分庫分表的幾種常見玩法及如何解決跨庫查詢等問題
在談論數據庫架構和數據庫優化的時候，我們經常會聽到“分庫分表”、“分片”、“Sharding”…這樣的關鍵詞。讓人感到高興的是，這些朋友所服務的公司業務量正在（或者即將面臨）高速增長，技術方面也面臨著一些挑戰。讓人感到擔憂的是，他們系統真的就需要“分庫分表”了嗎？“分庫分表”有那麽容易實踐嗎？為此，筆者整理了分庫分表中可能遇到的一些問題，並結合以往經驗介紹了對應的解決思路和建議。
垂直分表
垂直分表在日常開發和設計中比較常見，通俗的說法叫做“大表拆小表”，拆分是基於關系型數據庫中的“列”（字段）進行的。通常情況，某個表中的字段比較多，可以新建立一張“擴展表”，將不經常使用或者長度較大的字段拆分出去放到“擴展表”中，如下圖所示：
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在字段很多的情況下，拆分開確實更便於開發和維護（筆者曾見過某個遺留系統中，一個大表中包含100多列的）。某種意義上也能避免“跨頁”的問題（MySQL、MSSQL底層都是通過“數據頁”來存儲的，“跨頁”問題可能會造成額外的性能開銷，這裏不展開，感興趣的朋友可以自行查閱相關資料進行研究）。
拆分字段的操作建議在數據庫設計階段就做好。如果是在發展過程中拆分，則需要改寫以前的查詢語句，會額外帶來一定的成本和風險，建議謹慎。
垂直分庫
垂直分庫在“微服務”盛行的今天已經非常普及了。基本的思路就是按照業務模塊來劃分出不同的數據庫，而不是像早期一樣將所有的數據表都放到同一個數據庫中。如下圖：
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系統層面的“服務化”拆分操作，能夠解決業務系統層面的耦合和性能瓶頸，有利於系統的擴展維護。而數據庫層面的拆分，道理也是相通的。與服務的“治理”和“降級”機制類似，我們也能對不同業務類型的數據進行“分級”管理、維護、監控、擴展等。
眾所周知，數據庫往往最容易成為應用系統的瓶頸，而數據庫本身屬於“有狀態”的，相對於Web和應用服務器來講，是比較難實現“橫向擴展”的。數據庫的連接資源比較寶貴且單機處理能力也有限，在高並發場景下，垂直分庫一定程度上能夠突破IO、連接數及單機硬件資源的瓶頸，是大型分布式系統中優化數據庫架構的重要手段。
然後，很多人並沒有從根本上搞清楚為什麽要拆分，也沒有掌握拆分的原則和技巧，只是一味的模仿大廠的做法。導致拆分後遇到很多問題（例如：跨庫join，分布式事務等）。
水平分表
水平分表也稱為橫向分表，比較容易理解，就是將表中不同的數據行按照一定規律分布到不同的數據庫表中（這些表保存在同一個數據庫中），這樣來降低單表數據量，優化查詢性能。最常見的方式就是通過主鍵或者時間等字段進行Hash和取模後拆分。如下圖所示：
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水平分表，能夠降低單表的數據量，一定程度上可以緩解查詢性能瓶頸。但本質上這些表還保存在同一個庫中，所以庫級別還是會有IO瓶頸。所以，一般不建議采用這種做法。
水平分庫分表
水平分庫分表與上面講到的水平分表的思想相同，唯一不同的就是將這些拆分出來的表保存在不同的數據中。這也是很多大型互聯網公司所選擇的做法。如下圖：
某種意義上來講，有些系統中使用的“冷熱數據分離”（將一些使用較少的歷史數據遷移到其他的數據庫中。而在業務功能上，通常默認只提供熱點數據的查詢），也是類似的實踐。在高並發和海量數據的場景下，分庫分表能夠有效緩解單機和單庫的性能瓶頸和壓力，突破IO、連接數、硬件資源的瓶頸。當然，投入的硬件成本也會更高。同時，這也會帶來一些復雜的技術問題和挑戰（例如：跨分片的復雜查詢，跨分片事務等）
分庫分表的難點
垂直分庫帶來的問題和解決思路：
跨庫join的問題
在拆分之前，系統中很多列表和詳情頁所需的數據是可以通過sql join來完成的。而拆分後，數據庫可能是分布式在不同實例和不同的主機上，join將變得非常麻煩。而且基於架構規範，性能，安全性等方面考慮，一般是禁止跨庫join的。那該怎麽辦呢？首先要考慮下垂直分庫的設計問題，如果可以調整，那就優先調整。如果無法調整的情況，下面筆者將結合以往的實際經驗，總結幾種常見的解決思路，並分析其適用場景。
跨庫Join的幾種解決思路
全局表
所謂全局表，就是有可能系統中所有模塊都可能會依賴到的一些表。比較類似我們理解的“數據字典”。為了避免跨庫join查詢，我們可以將這類表在其他每個數據庫中均保存一份。同時，這類數據通常也很少發生修改（甚至幾乎不會），所以也不用太擔心“一致性”問題。
字段冗余
這是一種典型的反範式設計，在互聯網行業中比較常見，通常是為了性能來避免join查詢。
舉個電商業務中很簡單的場景：
“訂單表”中保存“賣家Id”的同時，將賣家的“Name”字段也冗余，這樣查詢訂單詳情的時候就不需要再去查詢“賣家用戶表”。
字段冗余能帶來便利，是一種“空間換時間”的體現。但其適用場景也比較有限，比較適合依賴字段較少的情況。最復雜的還是數據一致性問題，這點很難保證，可以借助數據庫中的觸發器或者在業務代碼層面去保證。當然，也需要結合實際業務場景來看一致性的要求。就像上面例子，如果賣家修改了Name之後，是否需要在訂單信息中同步更新呢？
數據同步
定時A庫中的tab_a表和B庫中tbl_b有關聯，可以定時將指定的表做同步。當然，同步本來會對數據庫帶來一定的影響，需要性能影響和數據時效性中取得一個平衡。這樣來避免復雜的跨庫查詢。筆者曾經在項目中是通過ETL工具來實施的。
系統層組裝
在系統層面，通過調用不同模塊的組件或者服務，獲取到數據並進行字段拼裝。說起來很容易，但實踐起來可真沒有這麽簡單，尤其是數據庫設計上存在問題但又無法輕易調整的時候。
具體情況通常會比較復雜。下面筆者結合以往實際經驗，並通過偽代碼方式來描述。
簡單的列表查詢的情況
偽代碼很容易理解，先獲取“我的提問列表”數據，然後再根據列表中的UserId去循環調用依賴的用戶服務獲取到用戶的RealName，拼裝結果並返回。
有經驗的讀者一眼就能看出上訴偽代碼存在效率問題。循環調用服務，可能會有循環RPC，循環查詢數據庫…不推薦使用。再看看改進後的：
這種實現方式，看起來要優雅一點，其實就是把循環調用改成一次調用。當然，用戶服務的數據庫查詢中很可能是In查詢，效率方面比上一種方式更高。（坊間流傳In查詢會全表掃描，存在性能問題，傳聞不可全信。其實查詢優化器都是基本成本估算的，經過測試，在In語句中條件字段有索引的時候，條件較少的情況是會走索引的。這裏不細展開說明，感興趣的朋友請自行測試）。
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簡單字段組裝的情況下，我們只需要先獲取“主表”數據，然後再根據關聯關系，調用其他模塊的組件或服務來獲取依賴的其他字段（如例中依賴的用戶信息），最後將數據進行組裝。
通常，我們都會通過緩存來避免頻繁RPC通信和數據庫查詢的開銷。
列表查詢帶條件過濾的情況
在上述例子中，都是簡單的字段組裝，而不存在條件過濾。看拆分前的SQL：
這種連接查詢並且還帶條件過濾的情況，想在代碼層面組裝數據其實是非常復雜的（尤其是左表和右表都帶條件過濾的情況會更復雜），不能像之前例子中那樣簡單的進行組裝了。試想一下，如果像上面那樣簡單的進行組裝，造成的結果就是返回的數據不完整，不準確。
有如下幾種解決思路：
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查出所有的問答數據，然後調用用戶服務進行拼裝數據，再根據過濾字段state字段進行過濾，最後進行排序和分頁並返回。
這種方式能夠保證數據的準確性和完整性，但是性能影響非常大，不建議使用。
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查詢出state字段符合/不符合的UserId，在查詢問答數據的時候使用in/not in進行過濾，排序，分頁等。過濾出有效的問答數據後，再調用用戶服務獲取數據進行組裝。
這種方式明顯更優雅點。筆者之前在某個項目的特殊場景中就是采用過這種方式實現。
跨庫事務（分布式事務）的問題
按業務拆分數據庫之後，不可避免的就是“分布式事務”的問題。以往在代碼中通過spring註解簡單配置就能實現事務的，現在則需要花很大的成本去保證一致性。這裏不展開介紹，
感興趣的讀者可以自行參考《分布式事務一致性解決方案》，鏈接地址：
http://www.infoq.com/cn/articles/solution-of-distributed-system-transaction-consistency
垂直分庫總結和實踐建議
本篇中主要描述了幾種常見的拆分方式，並著重介紹了垂直分庫帶來的一些問題和解決思路。讀者朋友可能還有些問題和疑惑。
1. 我們目前的數據庫是否需要進行垂直分庫？
根據系統架構和公司實際情況來，如果你們的系統還是個簡單的單體應用，並且沒有什麽訪問量和數據量，那就別著急折騰“垂直分庫”了，否則沒有任何收益，也很難有好結果。
切記，“過度設計”和“過早優化”是很多架構師和技術人員常犯的毛病。
2. 垂直拆分有沒有原則或者技巧？
沒有什麽黃金法則和標準答案。一般是參考系統的業務模塊拆分來進行數據庫的拆分。比如“用戶服務”，對應的可能就是“用戶數據庫”。但是也不一定嚴格一一對應。有些情況下，數據庫拆分的粒度可能會比系統拆分的粒度更粗。筆者也確實見過有些系統中的某些表原本應該放A庫中的，卻放在了B庫中。有些庫和表原本是可以合並的，卻單獨保存著。還有些表，看起來放在A庫中也OK，放在B庫中也合理。
如何設計和權衡，這個就看實際情況和架構師/開發人員的水平了。
3. 上面舉例的都太簡單了，我們的後臺報表系統中join的表都有n個了，
分庫後該怎麽查？
有很多朋友跟我提過類似的問題。其實互聯網的業務系統中，本來就應該盡量避免join的，如果有多個join的，要麽是設計不合理，要麽是技術選型有誤。請自行科普下OLAP和OLTP，報表類的系統在傳統BI時代都是通過OLAP數據倉庫去實現的（現在則更多是借助離線分析、流式計算等手段實現），而不該向上面描述的那樣直接在業務庫中執行大量join和統計。
由於篇幅關系，下篇中我們再繼續細聊“水平分庫分表”相關的話題。
作者介紹
丁浪，技術架構師。關註高並發、高可用的架構設計，對系統服務化、分庫分表、性能調優等方面有深入研究和豐富實踐經驗。熱衷於技術研究和分享。
分庫分表的幾種常見玩法及如何解決跨庫查詢等問題