数据库架构解析【数据库拆分，读写分离】_读写库分离框架怎么看-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/User_kh/article/details/106665596

本文深入探讨了数据库的水平垂直拆分、读写分离的配置与代码实现，包括主从同步、延迟问题及解决方案，适用于高并发场景。

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数据库的水平垂直拆分

水平拆分

以某个字段为依据，按照一定规则（例如取模），将一个库（表）上的数据拆分到多个库（表）中，以降低单库（表）大小，达到提升性能的方法

特点
- 每个库（表）的结构都一样
- 每个库（表）的数据都不一样，没有交集；
- 所有库（表）的并集是全量数据；

垂直拆分

将一个属性较多，一行数据较大的表，将不同的属性拆分到不同的库（表）中，以降低单库（表）大小，达到提升性能的方法

特点
- 每个库（表）的结构都不一样；
- 每个库（表）的属性至少有一列交集，一般是主键；
- 所有库（表）的并集是全量数据；
垂直拆分的依据
- 将长度较短，访问频率较高的属性尽量放在一个表里，这个表暂且称为主表
- 将字段较长，访问频率较低的属性尽量放在一个表里，这个表暂且称为扩展表
- 经常一起访问的属性，也可以放在一个表里

读写分离

配置层面的实现

设置一个主服务器为写库，设置一个或者多个从服务器为读库，
读写一致性的保证
- 主服务器master记录数据库操作日志到Binary log，从服务器开启i/o线程将二进制日志记录的操作同步到ralay log（存在从服务器的缓存中），另外sql线程将ralay log日志记录的操作在从服务器执行

读写一致性的设置过程

打开主服务器的配置文件，在主服务器中开启Binary Log，在mysqld下面添加
```
server-id=1
log-bin=master-bin
log-bin-index=master-bin.index
```
重启mysql服务
```
service mysql restart
```

检查配置效果，进入主数据库并执行

Show master status
# 查找到file名，接下来会用到

配置从服务器的my.cnf

server-id=2 # 和主服务器的id区分
relay-log-index=slave-relay-bin.index
relay-log=slave-relay-bin

重启从服务器

设置两个服务器的关联

首先创建一个操作主从同步的数据库用户，切换到主数据库执行

# 这个配置的含义就是创建了一个数据库用户repl，密码是mysql, 在从服务器使用repl这个账号和主服务器连接的时候，就赋予其REPLICATION SLAVE的权限， *.* 表面这个权限是针对主库的所有表的，其中xxx就是从服务器的ip地址。
mysql> create user repl;
mysql> GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'repl'@'从xxx.xxx.xxx.xx' IDENTIFIED BY 'mysql';
mysql> flush privileges;

进入从服务器执行

# 这里面的xxx是主服务器ip，同时配置端口，repl代表访问主数据库的用户，上述步骤执行完毕后执行start slave启动配置：
mysql> change master to master_host='主xxx.xxx.xxx.xx',master_port=3306,master_user='repl',master_password='mysql',master_log_file='master-bin.000001',master_log_pos=0;

mysql> start slave;

这个时候就完成了主动同步的操作

代码层面实现

创建用户

在此之前，我们在项目中一般会使用一个数据库用户远程操作数据库（避免直接使用root用户），因此我们需要在主从数据库里面都创建一个用户mysqluser，赋予其增删改查的权限：
```
mysql> GRANT select,insert,update,delete ON *.* TO 'mysqluser'@'%' IDENTIFIED BY 'mysqlpassword' WITH GRANT OPTION;
```

编写jdbc.propreties

#mysql驱动
jdbc.driver=com.mysql.jdbc.Driver
#主数据库地址
jdbc.master.url=jdbc:mysql://xxx.xxx.xxx.xx:3306/testsplit?useUnicode=true&characterEncoding=utf8
#从数据库地址
jdbc.slave.url=jdbc:mysql://xxx.xxx.xxx.xx:3306/testsplit?useUnicode=true&characterEncoding=utf8
#数据库账号
jdbc.username=mysqluser
jdbc.password=mysqlpassword

配置数据源

在spring-dao.xml中配置数据源

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<beans xmlns="http://www.springframework.org/schema/beans"
    xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance" xmlns:context="http://www.springframework.org/schema/context"
    xsi:schemaLocation="http://www.springframework.org/schema/beans
    http://www.springframework.org/schema/beans/spring-beans.xsd">
    <!-- 配置整合mybatis过程 -->
    <!-- 1.配置数据库相关参数properties的属性：${url} -->
    <context:property-placeholder location="classpath:jdbc.properties" />
    <!-- 扫描dao包下所有使用注解的类型 -->
    <context:component-scan base-package="c n.xzchain.testsplit.dao" />
    <!-- 2.数据库连接池 -->
    <bean id="abstractDataSource" abstract="true" class="com.mchange.v2.c3p0.ComboPooledDataSource"
    destroy-method="close">
        <!-- c3p0连接池的私有属性 -->
        <property name="maxPoolSize" value="30" />
        <property name="minPoolSize" value="10" />
        <!-- 关闭连接后不自动commit -->
        <property name="autoCommitOnClose" value="false" />
        <!-- 获取连接超时时间 -->
        <property name="checkoutTimeout" value="10000" />
        <!-- 当获取连接失败重试次数 -->
        <property name="acquireRetryAttempts" value="2" />
    </bean>
    <!--主库配置-->
    <bean id="master" parent="abstractDataSource">
        <!-- 配置连接池属性 -->
        <property name="driverClass" value="${jdbc.driver}" />
        <property name="jdbcUrl" value="${jdbc.master.url}" />
        <property name="user" value="${jdbc.username}" />
        <property name="password" value="${jdbc.password}" />
    </bean>
    <!--从库配置-->
    <bean id="slave" parent="abstractDataSource">
        <!-- 配置连接池属性 -->
        <property name="driverClass" value="${jdbc.driver}" />
        <property name="jdbcUrl" value="${jdbc.slave.url}" />
        <property name="user" value="${jdbc.username}" />
        <property name="password" value="${jdbc.password}" />
    </bean>
    <!--配置动态数据源，这里的targetDataSource就是路由数据源所对应的名称-->
    <bean id="dataSourceSelector" class="cn.xzchain.testsplit.dao.split.DataSourceSelector">
        <property name="targetDataSources">
            <map>
                <entry value-ref="master" key="master"></entry>
                <entry value-ref="slave" key="slave"></entry>
            </map>
        </property>
    </bean>
    <!--配置数据源懒加载-->
    <bean id="dataSource" class="org.springframework.jdbc.datasource.LazyConnectionDataSourceProxy">
        <property name="targetDataSource">
            <ref bean="dataSourceSelector"></ref>
        </property>
    </bean>

    <!-- 3.配置SqlSessionFactory对象 -->
    <bean id="sqlSessionFactory" class="org.mybatis.spring.SqlSessionFactoryBean">
        <!-- 注入数据库连接池 -->
        <property name="dataSource" ref="dataSource" />
        <!-- 配置MyBaties全局配置文件:mybatis-config.xml -->
        <property name="configLocation" value="classpath:mybatis-config.xml" />
        <!-- 扫描entity包 使用别名 -->
        <property name="typeAliasesPackage" value="cn.xzchain.testsplit.entity" />
        <!-- 扫描sql配置文件:mapper需要的xml文件 -->
        <property name="mapperLocations" value="classpath:mapper/*.xml" />
    </bean>

    <!-- 4.配置扫描Dao接口包，动态实现Dao接口，注入到spring容器中 -->
    <bean class="org.mybatis.spring.mapper.MapperScannerConfigurer">
        <!-- 注入sqlSessionFactory -->
        <property name="sqlSessionFactoryBeanName" value="sqlSessionFactory" />
        <!-- 给出需要扫描Dao接口包 -->
        <property name="basePackage" value="cn.xzchain.testsplit.dao" />
    </bean>
</beans>

首先读取配置文件jdbc.properties，然后在我们定义了一个基于c3p0连接池的父类“抽象”数据源，然后配置了两个具体的数据源master、slave，继承了abstractDataSource，这里面就配置了数据库连接的具体属性，然后我们配置了动态数据源，他将决定使用哪个具体的数据源，**这里面的关键就是DataSourceSelector，接下来我们会实现这个bean。**下一步设置了数据源的懒加载，保证在数据源加载的时候其他依赖的bean已经加载好了。接着就是常规的配置了，我们的mybatis全局配置文件如下

配置mybatis全局配置文件

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" ?>
<!DOCTYPE configuration
  PUBLIC "-//mybatis.org//DTD Config 3.0//EN"
  "http://mybatis.org/dtd/mybatis-3-config.dtd">
<configuration>
    <!-- 配置全局属性 -->
    <settings>
        <!-- 使用jdbc的getGeneratedKeys获取数据库自增主键值 -->
        <setting name="useGeneratedKeys" value="true" />

        <!-- 使用列别名替换列名 默认:true -->
        <setting name="useColumnLabel" value="true" />

        <!-- 开启驼峰命名转换:Table{create_time} -> Entity{createTime} -->
        <setting name="mapUnderscoreToCamelCase" value="true" />
        <!-- 打印查询语句 -->
        <setting name="logImpl" value="STDOUT_LOGGING" />
    </settings>
    <plugins>
        <!-- 拦截器文件，用来判定是读取操作还是写操作，决定走哪个库 -->
        <plugin interceptor="cn.xzchain.testsplit.dao.split.DateSourceSelectInterceptor"></plugin>
    </plugins>
</configuration>

这里面的关键就是DateSourceSelectInterceptor这个拦截器，它会拦截所有的数据库操作，然后分析sql语句判断是“读”操作还是“写”操作，我们接下来就来实现上述的DataSourceSelector和DateSourceSelectInterceptor

编写DataSourceSelector

DataSourceSelector就是我们在spring-dao.xml配置的，用于动态配置数据源。

import org.springframework.jdbc.datasource.lookup.AbstractRoutingDataSource;

/**
 * @author lihang
 * @date 2017/12/6.
 * @description 继承了AbstractRoutingDataSource，动态选择数据源
 */
public class DataSourceSelector extends AbstractRoutingDataSource {

    @Override
    protected Object determineCurrentLookupKey() {
        return DynamicDataSourceHolder.getDataSourceType();
    }
}

我们只要继承AbstractRoutingDataSource并且重写determineCurrentLookupKey()方法就可以动态配置我们的数据源。
编写DynamicDataSourceHolder，代码如下：

/**
 * @author lihang
 * @date 2017/12/6.
 * @description
 */
public class DynamicDataSourceHolder {

    /**用来存取key，ThreadLocal保证了线程安全*/
    private static ThreadLocal<String> contextHolder = new ThreadLocal<String>();
    /**主库*/
    public static final String DB_MASTER = "master";
    /**从库*/
    public static final String DB_SLAVE = "slave";

    /**
     * 获取线程的数据源
     * @return
     */
    public static String getDataSourceType() {
        String db = contextHolder.get();
        if (db == null){
            //如果db为空则默认使用主库（因为主库支持读和写）
            db = DB_MASTER;
        }
        return db;
    }

    /**
     * 设置线程的数据源
     * @param s
     */
    public static void setDataSourceType(String s) {
        contextHolder.set(s);
    }

    /**
     * 清理连接类型
     */
    public static void clearDataSource(){
        contextHolder.remove();
    }
}

这个类决定返回的数据源是master还是slave，这个类的初始化我们就需要借助DateSourceSelectInterceptor了，我们拦截所有的数据库操作请求，通过分析sql语句来判断是读还是写操作，读操作就给DynamicDataSourceHolder设置slave源，写操作就给其设置master源，代码如下：

import org.apache.ibatis.executor.Executor;
import org.apache.ibatis.executor.keygen.SelectKeyGenerator;
import org.apache.ibatis.mapping.BoundSql;
import org.apache.ibatis.mapping.MappedStatement;
import org.apache.ibatis.mapping.SqlCommandType;
import org.apache.ibatis.plugin.*;
import org.apache.ibatis.session.ResultHandler;
import org.apache.ibatis.session.RowBounds;
import org.springframework.transaction.support.TransactionSynchronizationManager;

import java.util.Locale;
import java.util.Properties;

/**
 * @author lihang
 * @date 2017/12/6.
 * @description 拦截数据库操作，根据sql判断是读还是写，选择不同的数据源
 */
@Intercepts({@Signature(type = Executor.class,method = "update",args = {MappedStatement.class,Object.class}),
@Signature(type = Executor.class,method = "query",args = {MappedStatement.class,Object.class, RowBounds.class, ResultHandler.class})})
public class DateSourceSelectInterceptor implements Interceptor{

    /**正则匹配 insert、delete、update操作*/
    private static final String REGEX = ".*insert\\\\u0020.*|.*delete\\\\u0020.*|.*update\\\\u0020.*";

    @Override
    public Object intercept(Invocation invocation) throws Throwable {
        //判断当前操作是否有事务
        boolean synchonizationActive = TransactionSynchronizationManager.isSynchronizationActive();
        //获取执行参数
        Object[] objects = invocation.getArgs();
        MappedStatement ms = (MappedStatement) objects[0];
        //默认设置使用主库
        String lookupKey = DynamicDataSourceHolder.DB_MASTER;;
        if (!synchonizationActive){
            //读方法
            if (ms.getSqlCommandType().equals(SqlCommandType.SELECT)){
                //selectKey为自增主键（SELECT LAST_INSERT_ID()）方法,使用主库
                if (ms.getId().contains(SelectKeyGenerator.SELECT_KEY_SUFFIX)){
                    lookupKey = DynamicDataSourceHolder.DB_MASTER;
                }else {
                    BoundSql boundSql = ms.getSqlSource().getBoundSql(objects[1]);
                    String sql = boundSql.getSql().toLowerCase(Locale.CHINA).replace("[\\t\\n\\r]"," ");
                    //如果是insert、delete、update操作 使用主库
                    if (sql.matches(REGEX)){
                        lookupKey = DynamicDataSourceHolder.DB_MASTER;
                    }else {
                        //使用从库
                        lookupKey = DynamicDataSourceHolder.DB_SLAVE;
                    }
                }
            }
        }else {
            //一般使用事务的都是写操作，直接使用主库
            lookupKey = DynamicDataSourceHolder.DB_MASTER;
        }
        //设置数据源
        DynamicDataSourceHolder.setDataSourceType(lookupKey);
        return invocation.proceed();
    }

    @Override
    public Object plugin(Object target) {
        if (target instanceof Executor){
            //如果是Executor（执行增删改查操作），则拦截下来
            return Plugin.wrap(target,this);
        }else {
            return target;
        }
    }

    @Override
    public void setProperties(Properties properties) {

    }
}

总结

最后整理一下整个流程：
1.项目启动后，在依赖的bean加载完成后，我们的数据源通过LazyConnectionDataSourceProxy开始加载，他会引用dataSourceSelector加载数据源。
2.DataSourceSelector会选择一个数据源，我们在代码里设置了默认数据源为master，在初始化的时候我们就默认使用master源。
3.在数据库操作执行时，DateSourceSelectInterceptor拦截器拦截了请求，通过分析sql决定使用哪个数据源，“读操作”使用slave源，“写操作”使用master源。

读写分离带来的延迟问题

主从延迟的根本原因是什么

主从延迟的时间：Master成功执行，到Slave执行成功的时间差

上述过程：
- 主从延迟：步骤二开始到步骤七执行数据时间
- 步骤二：存储引擎处理，时间极短
- 步骤三：文件更新通知，磁盘读取延迟
- 步骤四：Bin Log文件更新的传输延迟，单线程
- 步骤五：磁盘写入延迟
- 步骤六：文件更新通知，磁盘读取延迟
- 步骤七：sql执行时间时长
通过上述分析，MySQL主从复制是典型的生产者-消费者模型，整体耗时：分为几类：
- 磁盘的读写耗时：步骤三，步骤五，步骤六
- 网络传输耗时：步骤四
- SQL执行耗时：步骤七(在Slave上执行relay log过程)
- 排队耗时：步骤三（在Master上bin log 中排队，生产者-消费者）
主从延迟的解决办法—探针思想
- 在Master上增加一个自增表，这个表仅有一个字段，当Master接收到任何数据更新的请求时，均会触发这个触发器，该触发器更新自增表的记录
- 由于Count_Table也参与MySQL的主从同步，因此在Master上做的update更新也会同步到Slave中。当Clientt通过Proxy进行数据读取时，Proxy可以先向Master和Slave的Count_Table表发送查询请求，当二者的数据相同时，proxy可以认定Master和Slave的数据状态是一致的，然后把请求打在Slave服务器上，否则就发送到Master中。