sharding：谁都能读懂的分库、分表、分区

本文通过大量图片来分析和描述分库、分表以及数据库分区是怎样进行的。

1.sharding前的初始数据分布

在本文中，我打算用高考考生相关信息作为实验数据。请无视表的字段是否符合现实，也请无视表的设计是否符合范式。

3张表：

• 考生表，存放全国所有高考考生信息，假设34个省、(直辖)市、(自治区、特别行政)区共3000W考生
• 学科表，分文理科，共9门课程(语文、数学、英语、历史、地理、政治、物理、化学、生物)
• 成绩表，存过全国所有考生所有学科成绩，每个学生6门成绩，共1.8亿条成绩数据

三张表放在名为"gaokao_db"的库中。所以，它们的结构如下：

这三张表的大致存储方式如下：

这个时候数据存储方式是单库多表。

2.业务分库

业务分库：按业务将不同表放进不同库。每个库可以放在不同数据库服务器上。

例如，在这里将原始数据库gaokao_db中的3个表分开放进两个数据库中，stu_db存放考生表，score_db存放成绩表。

还有一张学科表放在哪呢？对于那些很小、无需进行切片的表，可以将多个这样的表共同放在同一个库中，也可以根据联接特性将其分开放置在常与之进行联接的库中。在此处，学科表很小，没必要单独占用一个库甚至数据库服务器，且由于学科表只会和成绩表进行联接，所以将其放在score_db库中。

业务分库如下图：

stu_db和score_db可以放在同一数据库服务器上，也可以放在不同数据库服务器上，从而在整体上减轻系统的压力。但是，如果这两个库放在不同服务器上，因为跨数据库实例，将没法对stu_db和score_db中的表进行join操作。

一般来说，对于可预见的、不断增长的数据，业务分库可能最先进行的sharding。

3.垂直切分

垂直切分：将一个表按照字段分成多表，每个表存储一部分字段。表可以放在不同存储设备上。

其实，在最初设计数据库的时候，因为是关系型数据库，或多或少都会去遵守一些设计范式。当设计的数据库表满足第一范式、第二范式、第三范式等等范式要求时，其实就已经进行了所谓的垂直切分。

即使按照范式设计了数据库表，但有些表是宽表，有很多可能很少使用的字段，这些字段可能是按照稀疏列进行管理的，也可能是大BLOB后大text字段。此外，表中的字段还可以划分为"热门字段和冷门字段"，例如本文示例中，相比考生号、姓名、所属地区使用频繁程度，考生电话号码可能很少使用、身份证号也很少使用，所以这两个字段是冷门字段。

所以，当表数据量很大时，即使满足了范式要求，还是可以强行将表按字段切开，将热门字段、冷门字段分开放置在不同库中，这些库可以放在不同的存储设备上，避免IO争抢。

如下图：

注意，垂直切分后的表，要能进行关联，所以在此处的其它信息表中加上了考生号字段。

垂直切分其实是更深一步的范式设计，或者反范式设计。垂直切分带来的性能提升，主要集中在热门数据的操作效率上，而且磁盘争用情况减少。但如果想要将两个表中的数据再次联合起来，性能将比垂直切分前差的多。

另外，有很多人将业务分库当作垂直切分，其实这都不重要，重要的是知道各种手段是干嘛的。不过在本文以及我后面的文章，将认为业务分库和垂直切分是不同sharding的分类。

4.水平切分

水平切分：将大表按条件切分到不同表中。每个表存储一部分满足条件的行。

水平切分通常有几种常用的切分方式：

1. 直接按字段条件切分
2. 取模后切分
3. 按月份、季度、年份切分，或者称之为按范围切分

水平切分对性能提升非常大，不仅可以避开服务器资源争用，还减小了索引大小以及每个库维护的表数据量。

4.1 按字段条件进行切分

例如本文的示例中，按照考生所属地区对考生表进行水平切分，这是按照字段条件进行切分。

如下图，因为有34个省、市、区，所以分成34个考生表，每个考生表都放在地区命名的库中。各库可放在同一数据库服务器，也可以放在不同数据库服务器。例如，某些省市区的考生数量少，可以将多个这样的库放在同一个数据库服务器上，而山东、江西等高考大省，因为考生数量多，可以单独放在同一个数据库服务器上。

注意上述按字段条件进行水平切分时，表名不变，创建新的按地区命名的库，将各地区的表放置在对应的库中。

通常，按照字段条件进行水平切分时，其它表也很有可能也按这个条件进行切分，使得满足条件的表都放在同一个库中，这样能保证正常的join操作。

例如，上面切分了考生表，还可以切分成绩表，让同一个地区的考生表、成绩表放在同一个库中(所以，不能将考生表、成绩表进行业务分库)。

这样切分后，整个数据的分布情况如下：

4.2 按范围进行切分

对于上面的成绩表，如果在此之前已经进行了业务分库，就无法让成绩表、考生表同时按照地区进行水平切分。这时可以进行范围切分，最常见的范围切分是按月份、季度、年份进行切分。

例如，本文示例的成绩表，可以按考生号范围切片，可按考生号取模后切片，也可按学科类别切片。例如，按考生号范围切片，每张表500W考生共3000W条成绩数据，共切成6片。

注意按照范围(或者取模、年份、月份、季度等)切片后，数据库的命名。这些库可以放在同一个数据库服务器上，也可以放在不同数据库服务器上。

如果对成绩表按照范围(或者取模、年份、月份、季度等)切片后，最好对考生表也按照同样的切分方式进行切片。举个反例很容易理解，这里的成绩表按照范围切分了，但是考生表按照地区切分，这两类库的名称之间将失去对应关系，对于数据维护来说可能会增加很大的难度。

按照这种模式的水平切分后，整个数据的分布情况如下(假设考生表也按范围切片)：

4.3 取模切分

取模是对数值或能转换为数值的字段进行取模，要切分成几片，就除几。

例如，按照取模切分的方式，将本文的考生表切分成6片。于是：

00000001 % 6 = 1   --> 放进stu_1库
00000002 % 6 = 2   --> 放进stu_2库
00000003 % 6 = 3   --> 放进stu_3库
00000004 % 6 = 4   --> 放进stu_4库
00000005 % 6 = 5   --> 放进stu_5库
00000006 % 6 = 0   --> 放进stu_0库
...
00000101 % 6 = 5   --> 放进stu_5库
00000102 % 6 = 0   --> 放进stu_0库
00000103 % 6 = 1   --> 放进stu_1库
00000104 % 6 = 2   --> 放进stu_2库
00000105 % 6 = 3   --> 放进stu_3库
00000106 % 6 = 4   --> 放进stu_4库
...

注意，取模切片后的表名仍然为考生表，这些考生表放在对应的库里，这些库可以单独放在一个数据库服务器上，也可以多个库一起放在同一个数据库服务器上。

5.数据库分区

数据库分区：将大表进行分区，不同分区可以放置在不同存储设备上，这些分区在逻辑上组成一个大表，对客户端透明

1. 分区方式和水平切片是类似的，分区方式也和水平切片方式类似，如范围切片，取模切片等
2. 数据库分区是数据库自身的特性，切片则是外部强制手段控制完成的
3. 数据库分区无法将分区跨库，更不能跨数据库服务器，但能保存在不同数据文件从而放置在不同存储设备上
4. 数据库分区是数据库的特性，数据完整性、一致性等实现起来很方便，这一切都是数据库自身保证的

例如，对考生表按照地区进行分区。

在数据库切片流行之前，对大表的处理方式就是划分分区表。数据库分区相比于切片，最大的缺点在于无法跨库、跨服务器，所以在某些方面的压力得到不缓解。

6.分库、分表带来的问题

因为分库、分表可以将大表切分成多个片段，每次检索时可以只检索一小个片段，且因为这些片段可以分开存放在不同存储设备、不同数据库服务器上，它的整体性能得到了很大的提高。但是，随之而来不少问题。最主要集中在以下几个方面。

1.分库分表本身的复杂性

分库分表的方式可以在开发端通过代码来实现，也可以在app和数据库中间使用中间件来实现(如mycat)，还可以直接使用分布式数据库(如TiDB、OceanBase)替代传统关系型数据库。无论是哪一种方案，学习成本、维护成本都有一段阵痛时期。

2.分库分表让数据库系统架构变得复杂

特别是添加中间件的方式，毕竟在app和数据库中间多了一层，这一层不能出现单点故障。

3.跨节点join问题

当进行了业务分库，或者其它切片方式将库放置在不同数据库实例上时，因为跨了实例，将无法进行join操作。

4.扩容和数据迁移艰难

对于那些以范围、取模方式做水平切分的大表，扩容以及扩容时的数据迁移很艰难。需要解决几个问题：

• 扩容到多少节点比较满足自己的期望。
• 扩容时，哪些数据需要从旧节点清洗掉，哪些数据需要从旧节点迁移到新节点。
• 如何实现在线迁移。

例如原本按照4个节点取模分片，现在出现了瓶颈，想要扩容成6个节点。

第一个问题，从4个节点扩容为6个节点，在整体上大致能提升50%的性能。

第二个问题和第三个问题。看如下数据分布情况

  扩容前         扩容后
0 % 4 = 0     0 % 6 = 0
1 % 4 = 1     1 % 6 = 1
2 % 4 = 2     2 % 6 = 2
3 % 4 = 3     3 % 6 = 3
4 % 4 = 0     4 % 6 = 4   -> 从0节点迁移到4节点
5 % 4 = 1     5 % 6 = 5   -> 从1节点迁移到5节点
6 % 4 = 2     6 % 6 = 0   -> 从2节点迁移到0节点
7 % 4 = 3     7 % 6 = 1   -> 从3节点迁移到1节点
8 % 4 = 0     8 % 6 = 2   -> 从0节点迁移到2节点
9 % 4 = 1     9 % 6 = 3   -> 从1节点迁移到3节点
10 % 4 = 2    10 % 6 = 4  -> 从2节点迁移到4节点
11 % 4 = 3    11 % 6 = 5  -> 从3节点迁移到5节点
12 % 4 = 0    12 % 6 = 0
13 % 4 = 1    13 % 6 = 1
14 % 4 = 2    14 % 6 = 2
15 % 4 = 3    15 % 6 = 3
16 % 4 = 0    16 % 6 = 4  -> 从0节点迁移到4节点

可见，每12条数据就要从旧节点迁移8条数据，而且这8掉数据还是在各个节点之间交叉迁移。这使得数据迁移非常复杂，不是想加几个节点就加几个节点，让扩容变得不再随心所欲。一种比较好的解决方案是双倍扩容，例如从4节点扩容为8节点。

  扩容前         扩容后
0 % 4 = 0     0 % 8 = 0
1 % 4 = 1     1 % 8 = 1
2 % 4 = 2     2 % 8 = 2
3 % 4 = 3     3 % 8 = 3
4 % 4 = 0     4 % 8 = 4  -> 从0节点迁移到4节点
5 % 4 = 1     5 % 8 = 5  -> 从1节点迁移到5节点
6 % 4 = 2     6 % 8 = 6  -> 从2节点迁移到6节点
7 % 4 = 3     7 % 8 = 7  -> 从3节点迁移到7节点
8 % 4 = 0     8 % 8 = 0
9 % 4 = 1     9 % 8 = 1
10 % 4 = 2    10 % 8 = 2
11 % 4 = 3    11 % 8 = 3
12 % 4 = 0    12 % 8 = 4  -> 从0节点迁移到4节点
13 % 4 = 1    13 % 8 = 5  -> 从1节点迁移到5节点
14 % 4 = 2    14 % 8 = 6  -> 从2节点迁移到6节点
15 % 4 = 3    15 % 8 = 7  -> 从3节点迁移到7节点
16 % 4 = 0    16 % 8 = 0

这样每8条数据迁移4条，且需要迁移的数据不会在各节点之间交叉。这样迁移要方便的的，而且性能提升100%。但是因为要迁移的数据量较大，迁移速度较慢，而且每次扩容都采取双倍扩容，必须要考虑服务器成本。

还有一种比较流行的"业务双写"迁移法。相比于双倍扩容法，它仍然很复杂。它的迁移过程大概是这样的：

1. 加入新节点。
2. 将业务写入过程按照旧规则和新规则同时写到新旧节点(业务双写)。例如4节点扩容到6节点时，id=2000的数据(假设之前没有该数据)将同时写入到0节点和2节点，id=2003将同时写入3节点和5节点。
3. 迁移旧数据。
4. 应用新规则，将新节点向外提供服务。
5. 清洗旧数据。

双写能保证迁移数据的过程仍然持续在线提供服务。但是，那些已存在的旧数据迁移仍然较为复杂，需要仔细琢磨要迁移哪些数据，以及迁移到哪个节点，这点必须把控好。