SQL 解析

分庫分表后在應(yīng)用層面執(zhí)行一條 SQL 語句時(shí)，通常需要經(jīng)過以下六個(gè)步驟：SQL 解析 -> 執(zhí)?器優(yōu)化 -> SQL 路由 -> SQL 改寫 -> SQL 執(zhí)? -> 結(jié)果歸并 。

在這里插入圖片描述

SQL解析過程分為詞法解析和語法解析兩步，比如下邊查詢用戶訂單的SQL，先用詞法解析將這條SQL拆解成不可再分的原子單元。在根據(jù)不同數(shù)據(jù)庫方言所提供的字典，將這些單元?dú)w類為關(guān)鍵字，表達(dá)式，變量或者操作符等類型。

SELECT order_no FROM t_order where  order_status > 0  and user_id = 10086

接著語法解析會(huì)將拆分后的SQL關(guān)鍵字轉(zhuǎn)換為抽象語法樹，通過對(duì)抽象語法樹遍歷，提煉出分片所需的上下文，上下文包含查詢字段信息（Field）、表信息（Table）、查詢條件（Condition）、排序信息（Order By）、分組信息（Group By）以及分頁信息（Limit）等，并標(biāo)記出 SQL中有可能需要改寫的位置。

抽象語法樹

執(zhí)?器優(yōu)化

執(zhí)?器優(yōu)化是根據(jù)SQL查詢特點(diǎn)和執(zhí)行統(tǒng)計(jì)信息，選擇最優(yōu)的查詢計(jì)劃并執(zhí)行，比如user_id字段有索引，那么會(huì)調(diào)整兩個(gè)查詢條件的位置，主要是提高SQL的執(zhí)行效率。

SELECT order_no FROM t_order where user_id = 10086 and order_status > 0

SQL 路由

通過上邊的SQL解析得到了分片上下文數(shù)據(jù)，在匹配用戶配置的分片策略和算法，就可以運(yùn)算生成路由路徑，將 SQL 語句路由到相應(yīng)的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上。

簡單點(diǎn)理解就是拿到分片策略中配置的分片鍵等信息，在從SQL解析結(jié)果中找到對(duì)應(yīng)分片鍵字段的值，計(jì)算出 SQL該在哪個(gè)庫的哪個(gè)表中執(zhí)行，SQL路由又根據(jù)有無分片健分為 分片路由 和 廣播路由。

有分?鍵的路由叫分片路由，細(xì)分為直接路由、標(biāo)準(zhǔn)路由和笛卡爾積路由這3種類型。

標(biāo)準(zhǔn)路由

標(biāo)準(zhǔn)路由是最推薦也是最為常?的分??式，它的適?范圍是不包含關(guān)聯(lián)查詢或僅包含綁定表之間關(guān)聯(lián)查詢的SQL。

當(dāng) SQL分片健的運(yùn)算符為 = 時(shí)，路由結(jié)果將落?單庫（表），當(dāng)分?運(yùn)算符是BETWEEN 或IN 等范圍時(shí)，路由結(jié)果則不?定落?唯?的庫（表），因此?條邏輯SQL最終可能被拆分為多條?于執(zhí)?的真實(shí)SQL。

SELECT * FROM t_order  where t_order_id in (1,2)

SQL路由處理后

SELECT * FROM t_order_0  where t_order_id in (1,2)
SELECT * FROM t_order_1  where t_order_id in (1,2)

直接路由

直接路由是直接將SQL路由到指定?庫、表的一種分?方式，而且直接路由可以?于分?鍵不在SQL中的場(chǎng)景，還可以執(zhí)?包括?查詢、?定義函數(shù)等復(fù)雜情況的任意SQL。

笛卡爾積路由

笛卡爾路由是由?綁定表之間的關(guān)聯(lián)查詢產(chǎn)生的，比如訂單表t_order 分片鍵是t_order_id和用戶表t_user分片鍵是t_order_id，兩個(gè)表的分片鍵不同，要做聯(lián)表查詢，會(huì)執(zhí)行笛卡爾積路由，查詢性能較低盡量避免走此路由模式。

SELECT * FROM t_order_0 t LEFT JOIN t_user_0 u ON u.user_id = t.user_id WHERE t.user_id = 1
SELECT * FROM t_order_0 t LEFT JOIN t_user_1 u ON u.user_id = t.user_id WHERE t.user_id = 1
SELECT * FROM t_order_1 t LEFT JOIN t_user_0 u ON u.user_id = t.user_id WHERE t.user_id = 1
SELECT * FROM t_order_1 t LEFT JOIN t_user_1 u ON u.user_id = t.user_id WHERE t.user_id = 1

無分?鍵的路由又叫做廣播路由，可以劃分為全庫表路由、全庫路由、 全實(shí)例路由、單播路由和阻斷路由這 5種類型。

全庫表路由

全庫表路由針對(duì)的是數(shù)據(jù)庫 DQL和 DML，以及 DDL等操作，當(dāng)我們執(zhí)行一條邏輯表 t_order SQL時(shí)，在所有分片庫中對(duì)應(yīng)的真實(shí)表 t_order_0 ··· t_order_n 內(nèi)逐一執(zhí)行。

全庫路由

全庫路由主要是對(duì)數(shù)據(jù)庫層面的操作，比如數(shù)據(jù)庫 SET 類型的數(shù)據(jù)庫管理命令，以及 TCL 這樣的事務(wù)控制語句。

對(duì)邏輯庫設(shè)置 autocommit 屬性后，所有對(duì)應(yīng)的真實(shí)庫中都執(zhí)行該命令。

SET autocommit=0;

全實(shí)例路由

全實(shí)例路由是針對(duì)數(shù)據(jù)庫實(shí)例的 DCL 操作（設(shè)置或更改數(shù)據(jù)庫用戶或角色權(quán)限），比如：創(chuàng)建一個(gè)用戶 order ，這個(gè)命令將在所有的真實(shí)庫實(shí)例中執(zhí)行，以此確保 order 用戶可以正常訪問每一個(gè)數(shù)據(jù)庫實(shí)例。

CREATE USER order@127.0.0.1 identified BY '程序員小富';

單播路由

單播路由用來獲取某一真實(shí)表信息，比如獲得表的描述信息：

DESCRIBE t_order;

t_order 的真實(shí)表是 t_order_0 ···· t_order_n，他們的描述結(jié)構(gòu)相完全同，我們只需在任意的真實(shí)表執(zhí)行一次就可以。

阻斷路由

?來屏蔽SQL對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，例如：

USE order_db;

這個(gè)命令不會(huì)在真實(shí)數(shù)據(jù)庫中執(zhí)?，因?yàn)?ShardingSphere 采?的是邏輯 Schema（數(shù)據(jù)庫的組織和結(jié)構(gòu)） ?式，所以無需將切換數(shù)據(jù)庫的命令發(fā)送?真實(shí)數(shù)據(jù)庫中。

SQL 改寫

SQL經(jīng)過解析、優(yōu)化、路由后已經(jīng)明確分片具體的落地執(zhí)行的位置，接著就要將基于邏輯表開發(fā)的SQL改寫成可以在真實(shí)數(shù)據(jù)庫中可以正確執(zhí)行的語句。比如查詢 t_order 訂單表，我們實(shí)際開發(fā)中 SQL是按邏輯表 t_order 寫的。

SELECT * FROM t_order

這時(shí)需要將分表配置中的邏輯表名稱改寫為路由之后所獲取的真實(shí)表名稱。

SELECT * FROM t_order_n

SQL執(zhí)?

將路由和改寫后的真實(shí) SQL 安全且高效發(fā)送到底層數(shù)據(jù)源執(zhí)行。但這個(gè)過程并不能將 SQL 一股腦的通過 JDBC 直接發(fā)送至數(shù)據(jù)源執(zhí)行，需平衡數(shù)據(jù)源連接創(chuàng)建以及內(nèi)存占用所產(chǎn)生的消耗，它會(huì)自動(dòng)化的平衡資源控制與執(zhí)行效率。

結(jié)果歸并

將從各個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)獲取的多數(shù)據(jù)結(jié)果集，合并成一個(gè)大的結(jié)果集并正確的返回至請(qǐng)求客戶端，稱為結(jié)果歸并。而我們SQL中的排序、分組、分頁和聚合等語法，均是在歸并后的結(jié)果集上進(jìn)行操作的。

分布式主鍵

數(shù)據(jù)分?后，一個(gè)邏輯表（t_order）對(duì)應(yīng)諸多的真實(shí)表（t_order_n），它們之間由于?法互相感知，主鍵ID都從初始值累加，所以必然會(huì)產(chǎn)?重復(fù)主鍵ID，此時(shí)主鍵不再唯一那么對(duì)于業(yè)務(wù)來說也就沒意義了。

盡管可通過設(shè)置表?增主鍵 初始值 和 步? 的?式避免ID碰撞，但這樣會(huì)使維護(hù)成本加大，可擴(kuò)展性差。

這個(gè)時(shí)候就需要我們手動(dòng)為一條數(shù)據(jù)記錄，分配一個(gè)全局唯一的ID，這個(gè)ID被叫做分布式ID，而生產(chǎn)這個(gè)ID的系統(tǒng)通常被叫做發(fā)號(hào)器。

大家可以參考我之前發(fā)布的這篇文章 9種分布式ID生成方案

數(shù)據(jù)脫敏

分庫分表數(shù)據(jù)脫敏是一種有效的數(shù)據(jù)保護(hù)措施，可以確保敏感數(shù)據(jù)的機(jī)密性和安全性，減少數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

比如，我們?cè)诜謳旆直頃r(shí)可以指定表的哪些字段為脫敏列，并設(shè)置對(duì)應(yīng)的脫敏算法，在數(shù)據(jù)分片時(shí)解析到執(zhí)行SQL中有待脫敏字段，會(huì)直接將字段值脫敏后的寫入庫表內(nèi)。

對(duì)于用戶的個(gè)人信息，如姓名、地址和電話號(hào)碼等，可以通過加密、隨機(jī)化或替換成偽隨機(jī)數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行脫敏，以確保用戶的隱私得到保護(hù)。

大家可以參考我之前發(fā)布的這篇文章 大廠也在用的 6種 數(shù)據(jù)脫敏方案

分布式事務(wù)

分布式事務(wù)的核心問題是如何實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)數(shù)據(jù)源的原子性操作。

由于不同的服務(wù)通常會(huì)使用不同的數(shù)據(jù)源來存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù)，因此，跨數(shù)據(jù)源的操作可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致性或丟失的風(fēng)險(xiǎn)。因此，保證分布式事務(wù)的一致性是非常重要的。

以訂單系統(tǒng)為例，它需要調(diào)用支付系統(tǒng)、庫存系統(tǒng)、積分系統(tǒng)等多個(gè)系統(tǒng)，而每個(gè)系統(tǒng)都維護(hù)自己的數(shù)據(jù)庫實(shí)例，系統(tǒng)間通過API接口交換數(shù)據(jù)。

為了保證下單后多個(gè)系統(tǒng)同時(shí)調(diào)用成功，可以使用強(qiáng)一致性事務(wù)的XA協(xié)議，或者柔性事務(wù)的代表工具Seata，來實(shí)現(xiàn)分布式事務(wù)的一致性。這些工具可以幫助開發(fā)人員簡化分布式事務(wù)的實(shí)現(xiàn)，減少錯(cuò)誤和漏洞的出現(xiàn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

經(jīng)過分庫分表之后，問題的難度進(jìn)一步提升。自身訂單服務(wù)，也需要處理跨數(shù)據(jù)源的操作。這樣一來，系統(tǒng)的復(fù)雜度顯著增加。因此，不到萬不得已的情況下，最好避免采用分庫分表的解決方案。

關(guān)于分布式事務(wù)詳細(xì)的介紹，大家可以參考我之前發(fā)布的這篇文章 對(duì)比 5 種分布式事務(wù)方案，還是寵幸了阿里的 Seata（原理 + 實(shí)戰(zhàn)）

數(shù)據(jù)遷移

分庫分表后還有個(gè)讓人頭疼的問題，那就是數(shù)據(jù)遷移，為了不影響現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，通常會(huì)新建數(shù)據(jù)庫集群遷移數(shù)據(jù)。將數(shù)據(jù)從舊集群的數(shù)據(jù)庫、表遷移到新集群的分庫、分表中。這是一個(gè)比較復(fù)雜的過程，在遷移過程中需要考慮數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)一致性、遷移速度等諸多因素。

遷移主要針對(duì) 存量數(shù)據(jù) 和 增量數(shù)據(jù) 的處理，存量數(shù)據(jù)指舊數(shù)據(jù)源中已經(jīng)存在且有價(jià)值的歷史數(shù)據(jù)，增量數(shù)據(jù)指當(dāng)下持續(xù)增長以及未來產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

存量數(shù)據(jù)可以采用定時(shí)、分批次的遷移，遷移過程可能會(huì)持續(xù)幾天。

增量數(shù)據(jù)可以采用新、舊數(shù)據(jù)庫集群雙寫模式。待數(shù)據(jù)遷移完畢，業(yè)務(wù)驗(yàn)證了數(shù)據(jù)一致性，應(yīng)用直接切換數(shù)據(jù)源即可。

后續(xù)我們會(huì)結(jié)合三方工具，來演示遷移的過程。

影子庫

什么是影子庫（Shadow Table）？

影子庫是一個(gè)與生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)完全相同的實(shí)例，它存在的意義是為了在不影響線上系統(tǒng)的情況下，驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫遷移或者其他數(shù)據(jù)庫變更操作的正確性，以及全鏈路壓測(cè)。影子庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是從生產(chǎn)環(huán)境中定期復(fù)制過來的，但是它不對(duì)線上業(yè)務(wù)產(chǎn)生任何影響，僅用于測(cè)試，驗(yàn)證和調(diào)試。

在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫升級(jí)、版本變更、參數(shù)調(diào)優(yōu)等操作前，通過在影子庫上模擬這些操作，可以發(fā)現(xiàn)潛在的問題，因?yàn)闇y(cè)試環(huán)境的數(shù)據(jù)是不可靠的。

在使用影子庫時(shí)，需要遵循以下幾個(gè)原則：

• 與生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)應(yīng)該完全一致，包括表結(jié)構(gòu)、索引、約束等；
• 數(shù)據(jù)要與生產(chǎn)環(huán)境保持一致，可以通過定期同步方式實(shí)現(xiàn)；
• 讀寫操作不會(huì)影響生產(chǎn)環(huán)境，一般情況下應(yīng)該禁止在影子庫上執(zhí)行更新、刪除等操作；
• 由于影子庫的數(shù)據(jù)特點(diǎn)，訪問權(quán)限應(yīng)該嚴(yán)格控制，只允許授權(quán)人員進(jìn)行訪問和操作；

總結(jié)

本文介紹了關(guān)于分庫分表架構(gòu)的21個(gè)通用概念，有一定的了解之后，接下來我們將進(jìn)入更深度的內(nèi)容，包括讀寫分離、數(shù)據(jù)脫敏、分布式主鍵、分布式事務(wù)、配置中心、注冊(cè)中心、Proxy服務(wù)等實(shí)戰(zhàn)案例的講解和源碼分析。