数据库典型架构实践

本文将介绍数据库架构设计中的一些基本概念，常见问题以及对应解决方案，为了便于读者理解，将以“用户中心”为例，讲解数据库架构设计的常见玩法。

01

用户中心

用户中心是一个非常常见的业务，主要提供用户注册、登录、信息查询与修改的服务，其核心元数据为：

User(uid, uname, passwd, sex, age, nickname, …)

其中：

• uid为用户ID，主键。
• uname, passwd, sex, age, nickname, …等为用户的属性。

数据库设计上，一般来说在业务初期，单库单表就能够搞定这个需求。

为了方便大家理解，后文图片说明如下：

• “灰色”方框，表示service，服务。
• “紫色”圆框，标识master，主库。
• “粉色”圆框，表示slave，从库。

02

单库架构

最常见的架构设计如上：

• user-service：用户中心服务，对调用者提供友好的RPC接口。
• user-db：一个库进行数据存储。

03

分组架构

1. 分组架构究竟解决什么问题？

答：大部分互联网业务读多写少，数据库的读往往最先成为性能瓶颈，如果希望：

• 线性提升数据库读性能。
• 通过消除读写锁冲突提升数据库写性能。
• 通过冗余从库实现数据的“读高可用”。

此时可以使用分组架构，需要注意的是，分组架构中，数据库的主库依然是写单点。

04

分片架构

1. 分片架构究竟解决什么问题？

答：大部分互联网业务数据量很大，单库容量容易成为瓶颈，此时通过分片可以：

• 线性提升数据库写性能，需要注意的是，分组架构是不能线性提升数据库写性能的。
• 降低单库数据容量。

一句话总结，分片解决的是“数据库数据量大”问题，所实施的架构设计。

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分组+分片架构

如果业务读写并发量很高，数据量也很大，通常需要实施分组+分片的数据库架构：

• 通过分片来降低单库的数据量，线性提升数据库的写性能。
• 通过分组来线性提升数据库的读性能，保证读库的高可用。

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垂直切分

除了水平切分，垂直切分也是一类常见的数据库架构设计，垂直切分一般和业务结合比较紧密。

还是以用户中心为例，可以这么进行垂直切分：

User(uid, uname, passwd, sex, age, …)

User_EX(uid, intro, sign, …)

• 垂直切分开的表，主键都是uid。
• 登录名，密码，性别，年龄等属性放在一个垂直表（库）里。
• 自我介绍，个人签名等属性放在另一个垂直表（库）里。

1. 如何进行垂直切分？

答：根据业务对数据进行垂直切分时，一般要考虑属性的“长度”和“访问频度”两个因素：

• 长度较短，访问频度较高的放在一起。
• 长度较长，访问频度较低的放在一起。

这是因为，数据库会以行(row)为单位，将数load到内存(buffer)里，在内存容量有限的情况下，长度短且访问频度高的属性，内存能够load更多的数据，命中率会更高，磁盘IO会减少，数据库的性能会提升。

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业务场景决定数据库架构

• 业务初期用单库。
• 读压力大，读高可用，用分组。
• 数据量大，写线性扩容，用分片。
• 属性短，访问频度高的属性，垂直拆分到一起。

本文以“用户中心”为例，对常见数据库架构设计进行了简要梳理与总结，但实际数据库架构设计远比此复杂，特别是水平切分的架构设计，不同业务场景的切分方式不尽相同。

感兴趣的可以订阅我的专栏，后续将要详细介绍，覆盖90%互联网业务特性的四类业务：

从《从“单KEY”类业务》中了解到：

• 水平切分方式
• 水平切分后碰到的问题
• 用户侧与运营侧架构设计思路
• 用户前台侧，“建立非uid属性到uid的映射关系”最佳实践
• 运营后台侧，“前台与后台分离”最佳实践

从《“1对多”类业务》这篇文章，能够了解到：

• “1对多”类业务，在架构上，采用元数据与索引数据分离的架构设计方法；
• 对于元数据的存储，在数据量较大的情况下，有三种常见的切分方法。

从《“多对多”类业务》这篇文章，能够了解到：

• 好友业务是一个典型的多对多关系，又分为强好友与弱好友；
• 数据冗余是一个常见的多对多业务数据水平切分实践；
• 冗余数据的常见三种方案；
• 实现一致性要实践的常见三种方案。

从《“多KEY”类业务》这篇文章，能够了解到：

• 前台、后台系统web/service/db分离解耦，避免后台低效查询引发前台查询抖动。
• 采用前台与后台数据冗余的设计方式，分别满足两侧的需求。
• 采用“外置索引”（例如ES搜索系统）或者“大数据处理”（例如HIVE）来满足后台变态的查询需求。

这个专栏系统的展开描述了“水平切分”这一个话题，在数据库架构设计过程中，除了水平切分，至少还会遇到这样一些问题：

• 可用性：不管是主库实例，还是从库实例，如果数据库实例挂了，如何不影响数据的读和写。
• 读性能：互联网业务大多是读多写少的业务，如果提升数据库的读性能是架构设计中必须考虑的问题。
• 一致性：数据一旦冗余，就可能出现一致性问题，如何解决主库与从库之间的不一致，如何解决数据库与缓存之间的不一致，也是需要重点设计的。
• 扩展性：如何在不停服务的情况下扩充数据表的属性，实施数据迁移，实施存储引擎的切换，架构设计上都是十分有讲究的。
• 分布式SQL语句：单库情况下，所有SQL语句的执行都没问题问题，一旦实施了水平切分，如何实现SQL的集函数，分页，非patition key上的查询都成了大问题。