深度解析ShardingJDBC：Java开发者的分库分表利器

一、ShardingSphere

ShardingSphere 是一款起源于当当网内部的应用框架。2015年在当当网内部诞生，最初就叫ShardingJDBC 。2016年的时候，由其中一个主要的开发人员张亮，带入到京东数科，组件团队继续开发。在国内历经了当当网、电信翼支付、京东数科等多家大型互联网企业的考验，在2017年开始开源。并逐渐由原本只关注于关系型数据库增强工具的ShardingJDBC 升级成为一整套以数据分片为基础的数据生态圈，更名为ShardingSphere 。到2020年4月，已经成为了Apache软件基金会的顶级项目。

ShardingSphere包含三个重要的产品，ShardingJDBC、ShardingProxy和ShardingSidecar。其中sidecar是针对service mesh定位的一个分库分表插件，目前在规划中。而我们今天学习的重点是ShardingSphere 的JDBC 和Proxy这两个组件。

其中， ShardingJDBC 是用来做客户端分库分表的产品，而ShardingProxy 是用来做服务端分库分表的产品。这两者定位有什么区别呢?我们看下官方资料中给出的两个重要的图：

shardingJDBC 定位为轻量级 Java 框架，在 Java 的 JDBC 层提供的额外服务。它使用客户端直连数据库，以jar 包形式提供服务，无需额外部署和依赖，可理解为增强版的 JDBC 驱动，完全兼容 JDBC 和各种 ORM 框架。

ShardingProxy

ShardingProxy 定位为透明化的数据库代理端，提供封装了数据库二进制协议的服务端版本，用于完成对异构语言的支持。目前提供 MySQL 和 PostgreSQL 版本，它可以使用任何兼容 MySQL/PostgreSQL 协议的访问客户端。

那这两种方式有什么区别呢?

很显然， ShardingJDBC 只是客户端的一个工具包，可以理解为一个特殊的JDBC驱动包，所有分库分表逻辑均由业务方自己控制，所以他的功能相对灵活，支持的数据库也非常多，但是对业务侵入大，需要业务方自己定制所有的分库分表逻辑。而ShardingProxy 是一个独立部署的服务，对业务方无侵入，业务方可以像用一个普通的MySQL 服务一样进行数据交互，基本上感觉不到后端分库分表逻辑的存在，

但是这也意味着功能会比较固定，能够支持的数据库也比较少。这两者各有优劣。

二、ShardingJDBC实战

shardingjdbc的核心功能是数据分片和读写分离，通过ShardingJDBC，应用可以透明的使用JDBC访问已经分库分表、读写分离的多个数据源，而不用关心数据源的数量以及数据如何分布。

1、核心概念：

逻辑表：水平拆分的数据库的相同逻辑和数据结构表的总称
真实表：在分片的数据库中真实存在的物理表。
数据节点：数据分片的最小单元。由数据源名称和数据表组成
绑定表：分片规则一致的主表和子表。
广播表：也叫公共表，指素有的分片数据源中都存在的表，表结构和表中的数据在每个数据库中都完全一致。例如字典表。
分片键：用于分片的数据库字段，是将数据库(表)进行水平拆分的关键字段。SQL中若没有分片字段，将会执行全路由，性能会很差。
分片算法：通过分片算法将数据进行分片，支持通过=、BETWEEN和IN分片。分片算法需要由应用开发者自行实现，可实现的灵活度非常高。
分片策略：真正用于进行分片操作的是分片键+分片算法，也就是分片策略。在 ShardingJDBC中一般采用基于Groovy表达式的inline分片策略，通过一个包含分片键的算法表达式来制定分片策略，如t_user_$->{u_id%8}标识根据u_id模 8，分成8张表，表名称为t_user_0到t_user_7。
2、测试项目介绍
- 测试项目参见配套的ShardingDemo项。首先我们对测试项目的结构做下简单的梳理：
- 注：1、引入MyBatisPlus依赖，简化JDBC操作，这样我们就不需要在代
  码中写SQL语句了。
  2、entity中的实体对象就对应数据库中的表结构。而mapper 中的接口则对应JDBC操作。
  3、所有操作均使用JUnit的测试案例执行。后续所有测试操作都会配合 application.properties 中的配置以及JUnit测试案例进行。
  4、关于ShardingSphere版本，由于目前最新的5.0版本还在孵化当中，所以我们使用已发布的4.1.1版本来进行学习。
- 3、快速实战
- 我们先运行一个简单的实例，来看下ShardingJDBC是如何工作的。
  
  在application.properties配置文件中写入application01.properties文件的内容：
- ```
#垂直分表策略
# 配置真实数据源
spring.shardingsphere.datasource.names=m1

# 配置第 1 个数据源
spring.shardingsphere.datasource.m1.type=com.alibaba.druid.pool.DruidDataSo urce
spring.shardingsphere.datasource.m1.driver-class-
name=com.mysql.cj.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.m1.url=jdbc:mysql://localhost:3306/coursed b?serverTimezone=GMT%2B8
spring.shardingsphere.datasource.m1.username=root
spring.shardingsphere.datasource.m1.password=root

# 指定表的分布情况 配置表在哪个数据库里，表名是什么。水平分表，分两个表：
m1.course_1,m1.course_2
spring.shardingsphere.sharding.tables.course.actual-data-nodes=m1.course_$- >{1..2}

# 指定表的主键生成策略
spring.shardingsphere.sharding.tables.course.key-generator.column=cid
spring.shardingsphere.sharding.tables.course.key-generator.type=SNOWFLAKE #雪花算法的一个可选参数
spring.shardingsphere.sharding.tables.course.key-
generator.props.worker.id=1

#使用自定义的主键生成策略
#spring.shardingsphere.sharding.tables.course.key-generator.type=MYKEY
#spring.shardingsphere.sharding.tables.course.key-generator.props.mykey- offset=88

#指定分片策略 约定cid值为偶数添加到course_1表。如果是奇数添加到course_2表。 # 选定计算的字段
spring.shardingsphere.sharding.tables.course.table-
strategy.inline.sharding-column= cid
# 根据计算的字段算出对应的表名。
spring.shardingsphere.sharding.tables.course.table-
strategy.inline.algorithm-expression=course_$->{cid%2+1}

# 打开sql日志输出。
spring.shardingsphere.props.sql.show=true

spring.main.allow-bean-definition-overriding=true
```
  然后我们执行测试案例中的addcourse 案例。
- 执行后，我们可以在控制台看到很多条这样的日志：
- - 从这个日志中我们可以看到，程序中执行的Logic SQL经过ShardingJDBC处理后，被转换成了Actual SQL往数据库里执行。执行的结果可以在MySQL中看到，course_1和course_2两个表中各插入了五条消息。这就是ShardingJDBC帮我们进行的数据库的分库分表操作。
  - 然后，其他的几个配置文件依次对应了其他几种分库分表策略，我们可以——演示一下。
    
    ·application02.properties: 分库分表示例配置。内置分片算法示例， inline、standard、complex、hint。广播表配置示例。
    
    ·application03.properties: 绑定表示例配置
    
    ·application04.properties: 读写分离示例配置
  - 4、ShardingJDBC 的分片算法
    - ShardingJDBC 的整个实战完成后，可以看到，整个分库分表的核心就是在于配置的分片算法。我们的这些实战都是使用的inline分片算法，即提供一个分片键和一个分片表达式来制定分片算法。这种方式配置简单，功能灵活，是分库分表最佳的配置方式，并且对于绝大多数的分库分片场景来说，都已经非常好用了。但是，如果针对一些更为复杂的分片策略，例如多分片键、按范围分片等场景，inline 分片算法就有点力不从心了。所以，我们还需要学习下ShardingSphere 提供的其他几种分片策略。
    - NoneShardingStrategy - 无分片。此配置实际上不涉及数据分片，但ShardingSphere提供此选项以应对不需分片的场景。
    - InlineShardingStrategy - 常用分片方式。配置包括：
      - inline.shardingColumn：分片键。
      - inline.algorithmExpression：分片表达式。实现：根据分片表达式执行数据分片。
    - StandardShardingStrategy - 仅支持单分片键的标准分片策略。配置涉及：
      - standard.sharding-column：分片键。
      - standard.precise-algorithm-class-name：精确分片算法类名，必须实现io.shardingsphere.api.algorithm.sharding.standard.PreciseShardingAlgorithm接口。例如：com.roy.shardingDemo.algorithm.MyPreciseShardingAlgorithm。
      - standard.range-algorithm-class-name：范围分片算法类名，实现io.shardingsphere.api.algorithm.sharding.standard.RangeShardingAlgorithm接口。例如：com.roy.shardingDemo.algorithm.MyRangeShardingAlgorithm。实现：使用shardingColumn指定的分片键和提供的算法进行分片。其中精确分片算法是必需的，范围分片算法则是可选的。
    - ComplexShardingStrategy - 支持多分片键的复杂分片策略。配置包括：
      - complex.sharding-columns：多个分片键。
      - complex.algorithm-class-name：分片算法实现类。实现：综合多个分片列进行分片，使用org.apache.shardingsphere.api.sharding.complex.ComplexKeysShardingAlgorithm接口的实现类。例如：com.roy.shardingDemo.algorithm.MyComplexKeysShardingAlgorithm。
    - HintShardingStrategy - 不基于SQL分片键的强制分片策略。此策略允许程序指定分片键，适用于复杂的SQL情况。配置包括：
      - hint.algorithm-class-name：分片算法实现类，实现org.apache.shardingsphere.api.sharding.hint.HintShardingAlgorithm接口。例如：com.roy.shardingDemo.algorithm.MyHintShardingAlgorithm。实现：通过HintManager.addDatabaseShardingValue和HintManager.addTableShardingValue方法指定分片键。注意，此分片键仅在当前线程有效，应在使用后立即关闭。
    - Hint分片策略不依赖SQL解析树，可能在处理复杂语句时性能更佳。但需注意其在使用上的限制，如不支持UNION和多层子查询，也不能用于函数计算。这些限制导致即使使用ShardingSphere框架，分库分表后对SQL语句的支持仍然脆弱。
      - 而Hint分片策略并没有完全按照SQL解析树来构建分片策略，是绕开了SQL解析的，所有对某些比较复杂的语句，Hint分片策略性能有可能会比较好(情况太多了，无法一一分析)。
        但是要注意，Hint强制路由在使用时有非常多的限制：
      - -- 不支持UNION SELECT * FROM t_order1 UNION SELECT * FROM t_order2 INSERT INTO tbl_name (col1, col2, … ) SELECT col1, col2, … FROM tbl_name WHERE col3 = ? -- 不支持多层子查询 SELECT COUNT (*) FROM (SELECT * FROM t_order o WHERE o.id IN (SELECT id FROM t_order WHERE status = ?)) -- 不支持函数计算。ShardingSphere只能通过SQL字面提取用于分片的值 SELECT * FROM t_order WHERE to_date(create_time, 'yyyy-mm-dd ') = '2019-01-01 ';