多圖詳解：不停機分庫分表五個步驟
1 理論知識
1.1 分庫分表是否必要
分庫分表確實可以解決單表資料量大這個問題，但是並非首選。因為分庫分表至少引入了三個必須解決的突出問題。
第一是分庫分表方案本身具有的複雜性。第二是本地事務失效問題，原本在同一個資料庫中可以保證強一致性業務邏輯，分庫之後事務失效。第三是難以聚合查詢問題，因為分庫分表後查詢條件中必須帶有shardingKey，所以限制了很多查詢場景。
我們在之前文章《面試官問單表資料量大是否必須分庫分表》介紹過解決單表資料量過大問題，可以按照刪、換、分、拆、異、熱這六個字順序進行處理，而不是一上來就分庫分表。
刪是指刪除歷史資料並進行歸檔。換是指不要只使用資料庫資源，有些資料可以儲存至其它替代資源。分是指讀寫分離，增加多個讀範例應對讀多寫少的網際網路場景。拆是指分庫分表，將資料分散至不同的庫表中減輕壓力。異指資料異構，將一份資料根據不同業務需求儲存多份。熱是指熱點資料，這是一個非常值得注意的問題。
1.2 分庫分表兩大維度
假設有一個電商資料庫存放訂單、商品、支付三張業務表。隨著業務量越來越大，這三張業務資料表也越來越大，查詢效能顯著降低，資料拆分勢在必行，那麼資料拆分可以從縱向和橫向兩個維度進行。
1.2.1 縱向拆分
縱向拆分就是按照業務拆分，我們將電商資料庫拆分成三個庫，訂單庫、商品庫。支付庫，訂單表在訂單庫，商品表在商品庫，支付表在支付庫。這樣每個庫只需要儲存本業務資料，物理隔離不會互相影響。
1.2.2 橫向拆分
按照縱向拆分方案，現在我們已經有三個庫了，平穩執行了一段時間。但是隨著業務增長，每個單庫單表的資料量也越來越大，逐漸到達瓶頸。
這時我們就要對資料表進行橫向拆分，所謂橫向拆分就是根據某種規則將單庫單表資料分散到多庫多表，從而減小單庫單表的壓力。
橫向拆分策略有很多方案，最重要的一點是選好ShardingKey，也就是按照哪一列進行拆分，怎麼分取決於我們存取資料的方式。
(1) 範圍分片
如果我們選擇的ShardingKey是訂單建立時間，那麼分片策略是拆分四個資料庫，分別儲存每季度資料，每個庫包含三張表，分別儲存每個月資料：
這個方案的優點是對範圍查詢比較友好，例如我們需要統計第一季度的相關資料，查詢條件直接輸入時間範圍即可。這個方案的問題是容易產生熱點資料。例如雙11當天下單量特別大，就會導致11月這張表資料量特別大從而造成存取壓力。
(2) 查表分片
查表法是根據一張路由表決定ShardingKey路由到哪一張表，每次路由時首先到路由表裡查到分片資訊，再到這個分片去取資料。我們分析一個查表法思想應用實際案例。
Redis官方在3.0版本之後提供了叢集方案RedisCluster，其中引入了雜湊槽（slot）這個概念。一個叢集固定有16384個槽，在叢集初始化時這些槽會平均分配到Redis叢集節點上。每個key請求最終落到哪個槽計算公式是固定的：
SLOT = CRC16(key) mod 16384
一個key請求過來怎麼知道去哪臺Redis節點獲取資料？這就要用到查表法思想：
(1) 使用者端連線任意一臺Redis節點，假設隨機存取到節點A
(2) 節點A根據key計算出slot值
(3) 每個節點都維護著slot和節點對映關係表
(4) 如果節點A查表發現該slot在本節點，直接返回資料給使用者端
(5) 如果節點A查表發現該slot不在本節點，返回給使用者端一個重定向命令，告訴使用者端應該去哪個節點請求這個key的資料
(6) 使用者端向正確節點發起連線請求
查表法方案優點是可以靈活制定路由策略，如果我們發現有的分片已經成為熱點則修改路由策略。缺點是多一次查詢路由表操作增加耗時，而且路由表如果是單點也可能會有單點問題。
(3) 雜湊分片
現在比較流行的分片方法是雜湊分片，相較於範圍分片，雜湊分片可以較為均勻將資料分散在資料庫中。我們現在將訂單庫拆分為4個庫編號為[0,3]，每個庫包含3張表編號為[0,2]，如下圖如所示：
我們選擇使用orderId作為ShardingKey，那麼orderId=100這個訂單會儲存在哪張表？因為是分庫分表，第一步確定路由到哪一個庫，取模計算結果表示庫表序號：
db_index = 100 % 4 = 0
第二步確定路由到哪一張表：
table_index = 100 % 3 = 1
第三步資料路由到0號庫1號表：
在實際開發中路由邏輯並不需要我們手動實現，因為有許多開源框架通過設定就可以實現路由功能，例如ShardingSphere、TDDL框架等等。
2 分庫分表準備工作
2.1 計算庫表數量
分幾個庫和幾張表是在分庫分表工作開始前必須要回答的問題，我們首先看看阿里巴巴開發手冊的建議：單錶行數超過500萬行或者單表容量超過2GB才推薦進行分庫分表，如果預計3年後資料量根本達不到這個級別，請不要在建立表時就分庫分表。
我們提取出這個建議的兩個關鍵詞500萬、3年作為預估庫表數的基線，假設業務資料日增量60萬，那麼應該如何預估需要分多少個庫，多少張表呢？
日增量60萬計算3年後資料總量：
三年資料總量 = 60 * 365 * 3 = 65700
隨著後續業務發展日增量會超過60萬，所以我們要對資料總量進行冗餘，冗餘指數是多少根據業務情況而定，本文按照3倍冗餘：
三年資料總量三倍冗餘 = 65700 * 3 = 197100
按照單表500萬並向上取整至2的冪次計算表數量
表數量 = 197100 / 500 = 394.2 向上取整 = 512
所有表放在一個庫並不合適，因為隨著資料量增大，存取並行量也會呈正相關增大，一個資料庫範例是難以支撐的。本文按照一個資料庫範例包含32張表計算庫數量：
庫數量 = 512 / 32 = 16
2.2 shardingKey
確定shardingKey非常關鍵，因為作為分片指標，當資料拆分至多個庫表之後，代理層只能根據shardingKey進行表路由。假設我們設定了userId作為shardingKey，那麼後續DML操作都必須包含userId欄位。但是現在有一種場景只有orderId作為查詢條件，那麼我們應該如何處理這種場景呢？
第一種方案是設計orderId包含userId相關特徵，這樣即使只有訂單號作為查詢條件，也可以擷取userId特徵進行分片：
訂單號 = 毫秒數 + 版本號 + userId後六位 + 全域性序列號
第二種方案是資料異構，核心思想是以空間換時間，一份資料根據不同維度儲存到多個資料媒介，資料異構一般分為如下型別。
資料異構至MySQL：我們可以選擇orderId作為shardingKey儲存至另一個資料庫範例，那麼orderId就可以作為條件進行查詢。
資料異構至ES：如果每一個維度都新建一個資料庫範例也是不現實的，所以我們可以將資料同步至ES滿足多維度查詢需求。
資料異構至Hive：MySQL和ES可以滿足實時查詢需求，Hive可以滿足離線分析需求，報表等資料分析工作無需通過主庫，而是可以通過Hive進行。
現在又引出一個新問題，業務不可能每次都將資料寫入多個資料來源，這樣會帶來效能問題和資料一致性問題，所以需要一個管道進行各資料來源之間同步，阿里開源的canal元件可以解決這個問題。
3 分庫分表範例
在完成準備工作之後，我們可以開始分庫分表工作了。分庫分表方法有很多種，但是說到底都是在處理兩類資料：存量和增量。存量表示舊資料庫已經存在的資料，增量表示不存在於舊資料庫待新增或者變更的資料。根據存量和增量這兩種型別，我們可以將分庫分表方法分為停服拆分和不停服拆分。
3.1 停服拆分
停服是指停止服務，系統不再接收新業務資料，那麼舊資料在分庫分表這個時間段內是靜止不變的，資料全部變為了存量資料。停服拆分一般分為三個階段。
第一階段首先編寫代理層和新DAO，代理層通過開關決定存取舊錶還是新表，此時流量還是全部存取舊錶：
第二階段停止服務，整個應用都沒有流量，舊錶資料已經處於靜止狀態，此時通過指令碼將存量資料從舊錶遷移至新表：
第三階段通過代理層存取新表，如果出現錯誤可以停服排查問題：
3.2 不停服拆分
停服拆分方案比較簡單，但是在分表這段時間沒有業務流量，對業務是有損的，所以我們一般採用不停服拆分方案，一邊有流量存取，一邊進行分庫分表，此時資料不僅有存量還有增量，相對而言會複雜一些。
第一階段首先編寫代理層和新DAO，代理層通過開關決定存取舊錶還是新表，此時流量還是全部存取舊錶：
第二階段開啟雙寫，增量資料不僅在舊錶新增和修改，也在新表新增和修改，紀錄檔或者臨時表記錄下寫入新表ID起始值，舊錶中小於這個值的資料就是存量資料：
第三階段存量資料遷移，通過指令碼將存量資料寫入新表：
第四階段停讀舊錶改讀新表，此時新表已經承載了所有讀寫業務，但是不要立刻停寫舊錶，需要保持雙寫一段時間。
不停寫舊錶有兩個原因：第一是因為如果讀新表出現問題，還可以將讀流量切回舊錶。第二是因為可以進行資料校對，例如新表和舊錶資料都同步至Hive，選取幾天的資料進行校對，從而驗證資料同步的準確性。
第五階段當讀寫新表一段時間之後，沒有發生業務問題，可以停寫舊錶：
3.3 代理層實現
代理層實現了新舊資料來源切換，需要儘量減少業務層程式碼的侵入性，而介面卡模式可以有效減少對業務層的侵入性。我們首先看看舊資料存取物件和業務服務：
// 訂單資料物件
public class OrderDO {
private String orderId;
private Long price;
public String getOrderId() {
return orderId;
}
public void setOrderId(String orderId) {
this.orderId = orderId;
}
public Long getPrice() {
return price;
}
public void setPrice(Long price) {
this.price = price;
}
}
// 舊DAO
public interface OrderDAO {
public void insert(OrderDO orderDO);
}
// 業務服務
public class OrderServiceImpl implements OrderService {
@Resource
private OrderDAO orderDAO;
@Override
public String createOrder(Long price) {
String orderId = "orderId_123";
OrderDO orderDO = new OrderDO();
orderDO.setOrderId(orderId);
orderDO.setPrice(price);
orderDAO.insert(orderDO);
return orderId;
}
}
引入新資料來源存取物件：
// 新資料物件
public class OrderNewDO {
private String orderId;
private Long price;
}
// 新DAO
public interface OrderNewDAO {
public void insert(OrderNewDO orderNewDO);
}
介面卡模式減少業務程式碼侵入性：
// 代理層
public class OrderDAOProxy implements OrderDAO {
private OrderDAO orderDAO;
private OrderNewDAO orderNewDAO;
public OrderDAOProxy(OrderDAO orderDAO, OrderNewDAO orderNewDAO) {
this.orderDAO = orderDAO;
this.orderNewDAO = orderNewDAO;
}
@Override
public void insert(OrderDO orderDO) {
if(ApolloConfig.routeNewDB) {
OrderNewDO orderNewDO = new OrderNewDO();
orderNewDO.setPrice(orderDO.getPrice());
orderNewDO.setOrderId(orderDO.getOrderId());
orderNewDAO.insert(orderNewDO);
} else {
orderDAO.insert(orderDO);
}
}
}
// 業務服務
public class OrderServiceImpl implements OrderService {
@Resource
private OrderDAO orderDAO;
@Resource
private OrderNewDAO orderNewDAO;
@Override
public String createOrder(Long price) {
String orderId = "orderId_123";
OrderDO orderDO = new OrderDO();
orderDO.setOrderId(orderId);
orderDO.setPrice(price);
new OrderDAOProxy(orderDAO, orderNewDAO).insert(orderDO);
return orderId;
}
}
4 文章總結
分庫分表具有三個必須面對的問題：方案本身複雜性、本地事務失效問題、難以聚合查詢問題，所以分庫分表方案並非解決海量資料問題的首選。
如果必須分庫分表，首先進行容量預估並選擇合適的shardingKey，其次根據實際業務選擇停服或者不停服方案，如果選擇不停服方案，注意保持新表和舊錶雙寫一段時間，從而驗證資料準確性，希望本文對大家有所幫助。