Java高手的30k之路｜面试宝典｜精通MySQL（二）

分区表

分区类型

MySQL 支持以下几种表分区类型，这些分区类型有助于优化大型表的管理和查询性能：

1. Range Partitioning（范围分区）：
   范围分区是基于列的值范围来分配数据的。你可以定义一个或多个列的值区间，数据根据这些区间被分配到不同的分区中。例如，对于一个包含日期的列，你可以按年份范围来分区，每个年份的数据存储在一个不同的分区里。范围分区要求每个分区的范围不重叠，并且范围通常是连续的。

2. List Partitioning（列表分区）：
   列表分区类似于范围分区，但它是基于列值匹配一个预定义的值列表来分配数据。如果列的值与列表中的某个值匹配，则数据会被放入相应的分区。列表分区允许你为不同的值指定不同的分区，而且这些值不必构成连续的范围。每个分区可以对应一个或多个列表值，但一个值只能属于一个分区。

3. Hash Partitioning（哈希分区）：
   哈希分区是基于用户定义的表达式（通常是列的哈希值）来分配数据的。数据根据哈希函数的结果被均匀分布到预先定义数量的分区中。这种方式可以实现数据的随机分布，适用于无法预测数据分布或者想要简化管理的情况。哈希分区特别适合于提高数据插入和查询的性能，特别是在没有明显的访问模式或者范围查询不频繁的情况下。

4. Key Partitioning（键分区）：
   键分区类似于哈希分区，但它使用MySQL数据库的内部哈希函数来确定如何将行分配到各个分区。通常，这会基于表的一个或多个列的值来执行。键分区的一个关键特点是它允许使用表的索引作为分区依据，这使得分区更加灵活。与哈希分区一样，它也是为了数据分布均匀和提高查询性能。

请注意，在使用分区时，如果表上有主键或唯一键约束，那么这些键必须包含分区键，即不能仅使用主键/唯一键字段之外的其他字段进行分区。此外，对于某些分区类型，如HASH和KEY分区，在较早的MySQL版本中，分区键必须是整数类型或能够通过某种方式映射到整数的表达式。随着MySQL的发展，这些限制可能有所变化。

分区设计和优化

对于处理大量数据的应用而言，正确的分区策略可以显著提升查询效率和管理便利性。

分区表设计原则

1. 选择合适的分区键：

   • 范围分区适合时间序列数据，如按日期或时间段划分。
   • 列表分区适用于固定值集合，如地区ID或用户类型。
   • 哈希分区适用于随机分布的数据，保证数据均衡分布。
   • 键分区类似哈希分区，但通常基于索引值，适用于不确定查询条件的场景。

2. 考虑查询模式：

   • 设计分区时应考虑最常见的查询条件，确保分区键能有效过滤掉不需要的分区，减少I/O操作。

3. 数据分布：

   • 确保数据在各分区间均匀分布，避免数据倾斜，影响性能。

4. 分区维护：

   • 设定合理的分区维护策略，比如定期归档旧数据或创建默认分区以捕获不符合其他分区规则的数据。

5. 索引策略：

   • 在分区键上创建索引，特别是对于范围分区，这有助于优化查询性能。

性能优化策略

1. 查询优化：

   • 利用分区剪枝（Partition Pruning），在查询语句中明确指定分区键，让数据库引擎直接跳过无关分区。

2. 并行处理：

   • 大型查询时，数据库可以并行处理不同分区的数据，加速查询速度。

3. 硬件利用：

   • 将不同分区放置在不同的物理存储上，利用多磁盘的I/O能力。

4. 监控与调整：

   • 定期监控分区表的性能，根据负载情况调整分区策略或增加硬件资源。

5. 合理设置分区大小：

   • 分区不宜过小，以免增加管理开销；也不宜过大，避免查询效率下降。根据实际数据量和内存大小来决定合适的分区大小。

6. 避免过度分区：

   • 过多的分区可能导致查询计划复杂，反而降低性能。找到最优的分区数量很关键。

7. 使用分区索引：

   • 在适当的情况下，为分区创建局部索引，而不是全局索引，可以减少索引的大小和维护成本。

复制和高可用

MySQL主从复制（Master-Slave Replication）是一种数据库管理技术，它允许你将数据从一个MySQL数据库服务器（称为“主服务器”或“Master”）自动复制到一个或多个其他MySQL服务器（称为“从服务器”或“Slave”）。这种机制为数据库提供了几个关键优势，包括提高系统的可用性、可伸缩性和容错能力。下面是主从复制的一些核心概念和流程：

核心组件与流程

1. 二进制日志（Binary Log）：在主服务器上，所有对数据库的更改（如INSERT、UPDATE、DELETE以及某些SELECT语句）都会被记录到二进制日志中。这是数据复制的基础。

2. 复制用户与权限：需要在主服务器上创建一个具有REPLICATION SLAVE权限的用户，以便从服务器能够连接并获取二进制日志的更新。

3. 配置从服务器：在从服务器上，需要配置其连接到主服务器的参数，包括主服务器的地址、复制用户凭据、以及开始复制的位置（即主服务器二进制日志的文件名和位置）。

4. 启动复制：通过在从服务器上执行START SLAVE命令，从服务器开始连接到主服务器，读取二进制日志，并应用其中的事件到本地数据库，从而保持数据同步。

复制类型

• 基于语句的复制（Statement-based Replication, SBR）：主服务器记录引起数据变更的SQL语句，并将这些语句发送给从服务器执行。适用于大多数情况，但可能在某些特定场景下引发数据不一致。

• 基于行的复制（Row-based Replication, RBR）：主服务器记录数据变更前后的行状态，而不是执行的SQL语句。这提供了更高的数据一致性，尤其是在执行函数、触发器或复杂的更新操作时。

• 混合类型的复制（Mixed-based Replication）：MySQL自动在基于语句和基于行的复制之间切换，试图结合两者的优势。

主从复制的作用

• 读写分离：可以将读操作（SELECT）定向到从服务器，写操作（INSERT、UPDATE、DELETE）定向到主服务器，以此来分散负载，提高系统的响应速度和处理能力。

• 故障恢复：如果主服务器发生故障，可以迅速将流量切换到一个已同步的从服务器，以减少服务中断时间。

• 数据备份：可以在从服务器上执行备份操作，避免备份时锁定主数据库，减少对在线服务的影响。

注意事项

• 延迟问题：由于网络延迟、从服务器处理能力等因素，从服务器的数据可能会与主服务器有轻微的时间差。

• 一致性问题：在特定的复制模式下，需要关注数据的一致性，特别是在事务处理和复杂查询上。

• 监控与维护：定期检查复制状态，确保复制进程正常运行，及时处理任何复制中断或延迟问题。

异步复制（Asynchronous Replication）

特点：

• 默认模式：MySQL默认采用异步复制。
• 性能优先：主服务器在执行完客户端提交的事务后立即返回结果，不等待从服务器确认，因此写入性能高。
• 数据不保证：存在数据丢失风险，因为在主服务器崩溃前提交的事务可能还没有传送到从服务器。
• 适用场景：对数据一致性要求不高，但对写入性能有较高要求的场景。

半同步复制（Semisynchronous Replication）

特点：

• 增强了数据安全性：主服务器在执行完事务后，会等待至少一个从服务器接收到并写入中继日志（relay log）后才返回给客户端，降低了数据丢失的风险。
• 平衡性能与安全：相比于全同步复制，半同步复制等待的是至少一个从服务器的确认，而不是所有从服务器，这样既提高了数据的安全性，又不至于像全同步那样严重影响写入性能。
• 可配置等待时间：如果在指定时间内（默认约10秒）没有从服务器确认，主服务器会暂时退回到异步复制模式，以避免阻塞。
• 适用场景：对数据一致性有一定要求，同时希望尽可能减少数据丢失风险，但又不想牺牲太多写入性能的场景。

多主复制

多主复制（Multi-Master Replication）是一种MySQL复制模式，它允许多个MySQL服务器相互作为主服务器和从服务器，每个服务器都可以接受写入操作，并且这些更改会传播到集群中的其他服务器。这种设置提供了更高的可用性和写入灵活性，因为客户端可以向任一主服务器写入数据，而数据最终会在所有主服务器间同步。

优点：

1. 高可用性：即使某个主服务器宕机，其他主服务器仍可以继续处理写操作，保证服务连续性。
2. 负载均衡：写入操作可以在多个主服务器间分配，减轻单点压力。
3. 地理分布式写入：对于地理位置分散的系统，多主复制允许在不同地点进行本地写入，减少网络延迟。

挑战：

1. 冲突解决：因为多个主服务器都接受写入，所以可能存在数据冲突。需要有机制来检测并解决这些冲突，例如使用唯一ID、时间戳或是应用程序级别的逻辑。
2. 复杂性增加：相较于单一主从结构，多主复制的配置、监控和维护更为复杂。
3. 数据一致性：维护数据一致性是个挑战，尤其是在网络延迟或故障导致的临时不一致情况下。

实现方式

• 环形复制：每个服务器既是某个服务器的主服务器，也是另一个服务器的从服务器，形成一个环状结构。
• 双主复制：最简单的多主形式，两个服务器互为主从，需要特别注意冲突处理。
• 使用第三方工具或插件：如Galera Cluster、Group Replication（MySQL 5.7.17及以上版本提供）等，这些解决方案提供了自动冲突解决和更强的一致性保证。

Group Replication & InnoDB cluster

Group Replication 和 InnoDB Cluster 是MySQL提供的两种高级高可用性和数据冗余解决方案，它们都是基于MySQL的原生复制技术，但各有侧重和特点。

Group Replication

Group Replication 是MySQL内建的一种高可用性和数据冗余技术，它允许一组MySQL服务器协同工作，形成一个单一的逻辑复制组。每个成员服务器都能接受读写操作，同时确保数据的一致性和事务的ACID属性。Group Replication通过自动成员加入/退出、冲突检测和解决、以及成员间的自动数据同步来实现高可用性和容错能力。它基于分布式协议，确保即使在部分网络分割的情况下也能保持数据一致性。

关键技术特性：

• 分布式一致性：采用分布式协议（如Paxos或Raft）来维护数据一致性。
• 自动节点管理：自动检测和响应成员状态变化。
• 冲突解决：内置的冲突检测和解决机制。
• 单点写入多点读取：默认配置下，一次只允许一个成员作为写入节点，其他成员可接受读请求。

InnoDB Cluster

InnoDB Cluster 是MySQL的一个完整高可用解决方案，它不仅包含了Group Replication的功能，还集成了MySQL Shell（提供了一个强大的管理界面）和MySQL Router（提供智能路由功能）。InnoDB Cluster旨在简化部署、管理和运维过程，使得搭建高可用集群变得更加简单快捷。

关键技术特性：

• 集成化管理：通过MySQL Shell提供统一的部署、配置、监控和故障转移管理界面。
• MySQL Router：自动配置，提供透明的读写分离和故障切换，无需修改应用程序代码。
• 增强的自动化：相比Group Replication，InnoDB Cluster提供了更高级别的自动化，包括自动故障检测与恢复、集群初始化配置等。
• 兼容性与扩展性：设计用于云环境和传统部署，易于扩展和迁移。

备份和恢复

MySQL的备份可以分为两大类：物理备份和逻辑备份，每种备份方式都有其独特的优势和适用场景。

物理备份

概念：物理备份直接复制数据库的物理文件，包括数据文件、日志文件、索引文件等。这些文件通常是数据库的二进制格式，不直接可读。常见的物理备份工具有MySQL Enterprise Backup、Percona XtraBackup、Mariabackup等。

特点：

• 速度快：因为是直接复制文件，所以通常比逻辑备份快。
• 空间占用少：备份文件通常比逻辑备份文件更紧凑。
• 恢复快：直接复制文件到原位置即可快速恢复数据库状态。
• 对数据库运行状态要求：某些物理备份工具支持热备份，即在数据库运行时进行备份，不影响服务；但也有些需要数据库处于静默状态（冷备份）。
• 兼容性：可能依赖特定的数据库版本或存储引擎。

逻辑备份

概念：逻辑备份是将数据库中的数据和结构导出为一系列可读的SQL语句或数据文件（如CSV）。最常用的逻辑备份工具是MySQL自带的mysqldump命令。

特点：

• 可读性：生成的备份文件是文本格式，可以查看和编辑。
• 兼容性好：不受数据库文件格式限制，适用于所有MySQL版本和存储引擎。
• 恢复灵活：可以灵活选择恢复哪些表或数据，适合数据迁移和数据库结构调整。
• 速度和空间：相对物理备份较慢，占用空间也较大，尤其是文本格式的备份。
• 对数据库运行状态要求：逻辑备份在数据库运行时即可进行，不影响服务。

选择依据

选择物理备份还是逻辑备份，主要取决于以下几个因素：

• 数据库大小：对于大型数据库，物理备份因其速度和空间效率更受欢迎。
• 恢复时间要求：如果需要快速恢复，物理备份通常是更好的选择。
• 资源和维护：物理备份可能需要更多存储和维护复杂度，而逻辑备份更易于理解和操作。
• 兼容性和灵活性：逻辑备份在跨平台或数据库版本升级时更灵活。

安全和权限控制

1. 用户管理

创建用户

MySQL允许你创建新的用户并指定其访问权限。创建用户的基本语法如下：

CREATE USER 'username'@'host' IDENTIFIED BY 'password';

• username：用户的名称。
• host：用户可以从哪个主机进行连接。'%'表示任何主机。
• password：用户的密码。

示例：

CREATE USER 'john'@'localhost' IDENTIFIED BY 'johnspassword';
CREATE USER 'alice'@'%' IDENTIFIED BY 'alicepassword';

修改用户

修改用户的密码或其他属性，使用ALTER USER命令：

ALTER USER 'username'@'host' IDENTIFIED BY 'newpassword';

示例：

ALTER USER 'john'@'localhost' IDENTIFIED BY 'newpassword';

删除用户

删除用户及其权限，使用DROP USER命令：

DROP USER 'username'@'host';

示例：

DROP USER 'john'@'localhost';

2. 权限控制

权限类型

MySQL提供多种权限，细粒度控制用户能执行的操作。常见权限包括：

• ALL PRIVILEGES：授予所有权限。
• SELECT：允许用户读取数据。
• INSERT：允许用户插入数据。
• UPDATE：允许用户更新数据。
• DELETE：允许用户删除数据。
• CREATE：允许用户创建数据库和表。
• DROP：允许用户删除数据库和表。
• GRANT OPTION：允许用户授予权限给其他用户。

授予权限

使用GRANT命令授予用户特定权限：

GRANT privileges ON database.table TO 'username'@'host';

• privileges：权限列表，如SELECT, INSERT。
• database.table：指定数据库和表。*.*表示所有数据库和表。

示例：

GRANT SELECT, INSERT ON mydb.* TO 'john'@'localhost';
GRANT ALL PRIVILEGES ON mydb.mytable TO 'alice'@'%';

撤销权限

使用REVOKE命令撤销用户的特定权限：

REVOKE privileges ON database.table FROM 'username'@'host';

示例：

REVOKE INSERT ON mydb.* FROM 'john'@'localhost';

查看权限

查看用户的权限，使用SHOW GRANTS命令：

SHOW GRANTS FOR 'username'@'host';

示例：

SHOW GRANTS FOR 'john'@'localhost';

3. 权限控制的高级用法

角色管理

MySQL 8.0引入了角色管理，简化了权限的管理。可以创建角色并赋予权限，然后将角色授予用户。

Apache Shiro采用了同样的思想，权限授予角色，角色赋予用户

创建角色：

CREATE ROLE 'role_name';

授予权限给角色：

GRANT privileges ON database.table TO 'role_name';

将角色授予用户：

GRANT 'role_name' TO 'username'@'host';

示例：

CREATE ROLE 'read_only';
GRANT SELECT ON mydb.* TO 'read_only';
GRANT 'read_only' TO 'john'@'localhost';

临时权限

有时需要临时授予某个用户特定权限，可以使用WITH GRANT OPTION和临时撤销权限：

授予临时权限：

GRANT SELECT ON mydb.* TO 'john'@'localhost' WITH GRANT OPTION;

撤销临时权限：

REVOKE GRANT OPTION ON mydb.* FROM 'john'@'localhost';

4. 安全建议

最小权限原则

遵循最小权限原则（Principle of Least Privilege），只授予用户执行其任务所需的最低权限，避免不必要的权限暴露。

定期审查权限

定期使用SHOW GRANTS命令审查用户权限，确保权限设置符合当前的安全策略和业务需求。

使用强密码

确保用户账户使用强密码，并定期更换密码，防止密码泄露和账户滥用。

关键的安全配置和最佳实践：

防止SQL注入

1. 使用预编译语句（Prepared Statements）

   • 预编译语句可以有效防止SQL注入攻击。它们将SQL代码和数据分开，确保数据不会被解释为代码。

   String query = "SELECT * FROM users WHERE username = ? AND password = ?";
   PreparedStatement pstmt = connection.prepareStatement(query);
   pstmt.setString(1, username);
   pstmt.setString(2, password);
   ResultSet rs = pstmt.executeQuery();
   

2. 使用ORM框架

   • 使用Hibernate、JPA等ORM框架可以减少直接编写SQL代码的次数，从而降低SQL注入的风险。

   User user = entityManager.find(User.class, userId);
   

3. 输入验证与清理

   • 对用户输入进行严格的验证与清理，确保输入符合预期格式，并避免恶意输入。

   if (!username.matches("[a-zA-Z0-9_]+")) {
       throw new IllegalArgumentException("Invalid username format");
   }
   

加密传输

1. 使用SSL/TLS
   • 配置MySQL使用SSL/TLS加密传输数据，确保数据在传输过程中不被窃取或篡改。

   String url = "jdbc:mysql://localhost:3306/mydatabase?useSSL=true&requireSSL=true";
   Properties properties = new Properties();
   properties.setProperty("user", "root");
   properties.setProperty("password", "password");
   properties.setProperty("useSSL", "true");
   properties.setProperty("requireSSL", "true");
   Connection conn = DriverManager.getConnection(url, properties);
   

其他安全最佳实践

1. 最小权限原则

   • 仅为用户授予其执行任务所需的最小权限，避免过多的权限暴露。

   GRANT SELECT, INSERT, UPDATE ON mydatabase.* TO 'user'@'localhost' IDENTIFIED BY 'password';
   

2. 定期更新和补丁管理

   • 保持MySQL数据库和相关软件的更新，及时应用安全补丁。

   sudo apt-get update
   sudo apt-get upgrade mysql-server
   

3. 监控和日志记录

   • 启用MySQL日志记录，定期审查日志以发现和响应潜在的安全威胁。

   SET GLOBAL general_log = 'ON';
   SET GLOBAL log_output = 'TABLE';
   SELECT * FROM mysql.general_log;
   

4. 强密码策略

   • 使用强密码并定期更换，避免使用默认账户和密码。

   SET PASSWORD FOR 'user'@'localhost' = PASSWORD('new_strong_password');
   

5. 网络安全

   • 限制MySQL只接受来自特定IP地址的连接，防止未经授权的访问。

   bind-address = 127.0.0.1
   

6. 定期备份

   • 定期备份数据，确保在遭遇安全事件时能够恢复数据。

   mysqldump -u root -p mydatabase > backup.sql