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Sharding-JDBC 快速入門第一課

阿新 • • 發佈：2020-06-19

1.  概述

ShardingSphere是一套開源的分散式資料庫中介軟體解決方案組成的生態圈，它由Sharding-JDBC、Sharding-Proxy和Sharding-Sidecar（計劃中）這3款相互獨立的產品組成。他們均提供標準化的資料分片、分散式事務和資料庫治理功能，可適用於如Java同構、異構語言、雲原生等各種多樣化的應用場景。

ShardingSphere定位為關係型資料庫中介軟體，旨在充分合理地在分散式的場景下利用關係型資料庫的計算和儲存能力。

1.1.  ShardingSphere-JDBC

Sharding-JDBC 定位為輕量級 Java 框架，在 Java 的 JDBC 層提供的額外服務。它使用客戶端直連資料庫，以 jar 包形式提供服務，無需額外部署和依賴，可理解為增強版的 JDBC 驅動，完全相容 JDBC 和各種 ORM 框架。

  • 適用於任何基於 JDBC 的 ORM 框架，如：JPA, Hibernate, Mybatis, Spring JDBC Template 或直接使用 JDBC。
  • 支援任何第三方的資料庫連線池，如：DBCP, C3P0, BoneCP, Druid, HikariCP 等。
  • 支援任意實現JDBC規範的資料庫。目前支援 MySQL，Oracle，SQLServer，PostgreSQL 以及任何遵循 SQL92 標準的資料庫。 

 

1.2.  ShardingSphere-Proxy

Sharding-Proxy 定位為透明化的資料庫代理端，提供封裝了資料庫二進位制協議的服務端版本，用於完成對異構語言的支援。目前提供 MySQL 和 PostgreSQL 版本，它可以使用任何相容 MySQL/PostgreSQL 協議的訪問客戶端(如：MySQL Command Client, MySQL Workbench, Navicat 等)操作資料，對 DBA 更加友好。

  • 嚮應用程式完全透明，可直接當做 MySQL/PostgreSQL 使用。
  • 適用於任何相容 MySQL/PostgreSQL 協議的的客戶端。

1.3.  ShardingSphere-Sidecar（TODO）

Sharding-Sidecar 定位為 Kubernetes 的雲原生資料庫代理，以 Sidecar 的形式代理所有對資料庫的訪問。通過無中心、零侵入的方案提供與資料庫互動的的齧合層，即 Database Mesh，又可稱資料庫網格。

Database Mesh 的關注重點在於如何將分散式的資料訪問應用與資料庫有機串聯起來，它更加關注的是互動，是將雜亂無章的應用與資料庫之間的互動有效的梳理。使用 Database Mesh，訪問資料庫的應用和資料庫終將形成一個巨大的網格體系，應用和資料庫只需在網格體系中對號入座即可，它們都是被齧合層所治理的物件。 

 

1.4.  混合架構

ShardingSphere-JDBC 採用無中心化架構，適用於 Java 開發的高效能的輕量級 OLTP 應用；ShardingSphere-Proxy 提供靜態入口以及異構語言的支援，適用於 OLAP 應用以及對分片資料庫進行管理和運維的場景。

Apache ShardingSphere 是多接入端共同組成的生態圈。 通過混合使用 ShardingSphere-JDBC 和 ShardingSphere-Proxy，並採用同一註冊中心統一配置分片策略，能夠靈活的搭建適用於各種場景的應用系統，使得架構師更加自由的調整適合與當前業務的最佳系統架構。

2.  概念 & 功能

2.1. 資料分片

從效能方面來說，由於關係型資料庫大多采用B+樹型別的索引，在資料量超過閾值的情況下，索引深度的增加也將使得磁碟訪問的IO次數增加，進而導致查詢效能的下降；同時，高併發訪問請求也使得集中式資料庫成為系統的最大瓶頸。

從運維成本方面考慮，當一個數據庫例項中的資料達到閾值以上，對於DBA的運維壓力就會增大。資料備份和恢復的時間成本都將隨著資料量的大小而愈發不可控。一般來講，單一資料庫例項的資料的閾值在1TB之內，是比較合理的範圍。

垂直分片

按照業務拆分的方式稱為垂直分片，又稱為縱向拆分，它的核心理念是專庫專用。在拆分之前，一個數據庫由多個數據表構成，每個表對應著不同的業務。而拆分之後，則是按照業務將表進行歸類，分佈到不同的資料庫中，從而將壓力分散至不同的資料庫。下圖展示了根據業務需要，將使用者表和訂單表垂直分片到不同的資料庫的方案。

垂直分片往往需要對架構和設計進行調整。通常來講，是來不及應對網際網路業務需求快速變化的；而且，它也並無法真正的解決單點瓶頸。垂直拆分可以緩解資料量和訪問量帶來的問題，但無法根治。如果垂直拆分之後，表中的資料量依然超過單節點所能承載的閾值，則需要水平分片來進一步處理。

水平分片 

水平分片又稱為橫向拆分。 相對於垂直分片，它不再將資料根據業務邏輯分類，而是通過某個欄位（或某幾個欄位），根據某種規則將資料分散至多個庫或表中，每個分片僅包含資料的一部分。 例如：根據主鍵分片，偶數主鍵的記錄放入0庫（或表），奇數主鍵的記錄放入1庫（或表），如下圖所示。 

 

水平分片從理論上突破了單機資料量處理的瓶頸，並且擴充套件相對自由，是分庫分表的標準解決方案。 

目標

儘量透明化分庫分表所帶來的影響，讓使用方儘量像使用一個數據庫一樣使用水平分片之後的資料庫叢集，是 Apache ShardingSphere 資料分片模組的主要設計目標。 

2.1.1.  核心概念

資料節點

資料分片的最小單元。由資料來源名稱和資料表組成，例如：ds_0.t_order_0。

分片鍵

用於分片的資料庫欄位，是將資料庫(表)水平拆分的關鍵欄位。例：將訂單表中的訂單主鍵的尾數取模分片，則訂單主鍵為分片欄位。

SQL 中如果無分片欄位，將執行全路由，效能較差。

除了對單分片欄位的支援，Apache ShardingSphere 也支援根據多個欄位進行分片。

分片演算法

通過分片演算法將資料分片，支援通過=、>=、<=、>、<、BETWEEN和IN分片。分片演算法需要應用方開發者自行實現，可實現的靈活度非常高。

分片策略

包含分片鍵和分片演算法，由於分片演算法的獨立性，將其獨立抽離。真正可用於分片操作的是分片鍵 + 分片演算法，也就是分片策略。目前提供 5 種分片策略。

行表示式 

使用表示式可以簡化配置，只需要在配置中使用 ${ expression } 或 $->{ expression } 標識行表示式即可 

${begin..end} 表示範圍區間

${[unit1, unit2, unit_x]} 表示列舉值

行表示式中如果出現連續多個 ${ expression } 或 $->{ expression } 表示式，整個表示式最終的結果將會根據每個子表示式的結果進行笛卡爾組合。

例如，${['online', 'offline']}_table${1..3} 最終會被解析為 online_table1, online_table2, online_table3, offline_table1, offline_table2, offline_table3

分散式主鍵

在分片規則配置模組可配置每個表的主鍵生成策略，預設使用雪花演算法（snowflake）生成 64bit 的長整型資料。

雪花演算法是由 Twitter 公佈的分散式主鍵生成演算法，它能夠保證不同程序主鍵的不重複性，以及相同程序主鍵的有序性。

實現原理

在同一個程序中，它首先是通過時間位保證不重複，如果時間相同則是通過序列位保證。同時由於時間位是單調遞增的，且各個伺服器如果大體做了時間同步，那麼生成的主鍵在分散式環境可以認為是總體有序的，這就保證了對索引欄位的插入的高效性。例如 MySQL 的 Innodb 儲存引擎的主鍵。

使用雪花演算法生成的主鍵，二進位制表示形式包含 4 部分，從高位到低位分表為：1bit 符號位、41bit 時間戳位、10bit 工作程序位以及 12bit 序列號位。

  • 符號位(1bit)

預留的符號位，恆為零。

  • 時間戳位(41bit)

41 位的時間戳可以容納的毫秒數是 2 的 41 次冪，一年所使用的毫秒數是：365 * 24 * 60 * 60 * 1000。通過計算可知：結果約等於 69.73 年。Apache ShardingSphere的雪花演算法的時間紀元從2016年11月1日零點開始，可以使用到2086年，相信能滿足絕大部分系統的要求。

  • 工作程序位(10bit)

該標誌在 Java 程序內是唯一的，如果是分散式應用部署應保證每個工作程序的 id 是不同的。該值預設為 0，可通過屬性設定。

  • 序列號位(12bit)

該序列是用來在同一個毫秒內生成不同的 ID。如果在這個毫秒內生成的數量超過 4096 (2的12次冪)，那麼生成器會等待到下個毫秒繼續生成。

雪花演算法主鍵的詳細結構見下圖：

2.1.2.  使用規範

下面列出已明確可支援的SQL種類以及已明確不支援的SQL種類，儘量讓使用者避免踩坑。 

支援項

路由至單資料節點

  • 100%全相容（目前僅MySQL，其他資料庫完善中） 

路由至多資料節點

  • 全面支援DML、DDL、DCL、TCL和部分DAL。支援分頁、去重、排序、分組、聚合、關聯查詢（不支援跨庫關聯）。 

不支援項

路由至多資料節點

  • 不支援CASE WHEN、HAVING、UNION (ALL)，有限支援子查詢。 

https://shardingsphere.apache.org/document/current/cn/features/sharding/use-norms/sql/ 

2.2.  讀寫分離

 

讀寫分離雖然可以提升系統的吞吐量和可用性，但同時也帶來了資料不一致的問題。 這包括多個主庫之間的資料一致性，以及主庫與從庫之間的資料一致性的問題。 並且，讀寫分離也帶來了與資料分片同樣的問題，它同樣會使得應用開發和運維人員對資料庫的操作和運維變得更加複雜。 下圖展現了將分庫分表與讀寫分離一同使用時，應用程式與資料庫叢集之間的複雜拓撲關係。

3.  示例：水平分庫分片

引入maven依賴

<dependency>
    <groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
    <artifactId>sharding-jdbc-core</artifactId>
    <version>${sharding-sphere.version}</version>
</dependency>

或者

<dependency>
    <groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
    <artifactId>sharding-jdbc-spring-boot-starter</artifactId>
    <version>${shardingsphere.version}</version>
</dependency>

話不多說，上pom.xml

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<project xmlns="http://maven.apache.org/POM/4.0.0" xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
         xsi:schemaLocation="http://maven.apache.org/POM/4.0.0 https://maven.apache.org/xsd/maven-4.0.0.xsd">
    <modelVersion>4.0.0</modelVersion>
    <parent>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-parent</artifactId>
        <version>2.3.1.RELEASE</version>
        <relativePath/> <!-- lookup parent from repository -->
    </parent>
    <groupId>com.cjs.example</groupId>
    <artifactId>sharding-jdbc-demo</artifactId>
    <version>0.0.1-SNAPSHOT</version>
    <name>sharding-jdbc-demo</name>

    <properties>
        <java.version>1.8</java.version>
    </properties>

    <dependencies>
        <!--<dependency>
            <groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
            <artifactId>sharding-jdbc-core</artifactId>
            <version>4.1.1</version>
        </dependency>-->
        <dependency>
            <groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
            <artifactId>sharding-jdbc-spring-boot-starter</artifactId>
            <version>4.1.1</version>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-data-jpa</artifactId>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
        </dependency>

        <dependency>
            <groupId>mysql</groupId>
            <artifactId>mysql-connector-java</artifactId>
            <scope>runtime</scope>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>com.alibaba</groupId>
            <artifactId>druid</artifactId>
            <version>1.1.22</version>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.projectlombok</groupId>
            <artifactId>lombok</artifactId>
            <optional>true</optional>
        </dependency>
        <dependency>
            <groupId>org.springframework.boot</groupId>
            <artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
            <scope>test</scope>
            <exclusions>
                <exclusion>
                    <groupId>org.junit.vintage</groupId>
                    <artifactId>junit-vintage-engine</artifactId>
                </exclusion>
            </exclusions>
        </dependency>
    </dependencies>

    <build>
        <plugins>
            <plugin>
                <groupId>org.springframework.boot</groupId>
                <artifactId>spring-boot-maven-plugin</artifactId>
            </plugin>
        </plugins>
    </build>

</project>

OrderEntiry.java

package com.cjs.example.sharding.entity;

import lombok.Data;

import javax.persistence.*;
import java.io.Serializable;

/**
 * @author ChengJianSheng
 * @date 2020-06-18
 */
@Data
@Entity
@Table(name = "t_order")
public class OrderEntity implements Serializable {

    @Id
    @Column(name = "order_id")
    @GeneratedValue(strategy = GenerationType.IDENTITY)
    private Long orderId;

    private Integer userId;

    private Integer status = 1;
}

OrderRepository.java

package com.cjs.example.sharding.repository;

import com.cjs.example.sharding.entity.OrderEntity;
import org.springframework.data.jpa.repository.JpaRepository;

/**
 * @author ChengJianSheng
 * @date 2020-06-18
 */
public interface OrderRepository extends JpaRepository<OrderEntity, Long> {
}

OrderService.java

package com.cjs.example.sharding.service;

import com.cjs.example.sharding.entity.OrderEntity;
import com.cjs.example.sharding.repository.OrderRepository;
import org.springframework.stereotype.Service;

import javax.annotation.Resource;

/**
 * @author ChengJianSheng
 * @date 2020-06-18
 */
@Service
public class OrderService {

    @Resource
    private OrderRepository orderRepository;

    public void save(OrderEntity entity) {
        orderRepository.save(entity);
    }

}

OrderController.java

package com.cjs.example.sharding.controller;

import com.cjs.example.sharding.entity.OrderEntity;
import com.cjs.example.sharding.service.OrderService;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.web.bind.annotation.GetMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;

/**
 * @author ChengJianSheng
 * @date 2020-06-18
 */
@RestController
@RequestMapping("/order")
public class OrderController {

    @Autowired
    private OrderService orderService;

    @GetMapping("/save")
    public String save(@RequestParam("userId") Integer userId) {
        OrderEntity entity = new OrderEntity();
        entity.setUserId(userId);
        orderService.save(entity);
        return "ok";
    }
}

啟動類

package com.cjs.example.sharding;

import org.springframework.boot.CommandLineRunner;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.transaction.jta.JtaAutoConfiguration;

import javax.annotation.Resource;
import javax.sql.DataSource;

/**
 * http://shardingsphere.apache.org/index.html
 * https://shardingsphere.apache.org/document/legacy/4.x/document/en/manual/sharding-jdbc/
 * http://shardingsphere.apache.org/index_zh.html
 */
@SpringBootApplication(exclude = JtaAutoConfiguration.class)
public class ShardingJdbcDemoApplication implements CommandLineRunner {

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(ShardingJdbcDemoApplication.class, args);
    }



    @Resource
    private DataSource dataSource;

    @Override
    public void run(String... args) throws Exception {
        System.out.println(dataSource);
    }
}

最最重要的是 application.properties

# https://shardingsphere.apache.org/document/legacy/4.x/document/en/manual/sharding-jdbc/

# 配置真實資料來源
spring.shardingsphere.datasource.names=ds0,ds1

# 配置第 1 個數據源
spring.shardingsphere.datasource.ds0.type=com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource
spring.shardingsphere.datasource.ds0.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.ds0.url=jdbc:mysql://localhost:3306/ds0
spring.shardingsphere.datasource.ds0.username=root
spring.shardingsphere.datasource.ds0.password=123456

# 配置第 2 個數據源
spring.shardingsphere.datasource.ds1.type=com.alibaba.druid.pool.DruidDataSource
spring.shardingsphere.datasource.ds1.driver-class-name=com.mysql.jdbc.Driver
spring.shardingsphere.datasource.ds1.url=jdbc:mysql://localhost:3306/ds1
spring.shardingsphere.datasource.ds1.username=root
spring.shardingsphere.datasource.ds1.password=123456

# 配置 t_order 表規則
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.actual-data-nodes=ds$->{0..1}.t_order_$->{0..1}
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.table-strategy.inline.sharding-column=order_id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.table-strategy.inline.algorithm-expression=t_order_$->{order_id % 2}
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.type=SNOWFLAKE
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.key-generator.column=order_id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.database-strategy.inline.sharding-column=user_id
spring.shardingsphere.sharding.tables.t_order.database-strategy.inline.algorithm-expression=ds$->{user_id % 2}

spring.shardingsphere.props.sql.show=true

工程結構

原始碼： https://github.com/chengjiansheng/sharding-jdbc-demo

通過訪問http://localhost:8080/order/save?userId=xxx想資料庫中插入資料，結果確實如預期的那樣

4.  寫在最後

配置入口類：

org.apache.shardingsphere.shardingjdbc.spring.boot.SpringBootConfiguration 

文件在這裡：

https://shardingsphere.apache.org/

https://shardingsphere.apache.org/document/legacy/4.x/document/en/manual/sharding-jdbc/

http://shardingsphere.apache.org/elasticjob/

寫在最最後：

雖然  ShardingSphere-JDBC (Sharding-JDBC)  提供了很多功能，但是最常用的還是分庫分表、讀寫分離，通常是一起用

https://shardingsphere.apache.org/document/legacy/4.x/document/en/manual/sharding-jdbc/configuration/config-spring-boot/

分庫分表以後，編寫SQL時有諸多限制，很多之前在單庫單表上的操作就不能用了，而且每次查詢必須帶上分片鍵，不然的話全表掃描

如果非要分表的話，不妨先考慮一下將資料存到ElasticSearch中，查詢直接走ES。或者先走ES，然後通過主鍵再去查MySQL。

總之一句話，慎重！

 

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