一张表tb_ids(id int)，用来专门存一个id的，并插入一条初始数据，同时删除掉user1和user2中的数据。

　　create table tb_ids(id int);
　　insert into tb_ids values(1);
　　delete from user1;
　　delete from user2;

　　　然后在user1和user2表中分别建立一个触发器(tr_seq和tr_seq2)，触发器的功能是 当在user1或者user2表中增加一条记录时，取出tb_ids中的id值，赋给user1和user2的id，然后将tb_ids的id值加1，

　　　user1表的触发器内容如下（user2表的触发器修要修改 触发器的名字 和 表名，如下红字标注）：　　　

   DELIMITER $$
   CREATE TRIGGER tr_seq
   BEFORE INSERT on user1
   FOR EACH ROW BEGIN 
      select id  into @testid from tb_ids limit 1;
      update tb_ids set id = @testid + 1;
   set new.id =  @testid;
   END$$
   DELIMITER;

　　2.在user1和user2表中分别增加一条数据，

　　  insert into user1(name,sex) values('王五',1);

　　  insert into user2(name,sex) values('赵六',2);

　　3.查询user1和user2中的数据：

　　             

　　4.查询总表alluser中的数据，发现id没有重复的：

　　 

      搞定。

七、垂直切分的依据

当一个表属性很多时，如何来进行垂直拆分呢？如果没有特殊情况，拆分依据主要有几点：

（1）将长度较短，访问频率较高的属性尽量放在一个表里，这个表暂且称为主表

（2）将字段较长，访问频率较低的属性尽量放在一个表里，这个表暂且称为扩展表

如果1和2都满足，还可以考虑第三点：

（3）经常一起访问的属性，也可以放在一个表里

优先考虑1和2，第3点不是必须。另，如果实在属性过多，主表和扩展表都可以有多个。

一般来说，数据量并发量比较大时，数据库的上层都会有一个服务层。需要注意的是，当应用方需要同时访问主表和扩展表中的属性时，服务层不要使用join来连表访问，而应该分两次进行查询：

原因是，大数据高并发互联网场景下，一般来说，吞吐量和扩展性是主要矛盾：

（1）join更消损耗数据库性能

（2）join会让base表和ext表耦合在一起（必须在一个数据库实例上），不利于数据量大时拆分到不同的数据库实例上（机器上）。毕竟减少数据量，提升性能才是垂直拆分的初衷。

为什么要这么这么拆分？

为何要将字段短，访问频率高的属性放到一个表内？为何这么垂直拆分可以提升性能？因为：

（1）数据库有自己的内存buffer，会将磁盘上的数据load到内存buffer里（暂且理解为进程内缓存吧）

（2）内存buffer缓存数据是以row为单位的

（3）在内存有限的情况下，在数据库内存buffer里缓存短row，就能缓存更多的数据

（4）在数据库内存buffer里缓存访问频率高的row，就能提升缓存命中率，减少磁盘的访问

举个例子就很好理解了：

假设数据库内存buffer为1G，未拆分的user表1行数据大小为1k，那么只能缓存100w行数据。

如果垂直拆分成user_base和user_ext，其中：

（1）user_base访问频率高（例如uid, name, passwd, 以及一些flag等），一行大小为0.1k

（2）user_ext访问频率低（例如签名, 个人介绍等），一行大小为0.9k

那边内存buffer就就能缓存近乎1000w行user_base的记录，访问磁盘的概率会大大降低，数据库访问的时延会大大降低，吞吐量会大大增加。

如何联合查找？

分库分表的结果会使数据分散，不好查询，主要有两种查询方式：

（1）分步查：先查找主表，然后得到关联表的id，再发起请求得到关联数据；

（2）联合查：同时发起多个查询请求，然后将所有的结果集合起来。

总结

（1）水平拆分和垂直拆分都是降低数据量大小，提升数据库性能的常见手段

（2）流量大，数据量大时，数据访问要有service层，并且service层不要通过join来获取主表和扩展表的属性

（3）垂直拆分的依据，尽量把长度较短，访问频率较高的属性放在主表里

八、参考

1、https://www.jianshu.com/p/3fed6db29a01

2、https://www.cnblogs.com/butterfly100/p/9034281.html

3、https://blog.csdn.net/cfy1024/article/details/80899189

4、https://www.cnblogs.com/sunny3096/p/8595058.html

5、https://www.cnblogs.com/xbq8080/p/6628034.html

6、https://blog.csdn.net/wufaliang003/article/details/78619266