干货分享 | 2分钟看懂MySQL分库分表原理

作者简介：董泽锋，腾讯云数据库研发工程师，主要负责腾讯云TDSQL研发工作。

【导语】随着业务的增长，mysql中保存的数据会越来越多。此时，数据库很容易成为系统性能的一个瓶颈，单机存储容量、IO、CPU处理能力都有限，当单表的数据量达到1000W或100G以后，库表的增删改查操作面临着性能大幅下降的问题。分库分表是一种解决办法。

分库分表实际上就是对数据进行切分。我们一般可以将数据切分分为两种方式：垂直（纵向）切分和水平（横向）切分。

 垂直切分 

垂直切分常见有垂直分库和垂直分表两种。

1. 垂直分库 

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。

思想与”微服务治理“类似，将系统拆分为多个业务，每个业务使用自己单独的数据库。比如下图：

将应用拆分为客户，存款和贷款三个业务，每个业务使用自己单独的数据库。

2. 垂直分表

垂直分表是基于数据库中的表字段来进行的。业务中可能存在一些字段比较多的表，表中某些字段长度较大。这些长字段我们又只是偶尔需要用到。这时候我们就可以考虑将表进行垂直拆分了。将某些不常用的，但是长度又很大的字段拎出来放到另外一张表。

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。

垂直切分例子如下图：

我们将一张包含4个字段的表拆分为2张表，在业务代码里面，通过字段C1来进行关联。

3. 垂直切分优缺点

优点：

1. 不同系统可以使用不同的库表，解决业务系统层面的耦合，业务清晰

2. 高并发场景下，垂直切分一定程度地提升IO、数据库连接数，缓解单机硬件资源的瓶颈

缺点：

1. 部分查询需要在业务代码逻辑里面做聚合，增加开发复杂度

2. 事务处理复杂，可能需要在业务代码层面做处理

3.不能根本解决单表数据量过大的问题

 水平切分 

当业务难以更细粒度地进行垂直切分，或者切分后单表数据依然过大，存在单库读写、存储性能瓶颈时候，这时候就可以考虑水平切分了。

水平切分又可以分为库内分表和分库分表。是根据表内数据的内在逻辑关系，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。

1. 库内分表

库内分表就是在同一个db上，将表按照某种条件拆分为多张表。

比如一张订单表，我们可以依据订单的日期，按月建表。一月份的订单放month_201901这张表，二月份的订单放month_201902这张表。库内分表只解决单表数据量过大问题，但没有将表分布到不同机器上，所有请求还是在一台物理机上竞争cpu，内存，IO，对于减轻mysql负载压力来说帮助不大。

2. 分库分表

分库分表就是将表不仅拆分，而且拆分到不同机器上。

比如我们腾讯云上的DCDB就是这种处理方法。可以指定一张表的shardKey，然后对shardKey取hash，根据hash值将数据放到不同的数据库中。这个可以解决单机物理资源的瓶颈问题。

分库分表的示例如下：

上面示例先根据业务耦合性垂直分库，然后再针对单个库进行分库分表。

2.1 分库分表优缺点

优点：

1. 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

2. 应用端改造较小，不需要拆分业务模块

缺点：

1. 跨分片的事务一致性较难保障，一般需要一层中间件，介于业务和db之间。对应腾讯云上的DCDB数据库所包含的Proxy层。

2. 跨库的join关联查询性能较差

2.2 分库分表带来的问题

分库分表能有效地缓解单机和单库带来的性能瓶颈和压力，突破网络IO、磁盘存储、CPU处理能力的瓶颈，同时也带来了一些问题。

(1) 事务一致性问题

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。

(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：

a. 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。比如腾讯云上的DCDB，可以创建广播表，其实就是全局表。每个节点都有该表的全量数据，该表的所有操作都将广播到所有物理分片（set）中。

b. 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。

c. 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

(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。显然这个过程是会降低查询的效率。对IO，CPU也会增加额外的负担。

如下图所示：

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，这样的操作是很耗费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、再次计算，最终将结果返回。

(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。

 总结 

分库分表可以解决一些问题（比如单机的IO，CPU、磁盘瓶颈问题），但也增添了一些新问题（比如事务一致性问题，跨分片join问题）。当然随着一些新的NewSql技术的成熟，分库分表这一方案也不再是业务扩张后的最优选择了。最近很火的TIDB，CynosDB都给出了更优的解决方案。