數據庫軟件架構，到底要設計些什么？

作者：58沈劍 2019-07-30 05:15:29

開發開發工具 MySQL

分片解決“數據量太大”這一問題，也就是通常說的“水平切分”。一旦引入分片，勢必面臨“數據路由”的新問題，數據到底要訪問哪個庫。

一、基本概念

概念一：單庫

概念二：分片

分片解決“數據量太大”這一問題，也就是通常說的“水平切分”。

一旦引入分片，勢必面臨“數據路由”的新問題，數據到底要訪問哪個庫。路由規則通常有3種方法：

(1)范圍：range

優點：簡單，容易擴展。
缺點：各庫壓力不均(新號段更活躍)。

(2)哈希：hash

優點：簡單，數據均衡，負載均勻。
缺點：遷移麻煩(2庫擴3庫數據要遷移)。

(3)統一路由服務：router-config-server

優點：靈活性強，業務與路由算法解耦。
缺點：每次訪問數據庫前多一次查詢。

大部分互聯網公司采用的方案二：哈希路由。

概念三：分組

分組解決“可用性，性能提升”這一問題，分組通常通過主從復制的方式實現。

互聯網公司數據庫實際軟件架構是“既分片，又分組”：

數據庫軟件架構，究竟設計些什么呢，至少要考慮以下四點：

如何保證數據可用性
如何提高數據庫讀性能(大部分應用讀多寫少，讀會先成為瓶頸)
如何保證一致性
如何提高擴展性

二、如何保證數據的可用性?

解決可用性問題的思路是：冗余。

如何保證站點的可用性?冗余站點。
如何保證服務的可用性?冗余服務。
如何保證數據的可用性?冗余數據。

數據的冗余，會帶來一個副作用：一致性問題。

1. 如何保證數據庫“讀”高可用?

冗余讀庫。

2. 冗余讀庫帶來什么副作用?

讀寫有延時，數據可能不一致。

上圖是很多互聯網公司mysql的架構，寫仍然是單點，不能保證寫高可用。

3. 如何保證數據庫“寫”高可用?

冗余寫庫。

采用雙主互備的方式，可以冗余寫庫。

4. 冗余寫庫帶來什么副作用?

雙寫同步，數據可能沖突(例如“自增id”同步沖突)。

如何解決同步沖突，有兩種常見解決方案：

兩個寫庫使用不同的初始值，相同的步長來增加id：1寫庫的id為0,2,4,6...;2寫庫的id為1,3,5,7…;
不使用數據的id，業務層自己生成唯一的id，保證數據不沖突;

阿里云的RDS服務號稱寫高可用，是如何實現的呢?

他們采用的就是類似于“雙主同步”的方式(不再有從庫了)。

仍是雙主，但只有一個主提供讀寫服務，另一個主是“shadow-master”，只用來保證高可用，平時不提供服務。

master掛了，shadow-master頂上，虛IP漂移，對業務層透明，不需要人工介入。

這種方式的好處：

讀寫沒有延時，無一致性問題;
讀寫高可用;

不足是：

不能通過加從庫的方式擴展讀性能;
資源利用率為50%，一臺冗余主沒有提供服務;

畫外音：所以，高可用RDS還挺貴的。

三、如何擴展讀性能?

提高讀性能的方式大致有三種，第一種是增加索引。

這種方式不展開，要提到的一點是，不同的庫可以建立不同的索引。

如上圖：

寫庫不建立索引;
線上讀庫建立線上訪問索引，例如uid;
線下讀庫建立線下訪問索引，例如time;

第二種擴充讀性能的方式是，增加從庫。

這種方法大家用的比較多，存在兩個缺點：

從庫越多，同步越慢;
同步越慢，數據不一致窗口越大;

第三種增加系統讀性能的方式是，增加緩存。

常見的緩存架構如下：

上游是業務應用;
下游是主庫，從庫(讀寫分離)，緩存;

如果系統架構實施了服務化：

上游是業務應用;
中間是服務;
下游是主庫，從庫，緩存;

業務層不直接面向db和cache，服務層屏蔽了底層db、cache的復雜性。

不管采用主從的方式擴展讀性能，還是緩存的方式擴展讀性能，數據都要復制多份(主+從，db+cache)，一定會引發一致性問題。

四、如何保證一致性?

主從數據庫的一致性，通常有兩種解決方案：

1. 中間件

如果某一個key有寫操作，在不一致時間窗口內，中間件會將這個key的讀操作也路由到主庫上。

2. 強制讀主

“雙主高可用”的架構，主從一致性的問題能夠大大緩解。

第二類不一致，是db與緩存間的不一致。

另外建議，所有允許cache miss的業務場景，緩存中的KEY都設置一個超時時間，這樣即使出現不一致，有機會得到自修復。

五、如何保障數據庫的擴展性?