作者：董泽锋，腾讯云数据库研发工程师，主要负责腾讯云TDSQL数据库研发和运维工作。
随着业务的增长，MySQL中保存的数据会越来越多。此时，数据库很容易成为系统性能的一个瓶颈，单机存储容量、IO、CPU处理能力都有限，当单表的数据量达到1000W或100G以后，库表的增删改查操作面临着性能大幅下降的问题。
分库分表是一种解决办法。分库分表实际上就是对数据进行切分。
我们一般可以将数据切分，分为两种方式： 垂直（纵向）切分和 水平（横向）切分。
垂直切分
垂直切分常见有 垂直分库 和 垂直分表 两种。
1. 垂直分库
垂直分库就是根据业务耦合性，将关联度低的不同表存储在不同的数据库。
思想与“微服务治理”类似，将系统拆分为多个业务，每个业务使用自己单独的数据库。
比如下图：
将应用拆分为客户、存款和贷款三个业务，每个业务使用自己单独的数据库。
2. 垂直分表
垂直分表是基于数据库中的表字段来进行的。业务中可能存在一些字段比较多的表，表中某些字段长度较大，这些长字段我们又只是偶尔需要用到，这时候我们就可以考虑将表进行垂直拆分了。
将某些不常用的，但是长度又很大的字段拎出来放到另外一张表。
MySQL底层是通过数据页存储的，一条记录占用空间过大会导致跨页，造成额外的性能开销。另外数据库以行为单位将数据加载到内存中，这样表中字段长度较短且访问频率较高，内存能加载更多的数据，命中率更高，减少了磁盘IO，从而提升了数据库性能。
垂直切分例子如下图：
我们将一张包含4个字段的表拆分为2张表，在业务代码里面，通过字段C1来进行关联。
3. 垂直切分优缺点
优点：
- 不同系统可以使用不同的库表，解决业务系统层面的耦合，业务清晰；
- 高并发场景下，垂直切分一定程度地提升IO、数据库连接数，缓解单机硬件资源的瓶颈。
缺点：
- 部分查询需要在业务代码逻辑里面做聚合，增加开发复杂度；
- 事务处理复杂，可能需要在业务代码层面做处理；
- 不能根本解决单表数据量过大的问题。
水平切分
当业务难以更细粒度地进行垂直切分，或者切分后单表数据依然过大，存在单库读写、存储性能瓶颈时候，这时候就可以考虑水平切分了。
水平切分又可以分为 库内分表 和 分库分表。
水平切分是根据表内数据的内在逻辑关系，将同一个表按不同的条件分散到多个数据库或多个表中，每个表中只包含一部分数据，从而使得单个表的数据量变小，达到分布式的效果。
1. 库内分表
库内分表就是在同一个DB上，将表按照某种条件拆分为多张表。
比如一张订单表，我们可以依据订单的日期，按月建表。一月份的订单放month_201901这张表，二月份的订单放month_201902这张表。
库内分表只解决单表数据量过大问题，但没有将表分布到不同机器上， 所有请求还是在一台物理机上竞争cpu、内存、IO，对于减轻mysql负载压力来说帮助不大。
2. 分库分表
分库分表就是将表不仅拆分，而且拆分到不同机器上。
比如我们腾讯云上的DCDB就是这种处理方法。可以指定一张表的shardKey，然后对shardKey取hash，根据hash值将数据放到不同的数据库中， 可以解决单机物理资源的瓶颈问题。
分库分表的示例如下：
上面示例先根据业务耦合性垂直分库，然后再针对单个库进行分库分表。
3. 分库分表优缺点
优点：
- 不存在单库数据量过大、高并发的性能瓶颈，提升系统稳定性和负载能力；
- 应用端改造较小，不需要拆分业务模块。
缺点：
- 跨分片的事务一致性较难保障，一般需要一层中间件，介于业务和DB之间。对应腾讯云上的DCDB数据库所包含的Proxy层；
- 跨库的join关联查询性能较差。
分库分表带来的问题
分库分表能有效地缓解单机和单库带来的性能瓶颈和压力，突破网络IO、磁盘存储、CPU处理能力的瓶颈，同时也带来了一些问题。
1. 事务一致性问题
当更新内容同时分布在不同库中，不可避免会带来跨库事务问题。跨分片事务也是分布式事务，没有简单的方案，一般可使用”XA协议”和”两阶段提交”处理。
分布式事务能最大限度保证数据库操作的原子性，但在提交事务时需要协调多个节点，推后了提交事务的时间点，延长了事务的执行时间。导致事务在访问共享资源时发生冲突或死锁的概率增高。随着数据库节点的增多，这种趋势会越来越严重，从而成为系统在数据库层面上水平扩展的枷锁。
2. 跨节点关联查询 join 问题
切分之前，系统中很多列表和详情页所需的数据可以通过sql join来完成，而切分之后，数据可能分布在不同的节点上，此时join带来的问题就比较麻烦了，考虑到性能，尽量避免使用join查询。
解决这个问题的一些方法：
2.1）全局表：
全局表，也可看做是”数据字典表”，就是系统中所有模块都可能依赖的一些表，为了避免跨库join查询，可以将这类表在每个数据库中都保存一份。这些数据通常很少会进行修改，所以也不担心一致性的问题。比如腾讯云上的DCDB，可以创建广播表，其实就是全局表。每个节点都有该表的全量数据，该表的所有操作都将广播到所有物理分片（set）中。
2.2）字段冗余
一种典型的反范式设计，利用空间换时间，为了性能而避免join查询。例如：订单表保存userId时候，也将userName冗余保存一份，这样查询订单详情时就不需要再去查询”买家user表”了。
但这种方法适用场景也有限，比较适用于依赖字段比较少的情况。而冗余字段的数据一致性也较难保证，就像上面订单表的例子，买家修改了userName后，是否需要在历史订单中同步更新呢？这也要结合实际业务场景进行考虑。
2.3）数据组装
在系统层面，分两次查询，第一次查询的结果集中找出关联数据id，然后根据id发起第二次请求得到关联数据，最后将获得到的数据进行字段拼装。
3. 跨节点分页、排序、函数问题
跨节点多库进行查询时，会出现limit分页、order by排序等问题。分页需要按照指定字段进行排序，当排序字段就是分片字段时，通过分片规则就比较容易定位到指定的分片。
当排序字段非分片字段时，就变得比较复杂了。需要先在不同的分片节点中将数据进行排序并返回，然后将不同分片返回的结果集进行汇总和再次排序，最终返回给用户。显然这个过程是会降低查询的效率，对IO，CPU也会增加额外负担。
如下图所示：
上图中只是取第一页的数据，对性能影响还不是很大。但是如果取得页数很大，情况则变得复杂很多，因为各分片节点中的数据可能是随机的，为了排序的准确性，需要将所有节点的前N页数据都排序好做合并，最后再进行整体的排序，这样的操作是很耗费CPU和内存资源的，所以页数越大，系统的性能也会越差。
在使用Max、Min、Sum、Count之类的函数进行计算的时候，也需要先在每个分片上执行相应的函数，然后将各个分片的结果集进行汇总、再次计算，最终将结果返回。
4. 全局主键避重问题
在分库分表环境中，由于表中数据同时存在不同数据库中，主键平时使用的自增长将无用武之地，某个分区数据库自生成的ID无法保证全局唯一。因此需要单独设计全局主键，以避免跨库主键重复问题。
总结
分库分表可以解决一些问题（比如单机的IO，CPU、磁盘瓶颈问题），但也增添了一些新问题（比如事务一致性问题，跨分片join问题）。当然随着一些新的NewSQL技术的成熟，分库分表这一方案也不再是业务扩张后的最优选择了，腾讯自研云原生数据库CynosDB就给出了更优的解决方案。
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