MongoDB - 分片简介

简介

什么是分片

高数据量和高吞吐量的数据库应用会对单机的性能造成较大压力，大的查询会将单机的 CPU 耗尽，大的数据量对单机的存储压力较大，最终会耗尽系统的内存压力转移到磁盘 IO 上。

为了解决这些问题，有两个基本的方法：

垂直扩展：增加更多的 CPU 和存储资源来扩展容量
水平扩展：将数据集分布在多个服务器上

MongoDB 的分片就是水平扩展的体现，使用分片减少了每个分片需要处理的请求数。通过水平扩展，集群可以提高自己的存储容量和吞吐量。

何时分片

通常来说，不宜过早对数据进行分片，这会增加部署的复杂性；也不应该过晚进行分片，因为很难在不停止运行的情况下对超载的系统进行分片。

通常情况下，分片用于以下情况：

增加可用 RAM
增加可用磁盘空间
减少服务器的负载
处理单个 mongod 无法承受的吞吐量

集群结构

一个 MongoDB 的分片集群包含以下组件：

Shard: 即分片，数据的真正存储位置，以 chunk 为单位存数据；分片也可以部署为一个副本集
Router: 查询的路由，提供客户端和分片之间的接口；MongoDB 提供了 mongos 进程实现
Config Servers: 存储元数据和配置数据

数据存储

分片的块

在一个分片服务内部，MongoDB 会把数据分为块，每个 chunk 代表这个分片内部的一部分数据。其作用有两个：

splitting: 当一个 chunk 的大小超过配置的 chunk size 时，MongoDB 的后台进程会将这个 chunk 继续切分
balancing: 在 MongoDB 中，会有一个 balancer 线程负责 chunk 的迁移，从而均衡各个分片的负载

块的大小

在 MongoDB 中，chunk 的分裂和迁移是非常耗费 IO 资源的，并且 chunk 的分裂只会发生在插入和更新时。

对于大块和小块的选择，其实各有优缺点：

小块：迁移速度快，数据分布更均匀；数据分裂频繁，路由节点消耗更多资源
大块：数据分裂少，数据块移动集中消耗 IO 资源

分裂和迁移

随着数据的增长，其中的数据大小超过了配置的 chunk size（默认 64M），则这个 chunk 就会分裂成两个。

数据增长的速度快慢会影响 chunk 分裂的速度，数据增长越快则 chunk 分裂的速度越快。

需要注意的是，如果分片试图分裂的时候，其中一个配置服务器停止运行了，那么将无法更新元数据，则会出现分片一直尝试拆分块并一直失败，这种一直无法成功的过程最终会导致 拆分风暴。

一旦发生了分裂，比如说 Shard A 分裂成 3 个块，Shard B 分裂成 3 个块，而 Shard C 仍然只有 1 个块，则各个分片上的 chunk 数量会不平衡，。

这时候，mongos 中的 balancer 线程就会执行自动平衡，把 chunk 从 chunk 数量最多的分片挪动到 chunk 数量最少的节点。

如何分片

分片键

在对集合进行分片的时，需要选择一个或多个组合字段来对数据进行拆分，这个键（这些键）被称为分片键。

选择分片键非常重要，分片键的有以下注意事项：

分片键是不可变的
分片键必须是索引
分片键不能是数组
分片键大小限制 512bytes
分片键用于路由查询
分片键的组合最好具有很高的基数

哈希分片

分片过程中可以使用哈希索引作为分片键，其最大的好处是能保证数据在各个节点分布基本均匀。

对于基于哈希的分片，MongoDB 计算一个字段的哈希值，并用这个哈希值来创建数据块。

在使用基于哈希分片的系统中，拥有相近分片键的文档很可能不会存储在同一个数据块中，数据的分离性更好一些。

基于哈希分片可以很好地在集群中分配负载，但是，如果随机访问超出了 RAM 大小的数据时，效率会比较低。

范围分片

对于基于范围的分片，MongoDB 按照分片键的范围把数据分成不同部分。

在使用分片键做范围划分的系统中，拥有相近分片键的文档很可能存储在同一个数据块中，因此也会存储在同一个分片中。

如果这个分片键是一个自增的值时，将会使 MongoDB 难以保持块的均衡，因为 MongoDB 需要不断将最后一个分片的数据块移动到其他分片上。

哈希和范围的结合

哈希分片更适合随机访问，不适合范围查询；范围分片则是适合范围查询，不适合平衡负载。

一个自定义的方案是，对自增字段构建哈希索引（尽可能是仍然保持有序的哈希算法）即可解决。