ShardingSphere核心技术解析

📕我是廖志伟,一名Java开发工程师、《Java项目实战——深入理解大型互联网企业通用技术》(基础篇)、(进阶篇)、(架构篇)清华大学出版社签约作家、Java领域优质创作者、优快云博客专家、阿里云专家博主、51CTO专家博主、产品软文专业写手、技术文章评审老师、技术类问卷调查设计师、幕后大佬社区创始人、开源项目贡献者。

📘拥有多年一线研发和团队管理经验,研究过主流框架的底层源码(Spring、SpringBoot、SpringMVC、SpringCloud、Mybatis、Dubbo、Zookeeper),消息中间件底层架构原理(RabbitMQ、RocketMQ、Kafka)、Redis缓存、MySQL关系型数据库、 ElasticSearch全文搜索、MongoDB非关系型数据库、Apache ShardingSphere分库分表读写分离、设计模式、领域驱动DDD、Kubernetes容器编排等。不定期分享高并发、高可用、高性能、微服务、分布式、海量数据、性能调优、云原生、项目管理、产品思维、技术选型、架构设计、求职面试、副业思维、个人成长等内容。

Java程序员廖志伟

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一、核心分片机制

在分布式数据库领域,ShardingSphere 通过核心分片机制实现了数据水平切分,这种机制对于提高数据库的扩展性和性能至关重要。以下是ShardingSphere核心分片机制的技术实现细节:

分片策略

  1. 精确分片算法:基于键值精确分配数据,例如按ID范围分片。实现细节包括使用哈希算法将键值映射到分片ID,通过分片ID确定数据存储的数据库实例。

  2. 范围分片算法:基于键值的范围分配数据,如按时间范围分片。技术实现上,使用有序的数据集和范围查询,将数据划分到对应的分片。

  3. 复合分片算法:结合多个分片策略,如基于ID范围和用户类型进行分片。技术实现上,先根据一个分片策略确定分片,再根据另一个策略在该分片内进一步划分。

强制路由策略

强制路由策略通过在应用层直接指定数据写入哪个分片,实现数据的一致性。技术实现上,通过路由策略解析器解析路由规则,将请求路由到指定的分片。

分布式事务

ShardingSphere 支持分布式事务,确保跨分片操作的一致性。以下是几种分布式事务的实现方式的技术细节:

  1. XA事务实现:通过两阶段提交协议,确保事务在所有分片上的一致性。技术实现上,使用全局事务ID和事务日志,协调各个分片的事务状态。

  2. Sega事务模型:基于Seata框架,提供更加灵活的事务管理方式。技术实现上,通过事务协调器协调各个分片的事务,支持本地事务和全局事务。

  3. 柔性事务补偿:在无法保证强一致性时,通过补偿机制恢复数据状态。技术实现上,定义一系列补偿操作,当事务失败时执行补偿操作以恢复数据。

二、读写分离体系

ShardingSphere 提供了一套完善的读写分离体系,以提升数据库性能。

负载均衡

  1. 权重分配策略:根据从库的负载情况,动态调整读请求的分配权重。技术实现上,使用轮询、最少连接等策略,结合权重调整,实现负载均衡。

  2. 故障自动剔除:当从库发生故障时,自动将其从负载均衡策略中剔除。技术实现上,通过心跳机制检测从库状态,当从库故障时,从负载均衡策略中移除。

  3. 连接池管理:管理连接池,优化连接的创建和销毁过程。技术实现上,使用连接池技术,如HikariCP,提高连接创建和销毁的效率。

数据一致性

  1. 主从延迟检测:检测主从库之间的数据延迟,当延迟超过阈值时,采取相应措施。技术实现上,通过定时任务比较主从库的数据,检测数据延迟。

  2. 强制主库路由:在特定情况下,强制所有读请求都路由到主库,确保数据一致性。技术实现上,通过路由策略解析器解析强制主库路由规则,将请求路由到主库。

读写分离+分片组合

ShardingSphere 支持读写分离与分片机制的组合,实现更加灵活的数据库扩展和性能优化。技术实现上,通过分片策略和路由策略的组合,实现数据的分片和读写分离。

三、分布式治理

ShardingSphere 提供了一套分布式治理方案,包括弹性伸缩、集群管控和数据迁移等。

弹性伸缩

  1. 在线分片变更:在不影响业务的情况下,动态增加或减少分片。技术实现上,通过分片管理器管理分片,支持在线增加或减少分片。

  2. 数据再平衡:当分片数量发生变化时,自动调整数据分布,确保负载均衡。技术实现上,通过数据迁移工具,将数据从旧分片迁移到新分片。

资源隔离策略

  1. 配置中心集成:集中管理分片配置,确保配置的一致性。技术实现上,使用配置中心,如Consul或Zookeeper,存储和管理分片配置。

  2. 分布式锁实现:在分片操作过程中,使用分布式锁确保数据的一致性。技术实现上,使用分布式锁框架,如Redisson,实现分布式锁。

  3. 节点状态探活:定期检测节点状态,确保集群的健康运行。技术实现上,通过心跳机制检测节点状态,当节点故障时,从集群中移除。

四、数据迁移方案

ShardingSphere 提供了一套完整的数据迁移方案,包括全量迁移和增量同步。

全量迁移

  1. 一致性校验:在迁移过程中,确保源库和目标库的数据一致性。技术实现上,通过比较源库和目标库的数据,验证数据一致性。

  2. 断点续传:在迁移过程中,如果发生中断,可以从中断点继续迁移。技术实现上,记录迁移进度,当迁移中断时,从记录的断点继续迁移。

  3. 存量数据切割:将存量数据切割成多个部分,分别进行迁移。技术实现上,使用数据切割工具,将数据切割成多个部分,分别进行迁移。

增量同步

  1. Binlog解析:解析源库的 Binlog,获取新数据并同步到目标库。技术实现上,使用Binlog解析工具,如canal,解析Binlog并同步到目标库。

  2. 双写一致性:在源库和目标库之间实现双写,确保数据的一致性。技术实现上,通过数据同步工具,实现源库和目标库的双写。

  3. 灰度切换验证:在正式切换之前,进行灰度测试,确保迁移过程的安全性。技术实现上,通过灰度发布技术,逐步切换数据源,验证迁移过程的安全性。

五、生态扩展组件

ShardingSphere 提供了一系列生态扩展组件,以增强其功能和易用性。

ShardingSphere-Proxy

  1. 协议适配层:支持多种数据库协议,如 MySQL、PostgreSQL 等。技术实现上,使用协议解析器解析不同数据库协议的请求,转发到对应的数据库实例。

  2. 流量治理:对数据库流量进行治理,优化数据库性能。技术实现上,使用流量控制机制,如限流、熔断等,优化数据库流量。

  3. 多租户支持:支持多租户模式,满足不同业务场景的需求。技术实现上,通过租户标识,区分不同租户的请求,实现多租户支持。

ShardingSphere-JDBC

  1. 连接模式优化:优化连接创建和销毁过程,提高性能。技术实现上,使用连接池技术,如HikariCP,优化连接的创建和销毁。

  2. 多数据源聚合:支持连接多个数据源,实现数据源聚合。技术实现上,通过数据源管理器,管理多个数据源,实现数据源聚合。

  3. Hint管理器:提供Hint功能,允许用户手动控制分片策略。技术实现上,通过Hint解析器解析Hint信息,控制分片策略。

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