数据库架构设计

数据库架构设计是针对海量数据的数据库，通过数据结构、存储形式和部署方式等方面的规划和设计，以解决数据库服务的高并发、高可用、一致性、可扩展以及性能优化等问题。

一、可用性设计

可用性是指在某个考察时间，系统能够正常运行的概率或时间占有率的期望值。通常，我们都要求某个系统具备“高可用性”。

所谓 “高可用性”（High Availability）是指系统经过专门的设计，从而减少停工时间，保持其服务的高度可用。

数据库的高可用，通常采用的解决方式为：复制+冗余。

1. 保证 “读” 高可用的方法

数据库主从复制，冗余数据。如图所示：

主库用于写数据，从库用于读数据。在一主多从的数据库架构中，多份从库数据保证了读数据高可用。

数据库主从复制可能带来的问题：主从数据不一致。

2. 保证 “写” 高可用的方法

双主模式，即复制主库，冗余数据。如图所示：

很多公司采用单主模式，这是无法保证数据库写的高可用性。

数据库双主模式可能带来的问题：双主同步 key 冲突，引起数据不一致。

解决方案：

a）方案一：由数据库或者业务层保证 key 在两个主库上不冲突。

b）方案二：“双主” 当 “主从” 用，不做读写分离，当主库挂掉时，启用从库。如图下图：

优点：读写都到主，解决了一致性问题；“双主”当“主从”用，解决了可用性问题

带来的问题：读性能如何扩充？解决方案见下文

二、读性能设计：如何扩展读性能

1. 建立索引

建立太多的索引，会带来以下问题：

• a）降低了写性能。
• b）索引占用内存多了，内存存放的数据就会减少，数据命中率降低，IO次数随之增加。

对于索引过多的问题，有以下解决方案：

• 不同的库可以建立不同索引。
• 主库只提供写，不建立索引。

online 从库只提供 online 读，建立 online 读索引。

offline 从库只提供 offline 读，建立 offline 读索引。

2. 增加从库

增加从库会引发主从不一致问题，从库越多，主从时延越长，不一致问题越严重。这种方案很常见，但我们在生产环境中没有采用。

3. 增加缓存

传统缓存的使用方案：

• a）发生写请求时，先淘汰缓存，再写数据库。
• b）发生读请求时，先读缓存，hit则返回，miss则读数据库并将数据入缓存（此时可能旧数据入缓存）。

增加缓存会带来的两个问题：

• a）数据复制会引发一致性问题，由于主从延时的存在，可能引发缓存与数据库数据不一致。
• b）业务层要关注缓存，无法屏蔽“主+从+缓存”的复杂性。

我们缓存的使用方案：

服务+数据+缓存。

这种方案带来的好处：

• a）引入服务层屏蔽“数据库+缓存”
• b）不做读写分离，读写都到主的模式，不会引发不一致

三、一致性设计

1. 主从不一致的解决方案

• a）方案一：引入中间件



中间件将key上的写路由到主，在一定时间范围内（主从同步完成的经验时间），该key上的读也路由到主库。

• b）方案二：读写都到主



我们采用的方案，不做读写分离，数据不会不一致。

2. 数据库与缓存不一致的解决方案

两次淘汰法：



异常的读写时序，或导致旧数据入缓存，一次淘汰不够，要进行二次淘汰。

• a）发生写请求时，先淘汰缓存，再写数据库，额外增加一个timer，一定时间（主从同步完成的经验时间）后再次淘汰。
• b）发生读请求时，先读缓存，hit则返回，miss则读数据库并将数据入缓存（此时可能旧数据入缓存，但会被二次淘汰淘汰掉，最终不会引发不一致）。

 

四、扩展性设计

（4.1）58同城秒级别数据扩容 需求：原来水平切分为N个库，现在要扩充为2N个库，希望不影响服务，在秒级别完成 10 最开始，分为2库，0库和1库，均采用“双主当主从用”的模式保证可用性 11 接下来，将从库提升，并修改服务端配置，秒级完成扩库 由于是2扩4，不会存在数据迁移，原来的0库变为0库+2库，原来的1库变为1库和3库 此时损失的是数据的可用性 12 最后，解除旧的双主同步（0库和2库不会数据冲突），为了保证可用性增加新的双主同步，并删除掉多余的数据 这种方案可以秒级完成N库到2N库的扩容。 存在的问题：只能完成N库扩2N库的扩容（不需要数据迁移），非通用扩容方案（例如3库扩4库就无法完成） （4.2）非指数扩容，数据库增加字段，数据迁移 [这些方法在（上）篇中都已经介绍过，此处不再冗余，有兴趣的朋友回复“同城”回看（上）篇] 方案一：追日志方案 方案二：双写方案 （4.3）水平切分怎么切 四类场景覆盖99%拆库业务 a）“单key”场景，用户库如何拆分： user(uid, XXOO) b）“1对多”场景，帖子库如何拆分： tiezi(tid, uid, XXOO) c）“多对多”场景，好友库如何拆分： friend(uid, friend_uid, XXOO) d）“多key”场景，订单库如何拆分：order(oid, buyer_id, seller_id, XXOO) [这些拆库方案在（上）篇中都已经介绍过，此处不再冗余，有兴趣的朋友回复“同城”回看（上）篇] （5）海量数据下，SQL怎么玩 不会这么玩 a）各种联合查询 b）子查询 c）触发器 d）用户自定义函数 e）“事务”都用的很少 原因：对数据库性能影响极大 拆库后，IN查询怎么玩[回复“同城”回看（上）篇] 拆库后，非Partition key的查询怎么玩[回复“同城”回看（上）篇] 拆库后，夸库分页怎么玩？[回复“同城”回看（上）篇] 问题的提出与抽象：ORDER BY xxx OFFSET xxx LIMIT xxx 单机方案：ORDER BY time OFFSET 10000 LIMIT 100 分库后的难题：如何确认全局偏移量 分库后传统解决方案：查询改写+内存排序 a）ORDER BY time OFFSET 0 LIMIT 10000+100 b）对20200条记录进行排序 c）返回第10000至10100条记录 优化方案一：增加辅助id，以减少查询量 优化方案二：模糊查询 a）业务上：禁止查询XX页之后的数据 b）业务上：允许模糊返回 => 第100页数据的精确性真这么重要么？ 最后的大招！！！（由于时间问题，只在DTCC2015上分享了哟） 优化方案三：终极方案，业务无损，查询改写与两段查询 需求：ORDER BY x OFFSET 10000 LIMIT 4; 如何在分库下实现（假设分3库） 步骤一、查询改写： ORDER BY x OFFSET 3333 LIMIT 4 [4,7,9,10] <= 1库返回 [3,5,6,7] <= 2库返回 [6,8,9,11] <= 3库返回 步骤二、找到步骤一返回的min和max，即3和11 步骤三、通过min和max二次查询：ORDER BY x WHERE x BETWEEN 3 AND 11 [3,4,7,9,10] <= 1库返回，4在1库offset是3333，于是3在1库的offset是3332 [3,5,6,7,11] <= 2库返回，3在2库offset是3333 [3,5,6,8,9,11] <= 3库返回，6在3库offset是3333，于是3在3库的offset是3331 步骤四、找出全局OFFSET 3是全局offset3332+3333+3331=9996 当当当当，跳过3,3,3,4，于是全局OFFSET 10000 LIMIT 4是[5,5,6,6] 总结：58同城数据库架构设计思路 （1）可用性，解决思路是冗余（复制） （1.1）读可用性：多个从库 （1.2）写可用性：双主模式 or 双主当主从用（58的玩法） （2）读性能，三种方式扩充读性能 （2.1）增加索引：主从上的索引可以不一样 （2.2）增加从库 （2.3）增加缓存：服务+缓存+数据一套（58的玩法） （3）一致性 （3.1）主从不一致：引入中间层 or 读写都走主库（58的玩法） （3.2）缓存不一致：双淘汰来解决缓存不一致问题 （4）扩展性 （4.1）数据扩容：提升从库，double主库，秒级扩容 （4.2）字段扩展：追日志法 or 双写法 （4.3）水平切分 （单key）用户库如何拆分：, user(uid XXOO) （1对多）帖子库如何拆分： tiezi(tid, uid, XXOO) （多对多）好友库如何拆分： friend(uid, friend_uid, XXOO) （多key）订单库如何拆分：order(oid, buyer_id, seller_id, XXOO) （5）SQL玩法 （5.0）不这么玩：联合查询，子查询，触发器，自定义函数，事务 （5.1）IN查询：分发MR or 拼装成不同SQL语句 （5.2）非partition key查询：定位一个库 or 分发MR （5.3）夸库分页 （5.3.1）修改sql语句，服务内排序 （5.3.2）引入特殊id，减少返回数量 （5.3.3）业务优化，允许模糊查询 （5.3.4）查询改写，二段查询

下一节：数据库水平切分策略

数据库架构分类

数据库水平切分策略 - 分库寻址：当数据库的数据量很大时，就需要对库或表进行水平切分。最常见的水平切分方式，共有四种策略：索引表法、缓存映射法、计算法、基因法。我们以 “用户中心” 数据库作为数据模型，讲解数据库的水平切分策略