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《SQL与数据库基础》21. 分库分表（一）
阅读原文时间：2023年08月29日阅读：1

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本文以 MySQL 为例。以MyCat数据库中间件为例，通过MyCat来完成分库分表操作。

分库分表（一）

随着互联网及移动互联网的发展，应用系统的数据量也是成指数式增长，若采用单数据库进行数据存储，存在以下性能瓶颈：

  • IO瓶颈：热点数据太多，数据库缓存不足，产生大量磁盘IO，效率较低。请求数据太多，带宽不够，网络出现IO瓶颈。
  • CPU瓶颈：排序、分组、连接查询、聚合统计等SQL会耗费大量的CPU资源，请求数太多，CPU出现瓶颈。

为了解决上述问题，需要对数据库进行分库分表处理。

分库分表的中心思想是将数据分散存储，使得单一数据库/表的数据量变小，以此来缓解单一数据库的性能问题，从而达到提升数据库性能的目的。

分库分表的形式主要有两种：垂直拆分和水平拆分。

根据拆分的粒度，一般又分为分库和分表。

组成的拆分策略最终如下：

垂直分库

以表为依据，根据业务将不同表拆分到不同库中。

特点：

  • 每个库的表结构都不一样。
  • 每个库的数据也不一样。
  • 所有库的并集是全量数据。

垂直分表

以字段为依据，根据字段属性将不同字段拆分到不同表中。

特点：

  • 每个表的结构都不一样。
  • 每个表的数据也不一样，一般通过一列（主键/外键）关联。
  • 所有表的并集是全量数据。

水平分库

以字段为依据，按照一定策略，将一个库的数据拆分到多个库中。

特点：

  • 每个库的表结构都一样。
  • 每个库的数据都不一样。
  • 所有库的并集是全量数据。

水平分表

以字段为依据，按照一定策略，将一个表的数据拆分到多个表中。

特点：

  • 每个表的表结构都一样。
  • 每个表的数据都不一样。
  • 所有表的并集是全量数据。

在业务系统中，为了缓解磁盘IO及CPU的性能瓶颈，到底是垂直拆分还是水平拆分；具体是分库还是分表，都需要根据具体的业务需求具体分析。

shardingJDBC：基于AOP原理，在应用程序中对本地执行的SQL进行拦截，解析、改写、路由处理。需要自行编码配置实现，只支持java语言，性能较高。

MyCat：数据库分库分表中间件，不用调整代码即可实现分库分表，支持多种语言，性能不如shardingJDBC。

所谓中间件，是一类连接软件组件和应用的计算机软件，以便软件各部件之间的通信。

Mycat是开源的、活跃的、基于Java语言编写的MySQL数据库中间件。可以像使用mysql一样来使用mycat，对于开发人员来说根本感觉不到mycat的存在。

开发人员只需要连接MyCat即可，而具体底层用到几台数据库，每一台数据库服务器里面存储了什么数据，都无需关心。具体的分库分表的策略，只需要在MyCat中配置即可。

优势：

  • 性能可靠稳定
  • 强大的技术团队
  • 体系完善
  • 社区活跃

概念介绍

在MyCat的整体结构中，分为两个部分：逻辑结构、物理结构。

MyCat的逻辑结构主要负责逻辑库、逻辑表、分片规则、分片节点等逻辑结构的处理，而具体的数据还是存储在物理结构，也就是数据库服务器中存储的。

环境准备

MyCat是采用java语言开发的开源数据库中间件，支持Windows和Linux运行环境。要使用MyCat，需要在服务器中准备如下配置：

  • MySQL
  • JDK
  • Mycat

本文以Linux环境为例。

服务器

安装软件

说明

192.168.200.210

JDK、MyCat

MyCat中间件服务器

192.168.200.210

MySQL

分片服务器

192.168.200.213

MySQL

分片服务器

192.168.200.214

MySQL

分片服务器

目录介绍

bin：存放可执行文件，用于启动停止mycat。

conf：存放mycat的配置文件。

lib：存放mycat的项目依赖包（jar）。

logs：存放mycat的日志文件。

假设有如下需求：

由于 tb_order 表中数据量很大，磁盘IO及容量都到达了瓶颈，现在需要对 tb_order 表进行数据分片，分为三个数据节点，每一个节点主机位于不同的服务器上。具体结构参考下图：

环境准备：

且在上述3台数据库中创建数据库 db01 。

配置

分片配置（schema.xml）

在schema.xml中配置逻辑库、逻辑表、数据节点、节点主机等相关信息。

具体的配置如下：

<?xml version="1.0"?>
<!DOCTYPE mycat:schema SYSTEM "schema.dtd">

<mycat:schema xmlns:mycat="http://io.mycat/">

    <schema name="DB01" checkSQLschema="true" sqlMaxLimit="100">
        <table name="TB_ORDER" dataNode="dn1,dn2,dn3" rule="auto-sharding-long"/>
    </schema>

    <dataNode name="dn1" dataHost="dhost1" database="db01" />
    <dataNode name="dn2" dataHost="dhost2" database="db01" />
    <dataNode name="dn3" dataHost="dhost3" database="db01" />

    <dataHost name="dhost1" maxCon="1000" minCon="10" balance="0" writeType="0" dbType="mysql" dbDriver="jdbc" switchType="1" slaveThreshold="100">
        <heartbeat>select user()</heartbeat>
        <writeHost host="master" url="jdbc:mysql://192.168.200.210:3306?useSSL=false&amp;serverTimezone=Asia/Shanghai&amp;characterEncoding=utf8" user="root" password="1234" />
    </dataHost>

    <dataHost name="dhost2" maxCon="1000" minCon="10" balance="0" writeType="0" dbType="mysql" dbDriver="jdbc" switchType="1" slaveThreshold="100">
        <heartbeat>select user()</heartbeat>
        <writeHost host="master" url="jdbc:mysql://192.168.200.213:3306?useSSL=false&amp;serverTimezone=Asia/Shanghai&amp;characterEncoding=utf8" user="root" password="1234" />
    </dataHost>

    <dataHost name="dhost3" maxCon="1000" minCon="10" balance="0" writeType="0" dbType="mysql" dbDriver="jdbc" switchType="1" slaveThreshold="100">
        <heartbeat>select user()</heartbeat>
        <writeHost host="master" url="jdbc:mysql://192.168.200.214:3306?useSSL=false&amp;serverTimezone=Asia/Shanghai&amp;characterEncoding=utf8" user="root" password="1234" />
    </dataHost>

</mycat:schema>

分片配置（server.xml）

配置MyCat的用户与用户权限信息：

需要在server.xml中配置用户名、密码，以及用户的访问权限信息，具体的配置如下（只找到相应部分）：

<user name="root" defaultAccount="true">
    <property name="password">123456</property>
    <property name="schemas">DB01</property>

    <!-- 表级 DML 权限设置 -->
    <!--
    <privileges check="true">
        <schema name="DB01" dml="0110" >
            <table name="TB_ORDER" dml="1110"></table>
        </schema>
    </privileges>
    -->
</user>

<user name="user">
    <property name="password">123456</property>
    <property name="schemas">DB01</property>
    <property name="readOnly">true</property>
</user>

上述的配置表示，定义了两个用户 root 和 user ，这两个用户都可以访问 DB01 这个逻辑库，访问密码都是123456，但root用户访问DB01逻辑库，既可以读也可以写，user用户访问DB01逻辑库只可以读。

测试

配置完毕后，先启动涉及到的3台分片服务器，然后启动MyCat服务器。

切换到Mycat的安装目录，执行如下指令：

启动MyCat：

bin/mycat start

停止MyCat

bin/mycat stop

MyCat启动之后，占用端口号 8066。

启动完毕之后，可以查看logs目录下的 wrapper.log（启动日志），查看Mycat是否启动成功。

连接测试：

# 连接并登陆MyCat
mysql -h 192.168.200.210 -P 8066 -uroot -p123456

可以看到是通过MySQL的指令来连接的MyCat，因为MyCat在底层是模拟MySQL的协议。

数据测试：

CREATE TABLE tb_order (
    id BIGINT(20) NOT NULL,
    title VARCHAR(100) NOT NULL,
    PRIMARY KEY (id)
) ENGINE = INNODB DEFAULT CHARSET = utf8;

INSERT INTO tb_order(id,title)
VALUES(1, 'goods1');
      (2, 'goods2');
      (3, 'goods3');
      (5000000, 'goods5000000');
      (10000000, 'goods10000000');
      (10000001, 'goods10000001');
      (15000000, 'goods15000000');
      (15000001, 'goods15000001');

数据落在哪一个分片服务器是由逻辑表配置时的一个参数 rule 决定的，这个参数配置的就是分片规则，关于分片规则的配置，在后面会讲解。

三种配置文件：

  • schema.xml
  • rule.xml
  • server.xml

schema.xml

schema.xml 作为MyCat中最重要的配置文件之一，涵盖了MyCat的逻辑库、逻辑表、分片规则、分片节点及数据源的配置。

主要包含以下三组标签：

  • schema标签
  • datanode标签
  • datahost标签

schema标签

schema定义逻辑库

schema 标签用于定义MyCat实例中的逻辑库，一个MyCat实例中，可以有多个逻辑库，可以通过 schema 标签来划分不同的逻辑库。

MyCat中的逻辑库的概念，等同于MySQL中的database概念，需要操作某个逻辑库下的表时，也需要切换逻辑库（use xxx）。

核心属性：

  • name：指定自定义的逻辑库库名
  • checkSQLschema：在SQL语句操作时指定了数据库名称，执行时是否自动去除。true：自动去除；false：不自动去除
  • sqlMaxLimit：如果未指定limit进行查询，列表查询模式查询多少条记录

schema中的table定义逻辑表

table 标签定义了MyCat中逻辑库schema下的逻辑表，所有需要拆分的表都需要在table标签中定义 。

核心属性：

  • name：定义逻辑表表名，在该逻辑库下唯一
  • dataNode：定义逻辑表所属的dataNode，该属性需要与dataNode标签中name对应；多个dataNode逗号分隔
  • rule：分片规则的名字，分片规则名字是在rule.xml中定义的
  • primaryKey：逻辑表对应真实表的主键
  • type：逻辑表的类型，目前逻辑表只有全局表和普通表，如果未配置，就是普通表。全局表，配置为 global

dataNode标签

dataNode标签定义了MyCat中的数据节点，也就是数据分片。一个dataNode标签就是一个独立的数据分片。

核心属性：

  • name：定义数据节点名称
  • dataHost：数据库实例主机名称，引用自 dataHost 标签中 name 属性
  • database：定义分片所属数据库

dataHost标签

该标签在MyCat逻辑库中作为底层标签存在，直接定义了具体的数据库实例、读写分离、心跳语句。

核心属性：

  • name：唯一标识，供上层标签使用
  • maxCon：最大连接数
  • minCon：最小连接数
  • balance：负载均衡策略，取值 0，1，2，3
  • writeType：写操作分发方式（0：写操作转发到第一个writeHost，第一个挂了，则切换到第二个；1：写操作随机分发到配置的writeHost）
  • dbDriver：数据库驱动，支持 native、jdbc

rule.xml

rule.xml中定义所有拆分表的规则，在使用过程中可以灵活的使用分片算法，或者对同一个分片算法使用不同的参数。它让分片过程可配置化。主要包含两类签：tableRule、Function。

server.xml

server.xml配置文件包含了MyCat的系统配置信息，主要有两个重要的标签：system、user。

system标签

主要配置MyCat中的系统配置信息。对应的系统配置项及其含义如下：

属性

取值

含义

charset

utf8

设置Mycat的字符集，字符集需要与MySQL的字符集保持一致

nonePasswordLogin

0，1

0为需要密码登陆、1为不需要密码登陆。默认为0，设置为1则需要指定默认账户

useHandshakeV10

0，1

使用该选项主要的目的是为了能够兼容高版本的jdbc驱动，是否采用HandshakeV10Packet来与client进行通信。1：是；0：否

useSqlStat

0，1

开启SQL实时统计，1为开启，0为关闭。开启之后，MyCat会自动统计SQL语句的执行情况。mysql -h 127.0.0.1 -P 9066 -u root -p，查看MyCat执行的SQL、执行效率比较低的SQL、SQL的整体执行情况、读写比例等。（SHOW @@sql;、 SHOW @@sql.slow;、 SHOW @@sql.sum;）

useGlobleTableCheck

0，1

是否开启全局表的一致性检测。1为开启，0为关闭

sqlExecuteTimeout

1000

SQL语句执行的超时时间，单位为 s

sequnceHandlerType

0，1，2

用来指定Mycat全局序列类型。0 为本地文件，1 为数据库方式，2 为时间戳列方式。默认使用本地文件方式，文件方式主要用于测试

sequnceHandlerPattern

正则表达式

必须带有MYCATSEQ或者mycatseq进入序列匹配流程。注意MYCATSEQ_有空格的情况

subqueryRelationshipCheck

true，false

子查询中存在关联查询的情况下，检查关联字段中是否有分片字段。默认 false

useCompression

0，1

开启mysql压缩协议。0：关闭；1：开启

fakeMySQLVersion

5.5，5.6

设置模拟的MySQL版本号

defaultSqlParser

由于MyCat的最初版本使用了FoundationDB的SQL解析器，在MyCat1.3后增加了Druid解析器，所以要设置defaultSqlParser属性来指定默认的解析器。解析器有两个：druidparser 和 fdbparser，在MyCat1.4之后，默认是druidparser，fdbparser已经废除了

processors

1，2，…

指定系统可用的线程数量，默认值为CPU核心 x 每个核心运行线程数量；processors 会影响processorBufferPool，processorBufferLocalPercent，processorExecutor属性，所以，在性能调优时，可以适当地修改processors值

processorBufferChunk

指定每次分配Socket Direct Buffer。默认值为4096字节，也会影响BufferPool长度，如果一次性获取字节过多而导致buffer不够用，则会出现警告。可以调大该值

processorExecutor

指定NIOProcessor上共享businessExecutor固定线程池的大小；MyCat把异步任务交给 businessExecutor 线程池。在新版本的MyCat中这个连接池使用频次不高，可以适当地把该值调小

packetHeaderSize

指定MySQL协议中的报文头长度，默认4个字节

maxPacketSize

指定MySQL协议可以携带的数据最大大小，默认值为16M

idleTimeout

指定连接的空闲时间的超时长度。如果超时，将关闭资源并回收，默认30分钟

txIsolation

1，2，3，4

初始化前端连接的事务隔离级别。默认为REPEATED_READ，对应数字为3。READ_UNCOMMITED=1；READ_COMMITTED=2；REPEATED_READ=3；SERIALIZABLE=4

sqlExecuteTimeout

执行SQL的超时时间。如果SQL语句执行超时，将关闭连接，默认300秒

serverPort

端口号

定义MyCat的使用端口。默认8066

managerPort

端口号

定义MyCat的管理端口。默认9066

user标签

配置MyCat中的用户、访问密码，以及用户针对于逻辑库、逻辑表的权限信息。具体的权限描述方式及配置说明如下：

在测试权限操作时，只需要将 privileges 标签的注释取消。在 privileges 下的 schema 标签中配置的 dml 属性是逻辑库的权限。在 privileges 的 schema 下的 table 标签中配置的 dml 属性是逻辑表的权限。

垂直拆分示例

场景

在业务系统中，涉及以下表结构，但是由于用户与订单每天都会产生大量的数据，单台服务器的数据存储及处理能力有限，可以对数据库表进行拆分，原有的数据库表如下：

现在考虑将其进行垂直分库操作，将商品相关的表拆分到一个数据库服务器，订单表拆分到一个数据库服务器，用户及省市区表拆分到一个服务器。最终结构如下：

准备

准备三台服务器，IP地址如图所示：

且在192.168.200.210，192.168.200.213，192.168.200.214上面创建数据库shopping。

配置

schema.xml

<schema name="SHOPPING" checkSQLschema="true" sqlMaxLimit="100">
    <table name="tb_goods_base" dataNode="dn1" primaryKey="id" />
    <table name="tb_goods_brand" dataNode="dn1" primaryKey="id" />
    <table name="tb_goods_cat" dataNode="dn1" primaryKey="id" />
    <table name="tb_goods_desc" dataNode="dn1" primaryKey="goods_id" />
    <table name="tb_goods_item" dataNode="dn1" primaryKey="id" />
    <table name="tb_order_item" dataNode="dn2" primaryKey="id" />
    <table name="tb_order_master" dataNode="dn2" primaryKey="order_id" />
    <table name="tb_order_pay_log" dataNode="dn2" primaryKey="out_trade_no" />
    <table name="tb_user" dataNode="dn3" primaryKey="id" />
    <table name="tb_user_address" dataNode="dn3" primaryKey="id" />
    <table name="tb_areas_provinces" dataNode="dn3" primaryKey="id"/>
    <table name="tb_areas_city" dataNode="dn3" primaryKey="id"/>
    <table name="tb_areas_region" dataNode="dn3" primaryKey="id"/>
</schema>

<dataNode name="dn1" dataHost="dhost1" database="shopping" />
<dataNode name="dn2" dataHost="dhost2" database="shopping" />
<dataNode name="dn3" dataHost="dhost3" database="shopping" />

<dataHost name="dhost1" maxCon="1000" minCon="10" balance="0" writeType="0" dbType="mysql" dbDriver="jdbc" switchType="1" slaveThreshold="100">
    <heartbeat>select user()</heartbeat>
    <writeHost host="master" url="jdbc:mysql://192.168.200.210:3306?useSSL=false&amp;serverTimezone=Asia/Shanghai&amp;characterEncoding=utf8" user="root" password="1234" />
</dataHost>

<dataHost name="dhost2" maxCon="1000" minCon="10" balance="0" writeType="0" dbType="mysql" dbDriver="jdbc" switchType="1" slaveThreshold="100">
    <heartbeat>select user()</heartbeat>
    <writeHost host="master" url="jdbc:mysql://192.168.200.213:3306?useSSL=false&amp;serverTimezone=Asia/Shanghai&amp;characterEncoding=utf8" user="root" password="1234" />
</dataHost>

<dataHost name="dhost3" maxCon="1000" minCon="10" balance="0" writeType="0" dbType="mysql" dbDriver="jdbc" switchType="1" slaveThreshold="100">
    <heartbeat>select user()</heartbeat>
    <writeHost host="master" url="jdbc:mysql://192.168.200.214:3306?useSSL=false&amp;serverTimezone=Asia/Shanghai&amp;characterEncoding=utf8" user="root" password="1234" />
</dataHost>

server.xml

<user name="root" defaultAccount="true">
    <property name="password">123456</property>
    <property name="schemas">SHOPPING</property>
    <!-- 表级 DML 权限设置 -->
    <!--
    <privileges check="true">
        <schema name="DB01" dml="0110" >
            <table name="TB_ORDER" dml="1110"></table>
        </schema>
    </privileges>
    -->
</user>

    <user name="user">
        <property name="password">123456</property>
        <property name="schemas">SHOPPING</property>
        <property name="readOnly">true</property>
</user>

全局表

将表结构及对应的测试数据导入之后，可以检查一下各个数据库服务器中的表结构分布情况。检查是否和准备工作中规划的服务器一致。

对于省、市、区/县表tb_areas_provinces，tb_areas_city，tb_areas_region，是属于数据字典表，在多个业务模块中都可能会遇到，可以将其设置为全局表，利于业务操作。

修改schema.xml中的逻辑表的配置，修改 tb_areas_provinces、tb_areas_city、tb_areas_region 三个逻辑表，增加 type 属性，配置为global，就代表该表是全局表，就会在所涉及到的dataNode中创建该表。对于当前配置来说，也就意味着所有的节点中都有该表了。

<table name="tb_areas_provinces" dataNode="dn1,dn2,dn3" primaryKey="id" type="global"/>
<table name="tb_areas_city" dataNode="dn1,dn2,dn3" primaryKey="id" type="global"/>
<table name="tb_areas_region" dataNode="dn1,dn2,dn3" primaryKey="id" type="global"/>

水平拆分示例

场景

在业务系统中，有一张日志表，业务系统每天都会产生大量的日志数据，单台服务器的数据存储及处理能力是有限的，可以对数据库表进行拆分。

准备

准备三台服务器，具体的结构如下：

配置

schema.xml

<schema name="TESTDB" checkSQLschema="true" sqlMaxLimit="100">
    <table name="tb_log" dataNode="dn4,dn5,dn6" primaryKey="id" rule="mod-long" />
</schema>

<dataNode name="dn4" dataHost="dhost1" database="testdb" />
<dataNode name="dn5" dataHost="dhost2" database="testdb" />
<dataNode name="dn6" dataHost="dhost3" database="testdb" />

tb_log表最终落在3个节点中，分别是 dn4、dn5、dn6 ，而具体的数据分别存储在 dhost1、dhost2、dhost3的testdb数据库中。

server.xml

<user name="root" defaultAccount="true">
    <property name="password">123456</property>
    <property name="schemas">SHOPPING,TESTDB</property>

    <!-- 表级 DML 权限设置 -->
    <!--
    <privileges check="true">
        <schema name="DB01" dml="0110" >
            <table name="TB_ORDER" dml="1110"></table>
        </schema>
    </privileges>
    -->
</user>

配置root用户既可以访问 SHOPPING 逻辑库，又可以访问 TESTDB 逻辑库。

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