设计撑百万并发的数据库架构
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前言
作为一个全球人数最多的国家，一个再怎么凄惨的行业，都能找出很多的人为之付出。而在这个互联网的时代，IT公司绝对比牛毛还多很多。但是大多数都是创业公司，长期存活的真的不多。大多数的IT项目在注册量从0-100万，日活跃1-5万，说实话就这种系统随便找一个有几年工作经验的高级工程师，然后带几个年轻工程师，随便干干都可以做出来。
因为这样的系统，实际上主要就是在前期快速的进行业务功能的开发，搞一个单块系统部署在一台服务器上，然后连接一个数据库就可以了。接着大家就是不停的在一个工程里填充进去各种业务代码，尽快把公司的业务支撑起来。
但是如果真的发展的还可以，可能就会遇到如下问题：
在运行的过程中系统访问数据库的性能越来越差，单表数据量越来越大，一些复杂查询 SQL直接拖垮！
这种时候就不得不考虑的解决方案：缓存，负载均衡，项目分块（微服务）；数据库：读写分离，分库分表等技术
如果说此时你还是一台数据库服务器在支撑每秒上万的请求，负责任的告诉你，每次高峰期会出现下述问题：
- 数据库服务器的磁盘 IO、网络带宽、CPU 负载、内存消耗，都会达到非常高的情况，数据库所在服务器的整体负载会非常重，甚至都快不堪重负了。
- 高峰期时，本来你单表数据量就很大，SQL 性能就不太好，这时加上你的数据库服务器负载太高导致性能下降，就会发现你的 SQL 性能更差了。
- 最明显的一个感觉，就是你的系统在高峰期各个功能都运行的很慢，用户体验很差，点一个按钮可能要几十秒才出来结果。
- 如果你运气不太好，数据库服务器的配置不是特别的高的话，弄不好你还会经历数据库宕机的情况，因为负载太高对数据库压力太大了。
那么百万并发的数据库架构如何设计呢？多数都是分库分表加主从吧？
分库分表：说白了就是大量分表来保证海量数据下的查询性能。
其实大多数公司的瓶颈都在数据库，其实如果把上面的解决方案，都实现了，基本上就没的什么问题了，举例：
如果订单一年有 1 亿条数据，可以把订单表一共拆分为 1024 张表，分散在5个库中，这样 1 亿数据量的话，分散到每个表里也就才 10 万量级的数据量，然后这上千张表分散在 5 台数据库里就可以了。
在写入数据的时候，需要做两次路由，先对订单 id hash 后对数据库的数量取模，可以路由到一台数据库上，然后再对那台数据库上的表数量取模，就可以路由到数据库上的一个表里了。
通过这个步骤，就可以让每个表里的数据量非常小，每年 1 亿数据增长，但是到每个表里才 10 万条数据增长，这个系统运行 10 年，每个表里可能才百万级的数据量。
主从：读写分离
这个时候整体效果已经挺不错了，大量分表的策略保证可能未来 10 年，每个表的数据量都不会太大，这可以保证单表内的 SQL 执行效率和性能。
然后多台数据库的拆分方式，可以保证每台数据库服务器承载一部分的读写请求，降低每台服务器的负载。
但是此时还有一个问题，假如说每台数据库服务器承载每秒 2000 的请求，然后其中 400 请求是写入，1600 请求是查询。
也就是说，增删改的 SQL 才占到了 20% 的比例，80% 的请求是查询。此时假如说随着用户量越来越大，又变成每台服务器承载 4000 请求了。
那么其中 800 请求是写入，3200 请求是查询，如果说你按照目前的情况来扩容，就需要增加一台数据库服务器。
但是此时可能就会涉及到表的迁移，因为需要迁移一部分表到新的数据库服务器上去，是不是很麻烦？
其实完全没必要，数据库一般都支持读写分离，也就是做主从架构。
写入的时候写入主数据库服务器，查询的时候读取从数据库服务器，就可以让一个表的读写请求分开落地到不同的数据库上去执行。
这样的话，假如写入主库的请求是每秒 400，查询从库的请求是每秒 1600。
架构大致如下：
写入主库的时候，会自动同步数据到从库上去，保证主库和从库数据一致。
然后查询的时候都是走从库去查询的，这就通过数据库的主从架构实现了读写分离的效果了。
现在的好处就是，假如说现在主库写请求增加到 800，这个无所谓，不需要扩容。然后从库的读请求增加到了 3200，需要扩容了。
这时，你直接给主库再挂载一个新的从库就可以了，两个从库，每个从库支撑 1600 的读请求，不需要因为读请求增长来扩容主库。
实际上线上生产你会发现，读请求的增长速度远远高于写请求，所以读写分离之后，大部分时候就是扩容从库支撑更高的读请求就可以了。
而且另外一点，对同一个表，如果你既写入数据（涉及加锁），还从该表查询数据，可能会牵扯到锁冲突等问题，无论是写性能还是读性能，都会有影响。
所以一旦读写分离之后，对主库的表就仅仅是写入，没任何查询会影响他，对从库的表就仅仅是查询。
全局唯一ID
在分库分表之后你必然要面对的一个问题，就是 id 咋生成？因为要是一个表分成多个表之后，每个表的 id 都是从 1 开始累加自增长，那肯定不对啊。
举个例子，你的订单表拆分为了 1024 张订单表，每个表的 id 都从 1 开始累加，这个肯定有问题了！
你的系统就没办法根据表主键来查询订单了，比如 id = 50 这个订单，在每个表里都有！
所以此时就需要分布式架构下的全局唯一 id 生成的方案了，在分库分表之后，对于插入数据库中的核心 id，不能直接简单使用表自增 id，要全局生成唯一 id，然后插入各个表中，保证每个表内的某个 id，全局唯一。
比如说订单表虽然拆分为了 1024 张表，但是 id = 50 这个订单，只会存在于一个表里。
那么如何实现全局唯一 id 呢？有以下几种方案：
方案一：独立数据库自增 id
这个方案就是说你的系统每次要生成一个 id，都是往一个独立库的一个独立表里插入一条没什么业务含义的数据，然后获取一个数据库自增的一个 id。拿到这个 id 之后再往对应的分库分表里去写入。
比如说你有一个 auto_id 库，里面就一个表，叫做 auto_id 表，有一个 id 是自增长的。
那么你每次要获取一个全局唯一 id，直接往这个表里插入一条记录，获取一个全局唯一 id 即可，然后这个全局唯一 id 就可以插入订单的分库分表中。
这个方案的好处就是方便简单，谁都会用。缺点就是单库生成自增 id，要是高并发的话，就会有瓶颈的，因为 auto_id 库要是承载个每秒几万并发，肯定是不现实的了。
方案二：UUID
这个每个人都应该知道吧，就是用 UUID 生成一个全局唯一的 id。
好处就是每个系统本地生成，不要基于数据库来了。不好之处就是，UUID 太长了，作为主键性能太差了，不适合用于主键。
如果你是要随机生成个什么文件名了，编号之类的，你可以用 UUID，但是作为主键是不能用 UUID 的。
方案三：获取系统当前时间
这个方案的意思就是获取当前时间作为全局唯一的 id。但是问题是，并发很高的时候，比如一秒并发几千，会有重复的情况，这个肯定是不合适的。
一般如果用这个方案，是将当前时间跟很多其他的业务字段拼接起来，作为一个 id，如果业务上你觉得可以接受，那么也是可以的。
你可以将别的业务字段值跟当前时间拼接起来，组成一个全局唯一的编号，比如说订单编号：时间戳 + 用户 id + 业务含义编码。
方案四：SnowFlake 算法的思想分析
SnowFlake 算法，是 Twitter 开源的分布式 id 生成算法。其核心思想就是：使用一个 64 bit 的 long 型的数字作为全局唯一 id。这 64 个 bit 中，其中 1 个 bit 是不用的，然后用其中的 41 bit 作为毫秒数，用 10 bit 作为工作机器 id，12 bit 作为序列号。
给大家举个例子吧，比如下面那个 64 bit 的 long 型数字：
- 第一个部分，是 1 个 bit：0，这个是无意义的。
- 第二个部分是 41 个 bit：表示的是时间戳。
- 第三个部分是 5 个 bit：表示的是机房 id，10001。
- 第四个部分是 5 个 bit：表示的是机器 id，1 1001。
- 第五个部分是 12 个 bit：表示的序号，就是某个机房某台机器上这一毫秒内同时生成的 id 的序号，0000 00000000。
①1 bit：是不用的，为啥呢？
因为二进制里第一个 bit 为如果是 1，那么都是负数，但是我们生成的 id 都是正数，所以第一个 bit 统一都是 0。
②41 bit：表示的是时间戳，单位是毫秒。
41 bit 可以表示的数字多达 2^41 - 1，也就是可以标识 2 ^ 41 - 1 个毫秒值，换算成年就是表示 69 年的时间。
③10 bit：记录工作机器 id，代表的是这个服务最多可以部署在 2^10 台机器上，也就是 1024 台机器。
但是 10 bit 里 5 个 bit 代表机房 id，5 个 bit 代表机器 id。意思就是最多代表 2 ^ 5 个机房（32 个机房），每个机房里可以代表 2 ^ 5 个机器（32 台机器）。
④12 bit：这个是用来记录同一个毫秒内产生的不同 id。
12 bit 可以代表的最大正整数是 2 ^ 12 - 1 = 4096，也就是说可以用这个 12 bit 代表的数字来区分同一个毫秒内的 4096 个不同的 id。简单来说，你的某个服务假设要生成一个全局唯一 id，那么就可以发送一个请求给部署了 SnowFlake 算法的系统，由这个 SnowFlake 算法系统来生成唯一 id。
这个 SnowFlake 算法系统首先肯定是知道自己所在的机房和机器的，比如机房 id = 17，机器 id = 12。
接着 SnowFlake 算法系统接收到这个请求之后，首先就会用二进制位运算的方式生成一个 64 bit 的 long 型 id，64 个 bit 中的第一个 bit 是无意义的。
接着 41 个 bit，就可以用当前时间戳（单位到毫秒），然后接着 5 个 bit 设置上这个机房 id，还有 5 个 bit 设置上机器 id。
最后再判断一下，当前这台机房的这台机器上这一毫秒内，这是第几个请求，给这次生成 id 的请求累加一个序号，作为最后的 12 个 bit。
最终一个 64 个 bit 的 id 就出来了，类似于：
这个算法可以保证说，一个机房的一台机器上，在同一毫秒内，生成了一个唯一的 id。可能一个毫秒内会生成多个 id，但是有最后 12 个 bit 的序号来区分开来。
下面我们简单看看这个 SnowFlake 算法的一个代码实现，这就是个示例，大家如果理解了这个意思之后，以后可以自己尝试改造这个算法。
总之就是用一个 64 bit 的数字中各个 bit 位来设置不同的标志位，区分每一个 id。
SnowFlake 算法JAVA版（含测试方法）：
import java.util.ArrayList;
import java.util.HashMap;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.Set;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import lombok.ToString;
/**
* Copyright: Copyright (c) 2019
*
* @ClassName: IdWorker.java
* @Description: <p>SnowFlake 算法，是 Twitter 开源的分布式 id 生成算法。
* 其核心思想就是：使用一个 64 bit 的 long 型的数字作为全局唯一 id。
* 这 64 个 bit 中，其中 1 个 bit 是不用的，然后用其中的 41 bit 作为毫秒数，
* 用 10 bit 作为工作机器 id，12 bit 作为序列号
* </p>
* @version: v1.0.0
* @author: BianPeng
* @date: 2019年4月11日 下午3:13:41
*
* Modification History:
* Date Author Version Description
*---------------------------------------------------------------*
* 2019年4月11日 BianPeng v1.0.0 initialize
*/
@ToString
public class SnowflakeIdFactory {
static Logger log = LoggerFactory.getLogger(SnowflakeIdFactory.class);
private final long twepoch = 1288834974657L;
private final long workerIdBits = 5L;
private final long datacenterIdBits = 5L;
private final long maxWorkerId = -1L ^ (-1L << workerIdBits);
private final long maxDatacenterId = -1L ^ (-1L << datacenterIdBits);
private final long sequenceBits = 12L;
private final long workerIdShift = sequenceBits;
private final long datacenterIdShift = sequenceBits + workerIdBits;
private final long timestampLeftShift = sequenceBits + workerIdBits + datacenterIdBits;
private final long sequenceMask = -1L ^ (-1L << sequenceBits);
private long workerId;
private long datacenterId;
private long sequence = 0L;
private long lastTimestamp = -1L;
public SnowflakeIdFactory(long workerId, long datacenterId) {
if (workerId > maxWorkerId || workerId < 0) {
throw new IllegalArgumentException(String.format("worker Id can't be greater than %d or less than 0", maxWorkerId));
}
if (datacenterId > maxDatacenterId || datacenterId < 0) {
throw new IllegalArgumentException(String.format("datacenter Id can't be greater than %d or less than 0", maxDatacenterId));
}
this.workerId = workerId;
this.datacenterId = datacenterId;
}
public synchronized long nextId() {
long timestamp = timeGen();
if (timestamp < lastTimestamp) {
//服务器时钟被调整了,ID生成器停止服务.
throw new RuntimeException(String.format("Clock moved backwards. Refusing to generate id for %d milliseconds", lastTimestamp - timestamp));
}
if (lastTimestamp == timestamp) {
sequence = (sequence + 1) & sequenceMask;
if (sequence == 0) {
timestamp = tilNextMillis(lastTimestamp);
}
} else {
sequence = 0L;
}
lastTimestamp = timestamp;
return ((timestamp - twepoch) << timestampLeftShift) | (datacenterId << datacenterIdShift) | (workerId << workerIdShift) | sequence;
}
protected long tilNextMillis(long lastTimestamp) {
long timestamp = timeGen();
while (timestamp <= lastTimestamp) {
timestamp = timeGen();
}
return timestamp;
}
protected long timeGen() {
return System.currentTimeMillis();
}
public static void testProductIdByMoreThread(int dataCenterId, int workerId, int n) throws InterruptedException {
List<Thread> tlist = new ArrayList<>();
Set<Long> setAll = new HashSet<>();
CountDownLatch cdLatch = new CountDownLatch(10);
long start = System.currentTimeMillis();
int threadNo = dataCenterId;
Map<String,SnowflakeIdFactory> idFactories = new HashMap<>();
for(int i=0;i<10;i++){
//用线程名称做map key.
idFactories.put("snowflake"+i,new SnowflakeIdFactory(workerId, threadNo++));
}
for(int i=0;i<10;i++){
Thread temp =new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Set<Long> setId = new HashSet<>();
SnowflakeIdFactory idWorker = idFactories.get(Thread.currentThread().getName());
for(int j=0;j<n;j++){
setId.add(idWorker.nextId());
}
synchronized (setAll){
setAll.addAll(setId);
log.info("{}生产了{}个id,并成功加入到setAll中.",Thread.currentThread().getName(),n);
}
cdLatch.countDown();
}
},"snowflake"+i);
tlist.add(temp);
}
for(int j=0;j<10;j++){
tlist.get(j).start();
}
cdLatch.await();
long end1 = System.currentTimeMillis() - start;
log.info("共耗时:{}毫秒,预期应该生产{}个id, 实际合并总计生成ID个数:{}",end1,10*n,setAll.size());
}
public static void testProductId(int dataCenterId, int workerId, int n){
SnowflakeIdFactory idWorker = new SnowflakeIdFactory(workerId, dataCenterId);
SnowflakeIdFactory idWorker2 = new SnowflakeIdFactory(workerId+1, dataCenterId);
Set<Long> setOne = new HashSet<>();
Set<Long> setTow = new HashSet<>();
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < n; i++) {
setOne.add(idWorker.nextId());//加入set
}
long end1 = System.currentTimeMillis() - start;
log.info("第一批ID预计生成{}个,实际生成{}个<<<<*>>>>共耗时:{}",n,setOne.size(),end1);
for (int i = 0; i < n; i++) {
setTow.add(idWorker2.nextId());//加入set
}
long end2 = System.currentTimeMillis() - start;
log.info("第二批ID预计生成{}个,实际生成{}个<<<<*>>>>共耗时:{}",n,setTow.size(),end2);
setOne.addAll(setTow);
log.info("合并总计生成ID个数:{}",setOne.size());
}
public static void testPerSecondProductIdNums(){
SnowflakeIdFactory idWorker = new SnowflakeIdFactory(1, 2);
long start = System.currentTimeMillis();
int count = 0;
for (int i = 0; System.currentTimeMillis()-start<1000; i++,count=i) {
/** 测试方法一: 此用法纯粹的生产ID,每秒生产ID个数为400w+ */
//idWorker.nextId();
/** 测试方法二: 在log中打印,同时获取ID,此用法生产ID的能力受限于log.error()的吞吐能力.
* 每秒徘徊在10万左右. */
log.info(""+idWorker.nextId());
}
long end = System.currentTimeMillis()-start;
System.out.println(end);
System.out.println(count);
}
public static void main(String[] args) {
/** case1: 测试每秒生产id个数?
* 结论: 每秒生产id个数400w+
*/
//testPerSecondProductIdNums();
/** case2: 单线程-测试多个生产者同时生产N个id,验证id是否有重复?
* 结论: 验证通过,没有重复.
*/
//testProductId(1,2,10000);//验证通过!
//testProductId(1,2,20000);//验证通过!
/** case3: 多线程-测试多个生产者同时生产N个id, 全部id在全局范围内是否会重复?
* 结论: 验证通过,没有重复.
*/
try {
testProductIdByMoreThread(1,2,100000);//单机测试此场景,性能损失至少折半!
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
项目是一个递进的过程，优先考虑缓存，其次读写分离，再分表分库。当然这只是个人想法，各位伙伴还是根据自己的项目和业务来综合考虑实行方案。