看完这一篇，ShardingSphere-jdbc 实战再也不怕了

小鱼儿 2023-09-24 21:37 10阅读 0赞

谈到分库分表中间件时，我们自然而然的会想到 ShardingSphere-JDBC 。

这篇文章，我们聊聊 ShardingSphere-JDBC 相关知识点，并实战演示一番。

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# 1 ShardingSphere 生态 #

Apache ShardingSphere 是一款分布式的数据库生态系统，它包含两大产品：

*  ShardingSphere-Proxy
 *  ShardingSphere-JDBC

**▍一、ShardingSphere-Proxy**

ShardingSphere-Proxy 被定位为透明化的数据库代理端，提供封装了数据库二进制协议的服务端版本，用于完成对异构语言的支持。

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代理层介于应用程序与数据库间，每次请求都需要做一次转发，请求会存在额外的时延。

这种方式对于应用非常友好，应用基本零改动，和语言无关，可以通过连接共享减少连接数消耗。

**▍二、ShardingSphere-JDBC**

ShardingSphere-JDBC 是 ShardingSphere 的第一个产品，也是 ShardingSphere 的前身， 我们经常简称之为：sharding-jdbc 。

它定位为轻量级 Java 框架，在 Java 的 JDBC 层提供的额外服务。它使用客户端直连数据库，以 jar 包形式提供服务，无需额外部署和依赖，可理解为增强版的 JDBC 驱动，完全兼容 JDBC 和各种 ORM 框架。

![format_png 2][]

--------------------

当我们在 Proxy 和 JDBC 两种模式选择时，可以参考下表对照：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>JDBC</th> 
   <th>Proxy</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>数据库</td> 
   <td><code>任意</code></td> 
   <td>MySQL/PostgreSQL</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>连接消耗数</td> 
   <td><code>高</code></td> 
   <td>低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>异构语言</td> 
   <td><code>仅Java</code></td> 
   <td>任意</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>性能</td> 
   <td><code>损耗低</code></td> 
   <td>损耗略高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>无中心化</td> 
   <td><code>是</code></td> 
   <td>否</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>静态入口</td> 
   <td><code>无</code></td> 
   <td>有</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

越来越多的公司都在生产环境使用了 sharding-jdbc ，最核心的原因就是：**简单**（原理简单，易于实现，方便运维）。

# 2 基本原理 #

在后端开发中，JDBC 编程是最基本的操作。不管 ORM 框架是 Mybatis 还是 Hibernate ，亦或是 spring-jpa ，他们的底层实现是 JDBC 的模型。

![format_png 3][]

**sharding-jdbc 的本质上就是实现 JDBC 的核心接口。**

![format_png 4][]

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>接口</th> 
   <th>实现类</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>DataSource</td> 
   <td>ShardingDataSource</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Connection</td> 
   <td>ShardingConnection</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Statement</td> 
   <td>ShardingStatement</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>PreparedStatement</td> 
   <td>ShardingPreparedStatement</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>ResultSet</td> 
   <td>ShardingResultSet</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

虽然我们理解了 sharding-jdbc 的本质，但是真正实现起来还有非常多的细节，下图展示了 Prxoy 和 JDBC 两种模式的核心流程。

![format_png 5][]

1.**SQL 解析**

分为词法解析和语法解析。 先通过词法解析器将 SQL 拆分为一个个不可再分的单词。再使用语法解析器对 SQL 进行理解，并最终提炼出解析上下文。

解析上下文包括表、选择项、排序项、分组项、聚合函数、分页信息、查询条件以及可能需要修改的占位符的标记。

2.**执行器优化**

合并和优化分片条件，如 OR 等。

3.**SQL 路由**

根据解析上下文匹配用户配置的分片策略，并生成路由路径。目前支持分片路由和广播路由。

4.**SQL 改写**

将 SQL 改写为在真实数据库中可以正确执行的语句。SQL 改写分为正确性改写和优化改写。

5.**SQL 执行**

通过多线程执行器异步执行。

6.**结果归并**

将多个执行结果集归并以便于通过统一的 JDBC 接口输出。结果归并包括**流式归并**、**内存归并**和使用装饰者模式的**追加归并**这几种方式。

> 本文的重点在于实战层面， sharding-jdbc 的实现原理细节我们会在后续的文章一一给大家呈现 。

# 3 实战案例 #

笔者曾经为武汉一家 O2O 公司订单服务做过分库分表架构设计 ，当企业用户创建一条采购订单 ， 会生成如下记录：

*  订单基础表**t\_ent\_order** ：单条记录
 *  订单详情表**t\_ent\_order\_detail** ：单条记录
 *  订单明细表**t\_ent\_order\_item：N** 条记录

订单数据采用了如下的分库分表策略：

*  订单基础表按照 ent\_id (企业用户编号) 分库 ，订单详情表保持一致；
 *  订单明细表按照 ent\_id (企业用户编号) 分库，同时也要按照 ent\_id (企业编号) 分表。

首先创建 4 个库，分别是：ds\_0、ds\_1、ds\_2、ds\_3 。

这四个分库，每个分库都包含 订单基础表 ， 订单详情表 ，订单明细表 。但是因为明细表需要分表，所以包含多张表。

![format_png 6][]

然后 springboot 项目中配置依赖 ：

1
    <dependency>
    2
        <groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
    3
        <artifactId>sharding-jdbc-spring-boot-starter</artifactId>
    4
        <version>4.1.1</version>
    5
    </dependency>
    复制代码

配置文件中配置如下：

![format_png 7][]

*  配置数据源，上面配置数据源是： ds0、ds1、ds2、ds3 ；
 *  配置打印日志，也就是：sql.show ，在测试环境建议打开 ，便于调试；
 *  配置哪些表需要分库分表 ，在 shardingsphere.datasource.sharding.tables 节点下面配置：

![format_png 8][]

上图中我们看到配置分片规则包含如下两点：

1.**真实节点**

对于我们的应用来讲，我们查询的**逻辑表**是：t\_ent\_order\_item 。

它们在数据库中的真实形态是：`t_ent_order_item_0` 到 `t_ent_order_item_7`。

真实数据节点是指数据分片的最小单元，由数据源名称和数据表组成。

订单明细表的真实节点是：`ds$->{0..3}.t_ent_order_item_$->{0..7}` 。

2.**分库分表算法**

配置分库策略和分表策略 , 每种策略都需要配置**分片字段**（ sharding-columns ）和**分片算法**。

# 4 基因法 & 自定义复合分片算法 #

分片算法和阿里开源的数据库中间件 cobar 路由算法非常类似的。

假设现在需要将订单表平均拆分到4个分库 shard0 ，shard1 ，shard2 ，shard3 。

首先将 \[0-1023\] 平均分为4个区段：\[0-255\]，\[256-511\]，\[512-767\]，\[768-1023\]，然后对字符串（或子串，由用户自定义）做 hash， hash 结果对 1024 取模，最终得出的结果 **slot** 落入哪个区段，便路由到哪个分库。

![format_png 9][]

看起来分片算法很简单，但我们需要按照订单 ID 查询订单信息时依然需要路由四个分片，效率不高，那么如何优化呢 ？

答案是：**基因法** & **自定义复合分片算法**。

基因法是指在订单 ID 中携带企业用户编号信息，我们可以在创建订单 **order\_id** 时使用雪花算法，然后将 **slot** 的值保存在 **10位工作机器 ID** 里。

![format_png 10][]

通过订单 order\_id 可以反查出 **slot** , 就可以定位该用户的订单数据存储在哪个分片里。

1
    Integer getWorkerId(Long orderId) {
    2
     Long workerId = (orderId >> 12) & 0x03ff;
    3
     return workerId.intValue();
    4
    }
    复制代码

下图展示了订单 ID 使用雪花算法的生成过程，生成的编号会携带企业用户 ID 信息。

![format_png 11][]

解决了分布式 ID 问题，接下来的一个问题：sharding-jdbc 可否支持按照订单 ID ，企业用户 ID 两个字段来决定分片路由吗？

答案是：**自定义复合分片算法**。我们只需要实现 **ComplexKeysShardingAlgorithm** 类即可。

![format_png 12][]

复合分片的算法流程非常简单：

1.分片键中有主键值，则直接通过主键解析出路由分片；

2.分片键中不存在主键值 ，则按照其他分片字段值解析出路由分片。

# 5 扩容方案 #

既然做了分库分表，如何实现**平滑扩容**也是一个非常有趣的话题。

在数据同步之前，需要梳理迁移范围。

1.**业务唯一主键**；

在进行数据同步前，需要先梳理所有表的唯一业务 ID，只有确定了唯一业务 ID 才能实现数据的同步操作。

需要注意的是：业务中是否有使用数据库自增 ID 做为业务 ID 使用的，如果有需要业务先进行改造 。另外确保每个表是否都有唯一索引，一旦表中没有唯一索引，就会在数据同步过程中造成数据重复的风险，所以我们先将没有唯一索引的表根据业务场景增加唯一索引（有可能是联合唯一索引）。

2.**迁移哪些表，迁移后的分库分表规则**；

分表规则不同决定着 rehash 和数据校验的不同。需逐个表梳理是用户ID纬度分表还是非用户ID纬度分表、是否只分库不分表、是否不分库不分表等等。

接下来，**进入数据同步环节**。

整体方案见下图，数据同步基于 binlog ，独立的中间服务做同步，对业务代码无侵入。

![format_png 13][]

首先需要做**历史数据全量同步**：也就是将旧库迁移到新库。

单独一个服务，使用**游标**的方式从旧库分片 select 语句，经过 rehash 后批量插入 （batch insert）到新库，需要配置jdbc 连接串参数 rewriteBatchedStatements=true 才能使批处理操作生效。

因为历史数据也会存在不断的更新，如果先开启历史数据全量同步，则刚同步完成的数据有可能不是最新的。

所以我们会先开启增量数据单向同步（从旧库到新库），此时只是开启积压 kafka 消息并不会真正消费；然后在开始历史数据全量同步，当历史全量数据同步完成后，在开启消费 kafka 消息进行增量数据同步（提高全量同步效率减少积压也是关键的一环），这样来保证迁移数据过程中的数据一致。

增量数据同步考虑到灰度切流稳定性、容灾 和可回滚能力 ，采用实时双向同步方案，切流过程中一旦新库出现稳定性问题或者新库出现数据一致问题，可快速回滚切回旧库，保证数据库的稳定和数据可靠。

增量数据实时同步的大体思路 ：

1.**过滤循环消息**

需要过滤掉循环同步的 binlog 消息 ;

2.**数据合并**

同一条记录的多条操作只保留最后一条。为了提高性能，数据同步组件接到 kafka 消息后不会立刻进行数据流转，而是先存到本地阻塞队列，然后由本地定时任务每X秒将本地队列中的N条数据进行数据流转操作。此时N条数据有可能是对同一张表同一条记录的操作，所以此处只需要保留最后一条（类似于 redis aof 重写）;

3.**update 转 insert**

数据合并时，如果数据中有 insert + update 只保留最后一条 update ，会执行失败，所以此处需要将 update 转为 insert 语句 ;

4.**按新表合并**

将最终要提交的 N 条数据，按照新表进行拆分合并，这样可以直接按照新表纬度进行数据库批量操作，提高插入效率。

> 扩容方案文字来自 《256变4096：分库分表扩容如何实现平滑数据迁移》，笔者做了些许调整。

# 6 总结 #

sharding-jdbc 的本质是实现 JDBC 的核心接口，架构相对简单。

实战过程中，需要配置数据源信息，逻辑表对应的真实节点和分库分表策略（**分片字段**和**分片算法**）

实现分布式主键直接路由到对应分片，则需要使用**基因法 & 自定义复合分片算法** 。

平滑扩容的核心是**全量同步**和**实时双向同步**，工程上有不少细节。

--------------------

实战代码地址：

> [github.com/makemyownli…][github.com_makemyownli]
> 
> ![format_png 14][]

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