為了提升數據庫的處理能力，我們把單庫擴展成多庫，并通過更新同步機制（即Replication）來保證多份數據的一致性。然而，在 各種復制方案下，每個數據庫都持有一份完整數據，基于全量數據提供增刪改查服務，單庫的性能瓶頸仍然存在，并將成為限制系統擴展性的關鍵因素。

單庫性能瓶頸

單機的硬件資源是有限的，因此單庫的處理能力也是有限的：

• 容量有限：數據量可能大到單庫無法容納
• 性能有限：單庫的讀寫性能同樣受數據量影響，查詢/更新越來越慢

單靠加機器/加庫顯然無法直接解決單機/單庫的性能問題，除非進一步打破庫的邊界，把單庫拆分成多庫（而不只是復制多份）
理論上，Web 應用層也面臨同樣的問題，卻不曾聽說過一個 Web 服務龐大到單機無法部署，這是因為Web 服務在設計之初就會考慮職責劃分與解耦，以便各部分能夠獨立部署、獨立擴展，從 20 年前的 SOA（即面向服務架構，包括微服務架構（Microservices）等變體）起便是如此。

分區 Partitioning

把邏輯數據庫（或其組成元素，例如數據表）拆分成各個獨立部分，這種做法稱為分區（Partitioning）。
就像微服務架構中把單體應用（Monolithic application）拆分成一組小型服務一樣，我們通過分區把單庫拆分成一組（數據規模）更小的庫，各自處理一部分數據，共同分擔流量，主要優勢體現在：

• 可擴展性：把單庫數據拆分到多庫后，系統的可擴展性不再受限于單庫性能，數據庫層“無限”擴展成為了可能
• 性能：單庫數據量減少，數據操作更快，甚至允許多庫并行操作
• 安全性：可以針對（拆出去的）敏感數據，采取更強的安全控制
• 靈活性：可以對不同的庫（比如按數據重要性）采用不同的監控、備份策略，以縮減成本，提升管理效率。或者對不同類型的數據選用不同的存儲服務，比如大型二進制內容放到 blob 存儲中，更復雜的數據可以存放在文檔數據庫中
• 可用性：把數據分散放到多個籃子里，能夠避免單點故障，并且單庫故障僅影響一部分數據

具體的，有 3 種拆分策略：

• 水平分區（Horizontal partitioning，也叫 Sharding）：按行拆分，把不同的行放入不同的表中
• 垂直分區（Vertical partitioning）：按列拆分，把一些列放到其它表中
• 按功能分區（Functional partitioning，有時也叫 Federation）：按業務功能拆分，把業務領域中屬于相同界限上下文（Bounded Context）的數據放在一起

當然，這 3 種策略并不沖突，可以結合使用

水平分區 Horizontal partitioning

水平分區，即分片（Sharding）。每片（shard）都是原數據的一個子集，共同構成完整的數據集。
與垂直分區相比，水平分區最大的特點是schema 保持不變：每個分區都是一個單獨的數據存儲，但所有分區都有相同的模式。
就像把一張表橫向切幾刀，分成幾段小表，它們的表結構（字段等）完全一致。
這種橫向切分減少了單庫所需存儲的數據量，以及所需承載的流量/操作，另一方面，還減少了資源爭用（contention），有助于提升性能
它的關鍵在于shard key 的選取:
按哪個字段的什么特征來分片，盡可能保證負載被均勻地分散到每一片上。注意，均勻并不意味著要求每一片的數據量均等，重點是均分流量（有些片可能數據量很大，但訪問量卻很低）。同時還要避免產生“熱點”，比如按姓氏首字母對用戶信息進行分片實際上是不均勻的，因為有些字母更常見，此時按用戶 ID 哈希值來分片可能更均勻些。

垂直分區 Vertical partitioning

多用于減少 I/O、降低性能成本，比如，按使用頻率把常用字段和不常用的字段分開。
比起水平分區，垂直分區的關鍵優勢在于把信息拆的更細，進而允許一些針對性的優化，比如把不經常變化的數據拆分出來，丟到緩存中，把照片等大型二進制內容拆出去單獨存放，或者對部分敏感數據進行針對性的安全控制，另一方面，細粒度的數據劃分也能夠消除一些并發訪問，降低并發訪問量。

按功能分區

把不相干的數據剔除出去（把緊密相關的數據放到一起），有助于加強數據隔離，提升數據訪問性能，比如把客戶信息和商品庫存信息分開。

分區的代價

把單庫拆成多庫，雖然能夠解決數據庫的擴展性難題，但也引發了一些新問題：

• 連表查詢慢：盡量避免跨分區 join、或者考慮并行查詢
• 全表查詢慢：對于需要掃描全量數據的查詢操作，即便有并行優化也慢，可以通過垂直分區、按功能分區來定位目標分區，避免全表查詢，至于水平分區，可以在應用層維護一張映射表，加快分區定位
• 不支持事務操作：將事務操作交由應用層來處理
• 負載不勻導致分區效果大打折扣：考慮增加監控，并根據分析預測定期調整

參考

http://www.ayqy.net/blog/database-partitioning/

總結

以上是生活随笔為你收集整理的后台系统可扩展性学习笔记（十）Database Partitioning的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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