一、为什么要分库分表

1.1 什么是分库

一个数据库分成多个数据库，部署到不同机器

1.2 什么是分表

一个数据库表分成多个表

1.3 为什么要分库

如果业务量剧增，数据库可能会出现性能瓶颈，这时候我们就需要考虑拆分数据库

1.3.1 磁盘存储

业务量剧增，MySQL单机磁盘容量不足，拆成多个数据库，磁盘使用率大大降低。

1.3.2 并发连接支撑

在高并发的场景下，大量请求访问数据库，MySQL单机是扛不住的。微服务架构出现，就是为了应对高并发。它把订单、用户、商品等不同模块，拆分成多个应用，并且把单个数据库也拆分成多个不同功能模块的数据库（订单库、用户库、商品库），以分担读写压力。

1.4 为什么要分表

数据量如果太大，SQL的查询就会变慢。如果一个查询SQL没命中索引，千百万数据量的表可能会拖垮这个数据库。
即使SQL命中了索引，如果表的数据量超过千万，查询也会明显变慢。
B+树结构，数据千万级别，B+树的高度会增高，查询就变慢

tips：
Mysql现在用innodb存储引擎，数据结构B+树，磁盘的IO次数与树的高度是相同的。
B+树的分支非常多，而且每个非叶子节点只存主键值（主键索引）和指针，数据存在于叶子节点。
它的最小存储单元是页，一个页的大小默认是16KB。代表B+树的每个节点可以存16KB数据，这里我们假设我们的一行数据大小是1K，一个节点就可以存16行数据。
真正的数据都是存在叶子节点的，所以这里是指叶子节点可以存放16行数据。假设主键类型为bigint，占用8Byte，指针可以设置为占用6Byte，总共就为14Byte。这样就可以算出一个节点大概可以存放多少个指针了（指针指向下一层节点），大概为16KB/14Byte=1170个。由此，可以推算出，2层B+树的话，可以存放117016=18720行数据。3层B+树的话，可以存放11701170*16=21902400行数据，如果再增加，树高就会变高

二、分库分表解决方案

垂直切分常见有垂直分库和垂直分表两种。

2.1 垂直（纵向）切分

垂直分库是根据业务耦合性，将关联度低的不同表存储在不同的数据库。做法与大系统拆分为多个小系统类似，按业务分类进行独立划分。与"微服务治理"的做法相似，每个微服务使用单独的一个数据库。
垂直分表是基于数据库中的"列"进行，某个表字段较多，可以新建一张扩展表，将不经常用或字段长度较大的字段拆分出去到扩展表中。在字段很多的情况下（例如一个大表有100多个字段），通过"大表拆小表"，更便于开发与维护，也能避免跨页问题，MySQL底层是通过数据页存储的，一条记录占用空间过大会导致跨页，造成额外的性能开销。另外数据库以行为单位将数据加载到内存中，这样表中字段长度较短且访问频率较高，内存能加载更多的数据，命中率更高，减少了磁盘IO，从而提升了数据库性能。

2.1.1 垂直切分优点

解决业务系统层面的耦合，业务清晰
与微服务的治理类似，也能对不同业务的数据进行分级管理、维护、监控、扩展等
高并发场景下，垂直切分可提升IO、数据库连接数、单机硬件资源瓶颈

2.1.2 垂直切分缺点

部分表无法join，只能通过接口聚合方式解决，提升了开发的复杂度
分布式事务处理复杂
依然存在单表数据量过大的问题（需要水平切分）

2.2 水平（横向）切分

水平切分分为库内分表和分库分表，是根据表内数据内当一个应用难以再细粒度的垂直切分，或切分后数据量行数巨大，存在单库读写、存储性能瓶颈，这时候需要进行水平切分。
在的逻辑关系，将同一个表按不同的条件分散到多个数据库或多个表中，每个表中只包含一部分数据，从而使得单个表的数据量变小，达到分布式的效果。
库内分表只解决了单一表数据量过大的问题，但没有将表分布到不同机器的库上，因此对于减轻MySQL数据库的压力来说，帮助不是很大，还是竞争同一个物理机的CPU、内存、网络IO，最好通过分库分表来解决。

2.2.1 水平切分优点

不存在单库数据量过大、高并发的性能瓶颈，提升系统稳定性和负载能力
应用端改造较小，不需要拆分业务模块

2.2.2 水平切分缺点

跨分片的事务一致性难以保证
跨库的join关联查询性能较差
数据多次扩展难度和维护量极大
水平切分后同一张表会出现在多个数据库/表中，每个库/表的内容不同。

2.3 两个问题

知道了为什么要分，和分的方案，现在可能就会有两个问题：
什么时候分库分表？怎么分库分表？
我们继续看

2.4 什么时候考虑切分

2.4.1 预估数据量

阿里建议，预估三年内单表数据量大于500W或单表数据文件大于2G，考虑分库分表

2.4.2 预估数据趋势

从数据增长趋势的角度考虑，是增长速率由慢到快，还是由快到慢

2.4.3 预估应用场景

适合读多写少的业务场景

2.4.4预估业务复杂度

2.4.5 五点建议

2.4.5.1 能不切分尽量不要切分

并不是所有表都需要进行切分，主要还是看数据的增长速度。切分后会在某种程度上提升业务的复杂度，数据库除了承载数据的存储和查询外，协助业务更好的实现需求也是其重要工作之一。
不到万不得已不用轻易使用分库分表这个大招，避免"过度设计"和"过早优化"。分库分表之前，不要为分而分，先尽力去做力所能及的事情，例如：升级硬件、升级网络、读写分离、索引优化等等。当数据量达到单表的瓶颈时候，再考虑分库分表。

2.4.5.2 数据量过大，正常运维影响业务访问切分

这里说的运维指：
1）对数据库备份，如果单表太大，备份时需要大量的磁盘IO和网络IO。例如1T的数据，网络传输占50MB时候，需要20000秒才能传输完毕，整个过程的风险都是比较高的
2）对一个很大的表进行DDL修改时，MySQL会锁住全表，这个时间会很长，这段时间业务不能访问此表，影响很大。如果使用pt-online-schema-change，使用过程中会创建触发器和影子表，也需要很长的时间。在此操作过程中，都算为风险时间。将数据表拆分，总量减少，有助于降低这个风险。
3）大表会经常访问与更新，就更有可能出现锁等待。将数据切分，用空间换时间，变相降低访问压力

2.4.5.3 随着业务发展，需要对某些字段垂直拆分

在项目初始阶段，这种设计是满足简单的业务需求的，也方便快速迭代开发。而当业务快速发展时，数据量激增，用户量从10w激增到10亿，用户非常的活跃，每次登录会更新 last_login_name 字段，使得 user 表被不断update，压力很大。而其他字段：id, name, personal_info 是不变的或很少更新的，此时在业务角度，就要将 last_login_time 拆分出去，新建一个 user_time 表。

2.4.5.4 数据量快速增长考虑切分

随着业务的快速发展，单表中的数据量会持续增长，当性能接近瓶颈时，就需要考虑水平切分，做分库分表了。此时一定要选择合适的切分规则，提前预估好数据容量。

2.4.5.5 安全性和可用性方面

在业务层面上垂直切分，将不相关的业务的数据库分隔，因为每个业务的数据量、访问量都不同，利用水平切分，当一个数据库出现问题时，不会影响到100%的用户，每个库只承担业务的一部分数据，这样整体的可用性就能提高。

2.5 怎么切分？-几种典型的数据分片规则为：

2.5.1 根据数值范围

按照时间区间或ID区间来切分。例如：按日期将不同月甚至是日的数据分散到不同的库中；将userId为1_{9999的记录分到第一个库，10000}20000的分到第二个库，以此类推。某种意义上，某些系统中使用的"冷热数据分离"，将一些使用较少的历史数据迁移到其他库中，业务功能上只提供热点数据的查询，也是类似的实践。
优点：
单表大小可控
天然便于水平扩展，后期如果想对整个分片集群扩容时，只需要添加节点即可，无需对其他分片的数据进行迁移
使用分片字段进行范围查找时，连续分片可快速定位分片进行快速查询，有效避免跨分片查询的问题。
缺点：
热点数据成为性能瓶颈。连续分片可能存在数据热点，例如按时间字段分片，有些分片存储最近时间段内的数据，可能会被频繁的读写，而有些分片存储的历史数据，则很少被查询

2.5.2 根据数值取模

一般采用hash取模mod的切分方式，例如：将 Customer 表根据 cusno 字段切分到4个库中，余数为0的放到第一个库，余数为1的放到第二个库，以此类推。这样同一个用户的数据会分散到同一个库中，如果查询条件带有cusno字段，则可明确定位到相应库去查询。
优点：
数据分片相对比较均匀，不容易出现热点和并发访问的瓶颈
缺点：
后期分片集群扩容时，需要迁移旧的数据（使用一致性hash算法能较好的避免这个问题）
容易面临跨分片查询的复杂问题。比如上例中，如果频繁用到的查询条件中不带cusno时，将会导致无法定位数据库，从而需要同时向4个库发起查询，再在内存中合并数据，取最小集返回给应用，分库反而成为拖累。

三、分库分表带来的问题

分库分表能有效的缓解单机和单库带来的性能瓶颈和压力，突破网络IO、硬件资源、连接数的瓶颈，同时也带来了一些问题。我们主要从五个角度来看。

3.1 事务一致性问题

3.1.1分布式事务

当更新内容同时分布在不同库中，不可避免会带来跨库事务问题。跨分片事务也是分布式事务，没有简单的方案，一般可使用"XA协议"和"两阶段提交"处理。
分布式事务能最大限度保证了数据库操作的原子性。但在提交事务时需要协调多个节点，推后了提交事务的时间点，延长了事务的执行时间。导致事务在访问共享资源时发生冲突或死锁的概率增高。随着数据库节点的增多，这种趋势会越来越严重，从而成为系统在数据库层面上水平扩展的枷锁。

3.1.2最终一致性

对于那些性能要求很高，但对一致性要求不高的系统，往往不苛求系统的实时一致性，只要在允许的时间段内达到最终一致性即可，可采用事务补偿的方式。与事务在执行中发生错误后立即回滚的方式不同，事务补偿是一种事后检查补救的措施，一些常见的实现方法有：对数据进行对账检查，基于日志进行对比，定期同标准数据来源进行同步等等。事务补偿还要结合业务系统来考虑。

3.2 跨节点关联查询 join 问题

切分之前，系统中很多列表和详情页所需的数据可以通过sql join来完成。而切分之后，数据可能分布在不同的节点上，此时join带来的问题就比较麻烦了，考虑到性能，尽量避免使用join查询。
解决这个问题的一些方法：

3.2.1 全局表

全局表，也可看做是"数据字典表"，就是系统中所有模块都可能依赖的一些表，为了避免跨库join查询，可以将这类表在每个数据库中都保存一份。这些数据通常很少会进行修改，所以也不担心一致性的问题。

3.2.2 字段冗余

一种典型的反范式设计，利用空间换时间，为了性能而避免join查询。例如：订单表保存userId时候，也将userName冗余保存一份，这样查询订单详情时就不需要再去查询"买家user表"了。
但这种方法适用场景也有限，比较适用于依赖字段比较少的情况。而冗余字段的数据一致性也较难保证，就像上面订单表的例子，买家修改了userName后，是否需要在历史订单中同步更新呢？这也要结合实际业务场景进行考虑。

3.2.3 数据组装

在系统层面，分两次查询，第一次查询的结果集中找出关联数据id，然后根据id发起第二次请求得到关联数据。最后将获得到的数据进行字段拼装。

3.2.4ER分片

关系型数据库中，如果可以先确定表之间的关联关系，并将那些存在关联关系的表记录存放在同一个分片上，那么就能较好的避免跨分片join问题。在1:1或1:n的情况下，通常按照主表的ID主键切分。

3.3 跨节点分页、排序、函数问题

跨节点多库进行查询时，会出现limit分页、order by排序等问题。分页需要按照指定字段进行排序，当排序字段就是分片字段时，通过分片规则就比较容易定位到指定的分片；当排序字段非分片字段时，就变得比较复杂了。需要先在不同的分片节点中将数据进行排序并返回，然后将不同分片返回的结果集进行汇总和再次排序，最终返回给用户。
但是如果取得页数很大，情况则变得复杂很多，因为各分片节点中的数据可能是随机的，为了排序的准确性，需要将所有节点的前N页数据都排序好做合并，最后再进行整体的排序，这样的操作是很耗费CPU和内存资源的，所以页数越大，系统的性能也会越差。
在使用Max、Min、Sum、Count之类的函数进行计算的时候，也需要先在每个分片上执行相应的函数，然后将各个分片的结果集进行汇总和再次计算，最终将结果返回。

3.4 全局主键避重问题

在分库分表环境中，由于表中数据同时存在不同数据库中，主键值平时使用的自增长将无用武之地，某个分区数据库自生成的ID无法保证全局唯一。因此需要单独设计全局主键，以避免跨库主键重复问题。有一些常见的主键生成策略：

3.4.1 UUID（不推荐）

UUID标准形式包含32个16进制数字，分为5段，形式为8-4-4-4-12的36个字符，例如：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000
UUID是主键是最简单的方案，本地生成，性能高，没有网络耗时。但缺点也很明显，由于UUID非常长，会占用大量的存储空间；另外，作为主键建立索引和基于索引进行查询时都会存在性能问题，因为它是无序的，mysql的innodb中，对索引字段插入的效率比较低，也会引起数据位置频繁变动。

3.4.2 Snowflake分布式自增ID算法(推荐)

Twitter的snowflake算法解决了分布式系统生成全局ID的需求，生成64位的Long型数字，组成部分：
第一位未使用
接下来41位是毫秒级时间，41位的长度可以表示69年的时间
5位datacenterId，5位workerId。10位的长度最多支持部署1024个节点
最后12位是毫秒内的计数，12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序列
毫秒数在高位，生成的ID整体上按时间趋势递增；不依赖第三方系统，稳定性和效率较高，理论上QPS约为409.6w/s（1000*2^12），并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞；可根据自身业务灵活分配bit位。和UUID不同，雪花算法能保证相同进程主键的有序性。
不足就在于：强依赖机器时钟，如果时钟回拨，则可能导致生成ID重复。

3.5 数据迁移扩容问题

当业务高速发展，面临性能和存储的瓶颈时，才会考虑分片设计，此时就不可避免的需要考虑历史数据迁移的问题。一般做法是先读出历史数据，然后按指定的分片规则再将数据写入到各个分片节点中。此外还需要根据当前的数据量和QPS，以及业务发展的速度，进行容量规划，推算出大概需要多少分片（一般建议单个分片上的单表数据量不超过1000W）。
如果采用数值范围分片，只需要添加节点就可以进行扩容，不需要对分片数据迁移。如果采用的是数值取模分片，则考虑后期的扩容问题就相对比较麻烦