详解分库分表设计

背景

​ 在传统的单机数据库架构中，所有数据都存储在同一个数据库中，随着业务规模的不断扩大，数据量和并发量也会越来越大，这会给数据库的性能和可用性带来挑战。此外，当单机数据库的容量达到瓶颈时，无法继续扩展，这也限制了应用程序的可扩展性。

​ 为了解决这些问题，分库分表技术应运而生。通过将数据分散存储在多个数据库或表中，可以减轻单一数据库的负载，提高系统的并发性能。此外，分库分表还可以支持水平扩展，使得系统能够随着业务的增长而不断扩展。

总之，分库分表是一种常用的数据库架构设计方案，可以解决数据库在数据量、并发性、可扩展性等方面面临的瓶颈问题，是大规模应用程序必不可少的技术之一。

为什么分库分表

1. 数据量增大：当数据量逐渐增大时，单个数据库或表可能无法承载所有数据，导致性能下降，甚至崩溃。

   分库分表可以将数据分散到多个数据库或表中，每个数据库或表都只负责一部分数据，从而提高系统的性能和可靠性。

2. 提高并发能力：当多个用户同时访问同一个表时，容易造成数据库的性能瓶颈，导致响应变慢。

   分库分表可以将数据分散到多个数据库或表中，从而提高并发访问能力，减少系统的瓶颈。

3. 数据隔离：在多租户场景下，不同的租户需要使用不同的数据库或表，以保证彼此的数据隔离。分库分表可以将不同租户的数据分散到不同的数据库或表中，从而保证数据的隔离性。

4. 降低单节点的压力：当系统需要支持大量数据的读写操作时，单个数据库或表可能无法承载，此时可以将数据分散到多个数据库或表中，从而降低单个节点的压力。

什么是分库分表

1. 分库：将一个数据库拆分为多个数据库

   1. 水平分库：指将一个大型数据库分成多个较小的、相似的数据库，每个数据库包含数据的不同部分

      例如：将用户数据根据其 ID 值的范围分配到用户库DB1、用户库DB2中。

      这种分片方式可以提高系统的扩展性和性能，因为可以将负载分散到多个数据库中

   

   特点：

   1. 每个库的结构都一样，存储同一业务类型的数据

   2. 每个库的数据都不一样，没有交集

   3. 所有库的并集是全量数据

   4. 垂直分库：是指将一个大型数据库，根据业务关系分成多个较小的数据库。

      例如，将用户数据存储在用户库，订单数据存储在订单库中。

      这种分片方式可以提高系统的灵活性和可维护性，因为可以根据需要对不同的数据库进行单独的优化和维护

   

   特点：

   1. 每个库的结构都不一样，存储不同业务类型的数据

   2. 每个库的数据都不一样，没有交集

   3. 所有库的并集是全量数据

   水平分库和垂直分库并不是互斥的概念，两者可以结合使用来实现更高效的数据库分片方案

2. 分表：将一个数据表拆分为多个数据表

   1. 水平分表：是指将一个表中的数据按照某个规则分散到多个表中，这个规则通常是基于某个列的取值进行的

      例如，可以根据用户ID，通过范围、Hash、取余等规则将用户表分成多个子表，每个子表中存储特定范围内的用户数据

      水平分表可以提高数据查询效率，因为查询只需要在一个小的子表中执行，而不是在整个表中执行

  特点：1. 每个表的结构都一样，存储**同一实体、相同类型**的数据2. 每个表存的数据都不一样，没有交集3. 所有表的并集是全量数据

2. 垂直分表：指将一个表按照列的方式进行分割，将一部分列存储到一个表中，另一部分列存储到另一个表中。这个分割通常是基于列的相关性进行的，典型的如主表和扩展表

   例如，可以将一个包含用户主要信息、用户辅助信息的表分成两个表，一个包含用户主要信息，另一个包含用户辅助信息。

   这可以提高数据的存储效率，因为每个表只包含必要的列，而不是整个表的所有列。

  特点：1. 每个表的结构都不一样，存储**同一实体、不同类型**的数据2. 每个表存的数据都不一样，字段至少有一列交集，一般是主键，用于关联数据3. 所有表的并集是全量数据

拆分策略

1. 按范围切分：按照数据的某个范围将表拆分成多个子表。例如，可以按照时间范围将订单表拆分成每个月的子表。

   优点：

   ​ 水平扩展：按照范围进行分库分表可以实现水平扩展，当数据量增加时，可以方便地增加更多的数据库或表；比如以2000万标准拆分，超过2000万的转移到新表，而之前2000万内的记录就无需再做迁移了

   缺点：

   ​ 热点问题：如果某些数据访问频率很高，但是按范围切分后，又被分在同一个区段，这样大量请求会集中在这一区段，没有很好的负载均衡效果

2. 按照哈希值切分：按照数据的哈希值将表拆分成多个子表。例如，可以使用用户ID的哈希值将用户表拆分成多个子表。

   HASH取模策略：指定的路由key（一般是主键ID）对分表总数进行取模，把数据分散到各个表中

   优点：

   ​ 负载均衡，没有明显的热点倾斜问题

   缺点：

   ​ 扩展不灵活，如果一开始按照HASH取模分成4个表了，未来某个时候，表数据量又到瓶颈了，需要扩容至，这就比较棘手了，需要重新进行数据迁移

3. 按照地理位置切分：如果数据与地理位置相关，则可以按照地理位置将表拆分成多个子表。例如，可以按照城市将商家表拆分成多个子表。

4. 按照业务类型切分：如果数据有不同的业务类型，则可以按照业务类型将表拆分成多个子表。例如，可以按照产品类型将商品表拆分成多个子表。

5. 按照访问频率切分：如果某些数据被频繁访问，则可以将其放入单独的表中，以便更快地访问。例如，可以将最近一年的订单数据放入单独的表中，以便更快地查询最近的订单。

分库分表工具

1. ShardingSphere：ShardingSphere是一套开源的分布式数据库中间件解决方案，支持分库分表、读写分离、数据加密等功能。

   官网：https://shardingsphere.apache.org/index_zh.html

2. Mycat：Mycat是一款基于MySQL协议的开源分布式数据库中间件，支持分库分表、读写分离、数据分片等功能。

   官网：http://www.mycat.org.cn/

3. TDDL：TDDL是阿里巴巴开源的一款分布式数据库中间件，支持MySQL、Oracle等数据库，提供了分库分表、读写分离、数据分片等功能。

4. Cobar：Cobar是阿里巴巴开源的一款分布式数据库中间件，支持MySQL、PostgreSQL等数据库，提供了分库分表、读写分离、数据分片等功能。

分库分表问题

1. 主键(自增 ID)唯一性问题：在表设计时，经常会使用自增 ID 作为主键，这就导致后续在迁库迁表、或者分库分表操作时，会因为主键的变化或者主键不唯一产生问题，解决方案主要有

   1. 采用分布式全局统一 ID 生成机制：如 UUID、雪花算法、数据库号段等方式

2. 分布式事务：由于数据被分散在多个数据库或表中，事务的处理会变得更加复杂。例如，如果一个事务涉及多个数据库或表，那么如何保证这些操作的原子性就需要更加细致的设计。

3. Join/分页查询：在分库分表的情况下，查询跨越多个数据库或表就变得更加复杂。例如，如果需要对一组数据进行全文搜索，那么就需要在多个数据库或表中执行查询，这可能会影响查询性能。

   1. 分开查询，再组装数据

   2. 冗余字段：如果每次join操作只是为了获取少量的字段，那么可以考虑直接将这些字段冗余到表上

   3. 数据同步：

      ​ 将数据源之间的数据同步到一个单独的数据仓库中，然后在这个数据仓库中进行join操作。这种方法可以解决跨库跨表的join问题，但是需要额外的存储和同步成本，并且可能存在数据同步延迟和一致性问题

4. 数据迁移：在分库分表的情况下，如果需要将数据迁移到新的数据库或表中，就需要考虑如何迁移数据，并且在迁移的过程中如何保证数据的一致性。

5. 系统复杂度：由于分库分表需要管理多个数据库或表，系统的复杂度也会随之增加。例如，需要考虑如何监控每个数据库或表的状态，如何处理数据库或表的故障等等问题。

6. 数据迁移：在分库分表的情况下，如果需要将数据迁移到新的数据库或表中，就需要考虑如何迁移数据，并且在迁移的过程中如何保证数据的一致性。

7. 系统复杂度：由于分库分表需要管理多个数据库或表，系统的复杂度也会随之增加。例如，需要考虑如何监控每个数据库或表的状态，如何处理数据库或表的故障等等问题。