19、SQL数据库高性能设计与Federations技术详解

最新推荐文章于 2025-10-03 10:02:46 发布

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#SQL数据库 # 高性能设计 # Federations技术

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SQL数据库高性能设计与Federations技术详解

1. 高性能设计相关要点

在数据库设计中，为了实现高性能，有多个方面需要考虑。

1.1 部分分片的使用

构建分片并非是全有或全无的方式，可以为一组表轻松创建部分分片。是否需要构建理解分片的逻辑，取决于代码结构和需要访问的表。分片逻辑最好构建在数据访问层（DAL），这样可以将表的物理组织与业务对象的组织分离。例如，设计一个直接使用业务对象的应用程序，这些业务对象又会使用命令对象，命令对象通过调用执行对象将数据加载到内存结构中。

1.2 事务一致性管理

由于SQL数据库不支持分布式事务，SQL数据库的分片库不提供事务一致性。不过，可以通过更改 ExecuteShardNonQuery 和 ExecuteParallelRoundRobinLoad 方法为分片库添加事务能力。具体操作步骤如下：
1. 为所有连接对象添加一个单独的事务上下文。
2. 在最后一次执行结束时，在循环中提交这些事务。
3. 如果发生任何异常，必须回滚所有更改。

1.3 外键约束管理

在分片数据库中，维护引用完整性是一个挑战，主要涉及数据复制和标识值两个方面：
- 数据复制 ：为了维护关系完整性，父表需要在每个数据库中复制。例如，包含州列表的表可能需要在所有数据库中复制。可以选择将父表视为开销并在数据库之间复制，以保持强引用完整性（RI）；或者也可以对父表进行分片，但这样就无法在数据库中强制实施RI，但可以在代码中通过向 DataTable 对象添加RI约束来实现。示例代码如下：

SqlCommand cmd1 = new SqlCommand("SELECT * FROM Authors");
SqlCommand cmd2 = new SqlCommand("SELECT * FROM Docs");
DataTable authors = ExecuteShardQuery(cmd1);
DataTable docs = ExecuteShardQuery(cmd2);
DataRelation dr = new DataRelation("RI",
    authors.Columns["authorId"],
    docs.Columns["authorId"]);
docs.ParentRelations.Add(dr);

标识值 ：在一个数据库中添加记录很难在其他数据库中复制，因此使用标识值作为主键可能会有困难。解决方法是创建不依赖于标识值，而是依赖于代码的RI规则。例如，在存储州的表中创建一个 StateCode 列，并将该列用作主键和RI规则。

1.4 多租户系统设计

设计多租户系统时，需要考虑以下几点：
- 服务账户 ：为每个客户使用服务账户，确保连接字符串使用服务账户，服务账户只有系统知道，每个客户有自己的服务账户。
- 登录数据库 ：创建一个中央数据库，包含每个客户应使用的连接字符串，也可以将客户连接字符串存储在配置文件中，但存储在数据库中更便于维护。
- 客户ID ：为每个客户创建一个客户ID，并将其存储在内存中（通常在会话状态中），以便系统根据客户ID检索连接字符串。

多租户系统的工作流程如下：
1. 数据库请求发出时，系统从本地缓存中获取客户ID。
2. 使用客户ID从登录数据库中检索客户连接字符串。
3. 将客户的连接字符串保存在内部缓存中，以备将来请求使用。
4. 系统连接到数据库。
5. 由于服务账户的默认架构指向客户架构，系统会自动针对正确的架构发出T-SQL命令。
6. 系统返回客户数据并关闭连接。

需要注意的是，多租户系统可能会出现连接池碎片化问题，尤其是在大型系统中。可以使用SQL数据库联合（Federations）来避免这个问题。对客户架构进行维护操作时，需要防止客户连接，例如将客户迁移到另一个数据库的步骤如下：
1. 将客户置于维护模式，避免数据更改。
2. 创建客户架构的备份副本，可以使用免费的Enzo备份工具（http://www.bluesyntax.net/），或者使用 CREATE DATABASE ... AS COPY OF ... 创建数据库的完整副本，但需要删除不应该迁移到新数据库的其他客户的架构容器。
3. 如果使用工具备份了架构，将架构容器恢复到新数据库。
4. 更改登录数据库中的连接字符串，使其指向新数据库。

1.5 垂直分区分片（VPS）

VPS将应用程序数据库架构存储在多个数据库中，没有一个数据库包含完整的架构。例如，一个简单的应用程序数据库由 Users 和 Sales 两个表组成，可以设计一个VPS，将 Users 表放在一个数据库中， Sales 表放在另一个数据库中。这样可以轻松隔离某些任务的处理能力需求，而不会影响其他数据库。也可以通过将一个表拆分为多个数据库来构建VPS，例如将 Sales 表中的常见字段存储在一个数据库中，包含文档的字段存储在另一个数据库中。不过，VPS也带来了一些挑战，如保持数据库之间的强RI和确保事务一致性。

1.6 Hadoop for Windows Azure

Microsoft正在引入Hadoop for Windows Azure，这是一个大数据计划，在Azure云上提供Apache Hadoop框架。Hadoop是一种分布式计算模型，可以将处理需求可靠地扩展到大量机器，适用于结构化和非结构化数据。目前，Hadoop for Windows Azure仅通过邀请提供，信息有限。

2. Federations技术介绍

Federations是SQL数据库用于解决可扩展性问题的技术，它允许数据库根据大小或性能瓶颈进行扩展。

2.1 与其他扩展模型对比

在数据库世界中，有多种扩展模型，基于数据域的概念进行架构设计，常见的扩展模型如下表所示：
| 扩展模型 | 描述 | 优点 | 缺点 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 纵向扩展（Scale Up） | 在同一服务器上添加更多内存、CPU或磁盘 | 无需大量代码更改 | 达到一定程度后，增加资源不会带来更好的性能，存在收益递减规律 |
| 线性分片（Linear Shard） | 将每个数据域实例拆分为自己的数据库 | 查询无需过滤数据域 | 管理员需要管理大量数据库，增加运营成本 |
| 压缩分片（Compressed Shard） | 通过数据库中的架构容器隔离数据域实例 | 减少物理数据库数量，降低运营成本 | - |
| 联合（Federation） | 一种分片压缩形式，数据最初存储在单个数据库中，管理员可以将数据拆分为多个数据库 | 允许管理员根据实际使用模式实现不同程度的压缩，实现最佳成本效益，更灵活，可以实现多个数据域 | - |

2.2 使用Federations的原因

Federations主要解决两个常见问题：
- 存储空间 ：SQL数据库的大小限制为150GB，当数据库增长超过这个限制时，可以使用Federations将表拆分到多个数据库中，获得更大的存储容量。例如，一个包含数亿条记录的 PurchaseHistory 表，可以将其联合到多个服务器上。
- 性能：当应用程序的用户数量增加时，数据库工作负载通常会增加，可能导致应用程序变慢甚至受到SQL数据库的限制。Federations可以将某些请求分配到多个数据库中，每个数据库有自己的CPU、内存、I/O和TempDB分配，从而提高性能。

2.3 Federations术语

联合根（Federation Root） ：所有联合都从该SQL数据库实例创建，是最初创建的数据库，包含不需要联合的表。
联合（Federation） ：一组共享公共数据子集（数据域）的表的逻辑组，在联合根中创建。
联合成员（Federation Member） ：物理数据库，保存联合的全部或部分记录，一个联合有一个或多个联合成员。
联合键（Federation Key） ：用于对数据进行分区的数据域，例如客户ID。每个联合有一个联合键，每个联合成员保存键的一组值。联合键只能是 int 、 bigint 、 uniqueidentifier 或 varbinary(n) 。
原子单元（Atomic Unit） ：代表一个数据域实例（联合键的值），例如，如果联合键是 customerId ，则每个客户ID的一组记录就是一个原子单元。
参考表（Reference Table） ：联合中不进行联合的表，存储在联合成员中，但需要开发人员确保这些表在联合成员之间保持同步。

2.4 创建第一个联合的步骤

以下是创建第一个联合的详细步骤：
1. 创建数据库 ：使用常规的 CREATE DATABASE 语句从SQL数据库的主数据库创建一个数据库，示例代码如下：

-- Create a 1GB database. This will become our root database shortly.
-- Make sure you connect to master before running this statement.
CREATE DATABASE EnzoLog2

创建联合 ：连接到新数据库，运行 CREATE FEDERATION 语句创建联合。例如，创建一个名为 PurchaseHistory 的联合，使用 purchaseId 作为分区键：

-- Connect to your new database before running this statement
CREATE FEDERATION PurchaseHistory (purchaseId BigInt RANGE)

需要注意的是，创建每个新的联合成员都会产生费用。
3. 构建联合架构 ：连接到第一个联合成员，创建表、存储过程等对象。例如，创建一个 Purchases 表：

-- Connect to the federation member
-- FILTERING=OFF means that we are working with all the atomic units in
-- this federation member
USE FEDERATION PurchaseHistory (purchaseId = 0) WITH FILTERING=OFF, RESET

-- Create a federated table on the purchaseId federation key
CREATE TABLE Purchases (
  pid bigint NOT NULL primary key, -- unique identifier for this record
  amount decimal(10, 2) NOT NULL,  -- the amount of the purchase
  storeId int NOT NULL             -- the store where the purchase was made
  )
  FEDERATED ON (purchaseId = pid)

创建其他对象 ：创建参考表和存储过程，并添加外键约束，示例代码如下：

-- Create a reference table called StoreLocations
CREATE TABLE StoreLocations (
  storeId int NOT NULL primary key,
  storeName nvarchar(20) NOT NULL,
  zipCode nvarchar(10) NOT NULL
  )

-- Create a stored procedure that returns purchases made in a zip code
CREATE PROC GetPurchasesByZipCode(@zipCode nvarchar(10))
AS
SELECT * FROM Purchases P JOIN StoreLocations S
  ON P.storeId = S.storeId
WHERE S.zipCode = @zipCode

-- Let's add the foreign key now.
ALTER TABLE Purchases
  ADD CONSTRAINT fk_storeId
  FOREIGN KEY (storeId) REFERENCES StoreLocations (storeId)

插入数据 ：向表中插入一些记录：

INSERT INTO StoreLocations VALUES (1, 'Boca Raton', '33498' )
INSERT INTO StoreLocations VALUES (2, 'Orlando', '32801' )

INSERT INTO Purchases VALUES (100, 25.0, 1)
INSERT INTO Purchases VALUES (200, 75.0, 2)
INSERT INTO Purchases VALUES (300, 50.0, 1)
INSERT INTO Purchases VALUES (500, 100.0, 2)
INSERT INTO Purchases VALUES (600, 12.0, 1)

拆分联合 ：连接到根数据库，使用 ALTER FEDERATION 语句拆分联合：

-- Connect to the root database
USE FEDERATION ROOT WITH RESET

-- Alter the federation to issue the split command
ALTER FEDERATION PurchaseHistory SPLIT AT (purchaseId = 500)

拆分操作是异步的在线操作，完成后联合将包含两个联合成员，并且事务一致。可以通过查询 sys.dm_federation_operations 视图来获取操作状态。

以下是Federations创建和拆分的mermaid流程图：

graph LR
    A[创建数据库 EnzoLog2] --> B[创建联合 PurchaseHistory]
    B --> C[构建联合架构]
    C --> D[创建其他对象和插入数据]
    D --> E[拆分联合]

通过以上步骤和技术，可以在SQL数据库中实现高性能设计和有效的扩展，满足不同场景下的需求。

2.5 Federations操作示例及注意事项

在完成Federations的创建和拆分后，我们还需要了解如何对其进行操作以及相关的注意事项。

2.5.1 查询Federation成员数据

我们可以通过以下步骤查询Federation成员中的数据：

连接到第一个Federation成员 ：

-- Connect to the first federation member
USE FEDERATION PurchaseHistory (purchaseId = 0) WITH FILTERING=OFF, RESET

-- Get some data; three records will come back
SELECT * FROM Purchases P JOIN StoreLocations S ON P.storeId = S.storeId

连接到第二个Federation成员 ：

-- Now let's connect to the second federation member
USE FEDERATION PurchaseHistory (purchaseId = 500) WITH FILTERING=OFF, RESET

-- Get some data; two records will come back
SELECT * FROM Purchases P JOIN StoreLocations S ON P.storeId = S.storeId

执行存储过程 ：

-- You can also execute the stored procedure
EXEC GetPurchasesByZipCode '33498'

2.5.2 更新记录

当需要更新记录时，应用程序只需知道要更新的原子单元的值，而无需了解底层实现细节。例如，更新 purchaseId = 100 的记录的金额：

-- Connect to the federation member containing purchaseId=100
USE FEDERATION PurchaseHistory (purchaseId = 100) WITH FILTERING=OFF, RESET

-- Get some data; three records will come back
UPDATE Purchases SET amount = 17.25 WHERE pid = 100

2.5.3 注意事项

连接中断 ：在拆分操作完成时，应用程序可能会出现连接中断的情况。此时，只需重新连接即可。
操作状态查询 ：可以通过查询 sys.dm_federation_operations 视图来获取Federation上任何操作的状态。如果没有返回记录，则表示之前启动的拆分操作已完成：

-- Query the status of the split operation
SELECT * FROM sys.dm_federation_operations

3. 总结

在数据库设计和管理中，为了实现高性能和可扩展性，我们需要综合考虑多种技术和策略。

3.1 高性能设计总结

部分分片 ：可以灵活创建部分分片，将分片逻辑构建在数据访问层，实现表的物理组织与业务对象组织的分离。
事务一致性 ：通过更改相关方法和添加事务上下文，可在分片库中实现事务一致性。
外键约束 ：对于数据复制和标识值问题，可采用不同策略维护引用完整性。
多租户系统 ：设计时需考虑服务账户、登录数据库和客户ID，同时注意连接池碎片化问题。
垂直分区分片 ：能隔离任务处理能力需求，但存在保持强RI和事务一致性的挑战。
Hadoop for Windows Azure ：适用于大数据处理，目前信息有限。

3.2 Federations技术总结

扩展模型对比 ：Federations相比其他扩展模型，能根据实际使用模式实现不同程度的压缩，具有更好的成本效益和灵活性。
使用原因 ：主要解决存储空间和性能问题，允许数据库根据需求进行扩展。
操作流程 ：包括创建数据库、联合，构建架构，插入数据，拆分联合等步骤，操作过程中需注意连接中断和操作状态查询。

以下是一个总结表格，对比高性能设计和Federations技术的关键要点：
| 技术类别 | 关键要点 |
| ---- | ---- |
| 高性能设计 | 部分分片、事务一致性管理、外键约束管理、多租户系统设计、垂直分区分片、Hadoop for Windows Azure |
| Federations技术 | 与其他扩展模型对比、使用原因、术语、创建和拆分步骤、操作示例及注意事项 |

通过合理运用这些技术和策略，我们可以构建出满足不同需求的高性能数据库系统，应对各种复杂的业务场景。

以下是一个整体的mermaid流程图，展示从高性能设计到Federations技术的应用流程：

graph LR
    A[高性能设计] --> B[部分分片]
    A --> C[事务一致性管理]
    A --> D[外键约束管理]
    A --> E[多租户系统设计]
    A --> F[垂直分区分片]
    A --> G[Hadoop for Windows Azure]
    A --> H[Federations技术]
    H --> I[创建数据库]
    I --> J[创建联合]
    J --> K[构建联合架构]
    K --> L[插入数据]
    L --> M[拆分联合]
    M --> N[操作Federation成员]

在实际应用中，我们应根据具体的业务需求和数据特点，选择合适的技术和策略，不断优化数据库系统，以实现最佳的性能和可扩展性。