6.分布式数据库与分库分表

目录

一、分库分表核心概念

• 核心目标：突破单库性能瓶颈，应对海量数据与高并发 • ​​垂直拆分​​：按业务模块拆分（用户库、订单库、商品库） • ​​水平拆分​​：单表数据分片（用户ID取模、时间范围分片）

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二、分片策略与避坑指南

• 分片键选择：高基数字段（用户ID）、业务关联性、数据均衡性 • ​​分片算法​​：哈希取模（均匀分布）、一致性哈希（扩容友好）、范围分片（冷热分离） • ​​避坑要点​​：禁止无分片键查询、避免后期改分片键、分片数预留扩容空间

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三、ShardingSphere 企业级实战

• 技术选型：Sharding-JDBC（轻量级） vs Sharding-Proxy（多语言支持） • ​​Spring Boot整合​​：分片规则配置、读写分离、分布式主键（Snowflake） • ​​高阶功能​​：数据脱敏、柔性事务（BASE）、多租户隔离

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四、分布式事务解决方案

• 刚性事务：Seata AT模式（全局锁+反向SQL回滚） • ​​柔性事务​​：TCC（Try-Confirm-Cancel）、本地消息表（最终一致） • ​​大厂实践​​：支付宝异步通知补偿、美团分布式事务中间件

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五、数据迁移与动态扩容

• 全量迁移：DataX工具、停机窗口控制 • ​​增量同步​​：Canal监听binlog、双写过渡校验 • ​​在线扩容​​：虚拟节点动态迁移、用户无感知切换

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六、生产监控与调优

• 核心指标：连接池水位、慢SQL率、分片路由耗时 • ​​调优手段​​：避免跨分片查询、异步化聚合统计、热点数据二级分片 • ​​工具链​​：Prometheus监控、SkyWalking链路追踪

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七、大厂真实案例

• 电商订单库：用户ID取模分片 + 冷热数据归档HBase • ​​社交Feed流​​：用户ID+时间联合分片 + 读写分离 • ​​物流轨迹库​​：地理位置GeoHash分片 + Elasticsearch检索

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八、高频面试题精选

• 分库分表后如何高效分页？ • ShardingSphere如何解析SQL路由？ • 分片键数据倾斜的应急方案？ • 如何设计全局唯一ID（雪花算法 vs 号段模式）？

一、分库分表核心概念

核心目标

• 突破单库性能瓶颈： • 连接数限制：单库连接池上限（如MySQL默认151连接），高并发下易阻塞。 • 磁盘IO瓶颈：单机硬盘读写速率如SATA SSD 约500MB/s）。 • 锁竞争严重：高频更新场景（如秒杀库存）导致行锁/表锁冲突。

• 应对海量数据与高并发： • 数据量爆炸：单表数据超千万级后，B+树层级增加，查询性能指数级下降。 • 业务解耦需求：微服务架构下，不同业务模块需独立扩缩容（如用户服务与订单服务）。

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垂直拆分

• 定义：按业务功能模块拆分数据库，每个库独立部署。 • 典型拆分方案： ◦ 用户库：存储用户信息、登录凭证。 ◦ 订单库：订单记录、支付流水。 ◦ 商品库：商品详情、库存信息。

• 优势： • 资源隔离：CPU、内存、磁盘资源按业务独立分配，避免互相影响。 • 专业优化：针对业务特性定制索引和存储引擎（如订单库用InnoDB，日志库用TokuDB）。

• 痛点与解决方案： • 跨库事务：避免跨库事务，改用最终一致性（如本地消息表）。 • JOIN操作难：通过业务层多次查询或数据冗余（如订单表冗余用户昵称）。

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水平拆分

• 定义：将单表数据按分片规则（如用户ID、时间）拆分到多个库/表。 • 典型分片方案： ◦ 用户ID取模：分片号 = user_id % 分片总数（均匀分布，用户查询精准路由）。 ◦ 时间范围分片：按月/年拆分（如order_202301, order_202302），天然支持冷热数据分离。

• 分片键选择原则： • 高基数：分片键值足够分散（如用户ID而非性别）。 • 业务相关性：高频查询条件字段（如订单查询常用user_id和create_time）。

• 挑战与应对： • 跨分片查询复杂：避免无分片键查询，改用ES聚合或业务层分批查询。 • 扩容成本高：分片数预分配为2的N次方（如16→32），用一致性哈希减少数据迁移量。

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常见问题（QA）

Q1：什么时候该用垂直拆分，什么时候用水平拆分？ • 垂直拆分优先：业务模块清晰、数据增长可控（如初期快速验证阶段）。 • 水平拆分必选：单表数据超千万且持续增长（如电商订单、社交动态）。

Q2：分片键选错如何补救？ • 数据迁移：新建分片键正确的表，通过DataX/Spark迁移数据，逐步切换读写流量。 • 双写过渡：新旧分片键同时写入，直到旧数据淘汰。

Q3：如何保证跨库事务一致性？ • 强一致场景：用Seata AT模式（性能要求不高时）。 • 最终一致场景：消息队列异步补偿（如订单创建后发MQ通知库存服务）。

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大厂案例

1. 支付宝用户库垂直拆分： • 拆分用户基础信息库、账户余额库、交易记录库。 • 结果：数据库负载下降60%，故障隔离能力提升。

2. 淘宝订单表水平分片： • 按user_id % 1024分成1024张表，单表数据控制在500万以内。 • 结果：订单查询响应时间从2s降至200ms。

二、分片策略与避坑指南

分片键选择

1. 高基数字段优先

• 定义：分片键的取值可能性足够多（如用户ID、订单号）。 • 案例： • 错误示范：性别字段（基数2）作为分片键 → 数据集中在2个分片，无法扩展。 • 正确方案：用户ID（百万级基数）哈希分片 → 数据均匀分布。

2. 业务强关联性

• 原则：分片键必须是业务高频查询条件（避免全库扫描）。 • 场景： • 订单查询条件：user_id（用户查订单）和 create_time（运营统计）。 • 联合分片键：user_id + create_time（兼顾查询与分布）。

3. 数据均衡性保障

• 算法优化：

// 用户ID哈希后取模（简单均匀分片）  
int shardNo = Math.abs(userId.hashCode()) % shardCount;  
// 增加随机因子防止热点  
int shardNo = (userId.hashCode() + ThreadLocalRandom.current().nextInt(100)) % shardCount;  

• 监控手段：通过ShardingSphere的 SHOW SHARDING TABLE RULES 检查各分片数据量。

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分片算法

1. 哈希取模

• 原理：分片号 = hash(key) % 分片总数 • 优势：数据均匀分布，查询直接定位分片。 • 缺陷： • 扩容困难：分片数变化需全量数据迁移。 • 范围查询弱：如时间范围查询需遍历所有分片。 • 适用场景：用户表、订单表等无范围查询需求的数据。

2. 一致性哈希

• 原理：构建哈希环，节点虚拟化分散在环上，数据哈希值顺时针找到最近节点。 • 优势：扩容时仅迁移相邻节点数据，影响小。 • 生产配置（Java示例）：

// 使用TreeMap实现一致性哈希环  
TreeMap hashRing = new TreeMap<>();  
for (int i = 0; i < virtualNodes; i++) {  
    for (String node : nodes) {  
        hashRing.put(MurmurHash.hash(node + "#" + i), node);  
    }  
}  

• 适用场景：需要频繁扩容的社交动态、评论系统。

3. 范围分片

• 原理：按区间划分（如时间、ID范围）。 • 优势： • 冷热分离：历史数据归档低成本存储（如OSS）。 • 分页友好：按时间排序查询天然有序。 • 缺陷：易产生数据倾斜（如某时间段订单暴涨）。 • 案例：物流轨迹表按 YYYYMM 分片，每月自动创建新表。

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避坑要点

1. 禁止无分片键查询

• 风险：全库全表扫描 → 性能雪崩。 • 解决方案： • 代码强制校验：DAO层拦截无分片键查询请求。 • 中间件拦截：ShardingSphere配置 allowRangeQueryWithoutShardingKey=false。 • 大厂实践：抖音订单系统要求所有查询必须携带 user_id 或 order_id。

2. 避免后期修改分片键

• 风险：数据迁移成本高，需停服或灰度切换。 • 应对策略： • 预分片设计：初期采用联合分片键（如 user_id + 预留字段 - 双写过渡：新旧分片键同步写入，逐步迁移。 • 案例：美团外卖订单表从 order_id 分片改为 rider_id + order_id 分片，耗时3个月。

3. 分片数预留扩容空间

• 经验公式：预估3年数据量，分片数按2的N次方设计（如16 → 32）。 • 弹性方案： • 虚拟分片：物理分片数少于逻辑分片数，动态调整映射关系。 • 自动迁移：阿里云DRDS支持在线分片数倍增，数据自动均衡。 • 监控指标：单分片数据量超过500万时触发报警。

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高频面试题

1. 分片键选择不合理导致数据倾斜怎么办？ • 答案：临时方案：写入时加随机后缀；长期方案：改用一致性哈希重新分片。

2. 如何实现跨分片分页查询？ • 答案：业务层排序（如ES聚合结果）或折衷方案（禁止深度分页）。

3. ShardingSphere分片算法如何自定义？ • 答案：实现 StandardShardingAlgorithm 接口，注入分片逻辑。

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生产级代码片段：

// ShardingSphere 分片规则配置（按user_id哈希分片）  
shardingRuleConfig.getTableRuleConfigs().add(  
    new TableRuleConfiguration("user", "ds${0..1_${0..15}")  
        .setDatabaseShardingStrategyConfig(  
            new StandardShardingStrategyConfiguration("user_id", "dbHashMod")  
        )  
        .setTableShardingStrategyConfig(  
            new StandardShardingStrategyConfiguration("user_id", "tableHashMod")  
        )  
);  
// 自定义分片算法（哈希取模）  
public final class HashModShardingAlgorithm implements StandardShardingAlgorithm {  
    @Override  
    public String doSharding(Collection availableTargetNames, RangeShardingValue shardingValue) {  
        // 实现分片逻辑  
    }  
}  

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三、ShardingSphere 企业级实战

技术选型

• Sharding-JDBC（轻量级）： • 定位：Java应用的JDBC驱动层扩展，透明化分库分表 • 优势：无代理层性能损耗，与Spring Boot深度整合 • 适用场景：中小团队快速落地分库分表（如电商订单分片） • Sharding-Proxy（支持）： • 定位：独立部署的数据库代理，兼容MySQL/PostgreSQL协议 • 优势：支持多语言（PHP/Python可视化（如阿里云DMS） • 适用场景：跨技术栈团队（如Java+Go混合开发） • 选型建议： • 单语言技术栈优先Sharding-JDBC（性能最优） • 需运维管控或混合语言选Sharding-Proxy（牺牲10%~15%性能）

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Spring Boot整合

1. 分片规则配置（YAML示例）

spring:  
  shardingsphere:  
    datasource:  
      names: ds0, ds1  
      ds0:  
        url: jdbc:mysql://db0:3306/order  
        username: root  
        password: 123456  
      ds1:  
        url: jdbc:mysql://db1:3306/order  
    rules:  
      sharding:  
        tables:  
          order:  
            actualDataNodes: ds$->{0..1}.order_$->{0..15}  # 2库x16表  
            databaseStrategy:  
              standard:  
                shardingColumn: user_id  
                shardingAlgorithmName: db-hash-mod  
            tableStrategy:  
              standard:  
                shardingColumn: order_id  
                shardingAlgorithmName: table-hash-mod  
        shardingAlgorithms:  
          db-hash-mod:  
            type: HASH_MOD  
            props:  
              sharding-count: 2  
          table-hash-mod:  
            type: HASH_MOD  
            props:  
              sharding-count: 16  

2. 读写分离配置

spring:  
  shardingsphere:  
    rules:  
      replica-query:  
        dataSources:  
          pr_ds:  
            primaryDataSourceName: ds-primary  
            replicaDataSourceNames: ds-replica1, ds-replica2  
            loadBalancerName: round-robin  
        loadBalancers:  
          round-robin:  
            type: ROUND_ROBIN  

3. 分布式主键生成

// flake算法（防止时钟回拨）  
@Bean  
public KeyGenerateAlgorithm keyGenerator() {  
    return new SnowflakeKeyGenerateAlgorithm()  
        .setProps(Collections.singletonMap("max-tolerate-time-difference-milliseconds", "60000"));  
}  

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高阶功能

1. 数据

• 场景：手机号、身份证号等敏感信息加密存储 • 实现：

spring:  
  shardingsphere:  
    rules:  
      encrypt:  
        encryptors:  
          mobile_encryptor:  
            type: AES  
            props:  
              aes-key-value: 123456  
        tables:  
          user:  
            columns:  
              phone:  
                cipherColumn: phone_cipher  
                encryptorName: mobile_encryptor  

• 查询处理：自动加解密，业务代码无感知

2. 柔性事务（BASE）

• 本地消息表实现：

1. 业务事务提交时，写入本地消息表

2. 定时任务扫描并发送消息到MQ

3. 消费者处理成功后更新消息状态 • ShardingSphere集成：

spring:  
  shardingsphere:  
    rules:  
      transaction:  
        defaultType: BASE  
        providerType: Local  

3. 多租户隔离

• 场景：SaaS系统按租户分库（如企业ID分片） • 配置：

tables:  
  report:  
    actualDataNodes: ds_${0..9}.report_${0..9}  
    databaseStrategy:  
      standard:  
        shardingColumn: tenant_id  
        shardingAlgorithmName: tenant-mod  
shardingAlgorithms:  
  tenant-mod:  
    type: MOD  
    props:  
      sharding-count: 10  

• 数据隔离：通过HintManager强制路由租户上下文

HintManager.getInstance().setDatabaseShardingValue(tenantId);  

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生产经验

1. 分片算法预热： • 启动时预加载分片路由规则，避免首次查询延迟

2. 监控告警： • 通过ShardingSphere-UI监控慢查询与分片负载

3. 灰度发布： • 新旧分片规则并存，通过AB测试逐步切流

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四、分布式事务解决方案

刚性事务：Seata AT模式

核心原理

• 全局锁机制： • 事务协调器（TC）在事务开始时注册全局锁，锁定涉及的行记录。 • 其他事务修改同一数据时，需等待锁释放（默认锁超时时间30秒）。 • 反向SQL回滚： • 提交阶段：各分支事务提交本地事务，释放全局锁。 • 回滚阶段：生成反向SQL（如INSERT→DELETE）撤销已提交的操作。

Spring Boot整合配置

# application.yml  
seata:  
  enabled: true  
  application-id: order-service  
  tx-service-group: my-tx-group  
  registry:  
    type: nacos  
    nacos:  
      server-addr: 127.0.0.1:8848  
  config:  
    type: nacos  
    nacos:  
      server-addr: 127.0.0.1:8848  

@GlobalTransactional  // 开启全局事务  
public void placeOrder() {  
    orderService.create();  
    stockService.deduct();  
}  

适用场景与限制

• 适用场景：短事务（执行时间<1秒）、简单业务逻辑（如扣减库存+生成订单）。 • 限制： • 不支持嵌套事务。 • 高并发场景下全局锁可能成为性能瓶颈。

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柔性事务：TCC与本地消息表

1. TCC（Try-Confirm-Cancel）

• 三阶段流程：

阶段	动作	案例（转账业务）
Try	资源预留（冻结账户金额）	account.freeze(100元)
Confirm	确认操作（实际扣款）	account.debit(100元)
Cancel	取消预留（解冻金额）	account.unfreeze(100元)

• Java实现示例：

@Transactional  
public boolean tryTransfer(String from, String to, BigDecimal amount) {  
    // 冻结转出账户资金  
    accountService.freeze(from, amount);  
    // 预增转入账户可用额度  
    accountService.prepareCredit(to, amount);  
    return true;  
}  

@Transactional  
public boolean confirmTransfer(String txId) {  
    // 实际扣减转出账户  
    accountService.debit(txId);  
    // 实际增加转入账户  
    accountService.credit(txId);  
    return true;  
}  

@Transactional  
public boolean cancelTransfer(String txId) {  
    // 解冻转出账户资金  
    accountService.unfreeze(txId);  
    // 撤销转入账户预增  
    accountService.cancelCredit(txId);  
    return true;  
}  

2. 本地消息表（最终一致性）

• 实现流程：

1. 业务事务提交时，向本地消息表插入事件记录（与业务操作同一事务）。

2. 定时任务扫描未处理事件，发送到消息队列（如RocketMQ）。

3. 消费者处理成功后更新事件状态。

• Spring Boot集成：

@Transactional  
public void createOrder(Order order) {  
    orderRepository.save(order);  
    // 写入本地消息表（同一事务）  
    eventRepository.save(new Event("order_created", order.getId()));  
}  

@Scheduled(fixedDelay = 5000)  
public void processEvents() {  
    List events = eventRepository.findByStatus(EventStatus.PENDING);  
    events.forEach(event -> {  
        try {  
            rocketMQTemplate.send("order_topic", event.getPayload());  
            event.setStatus(EventStatus.SUCCESS);  
        } catch (Exception e) {  
            event.setStatus(EventStatus.FAILED          }  
        eventRepository.save(event);  
    });  
}  

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大厂实践

1. 支付宝异步通知补偿

• 场景：支付成功后通知商户系统，确保最终到达。 • 实现： • 支付成功时写入本地消息表。 • 异步重试通知（1s、10s、1m、10m、1h间隔），最多重试24小时。 • 商户系统幂等处理（通过支付流水号去重）。

2. 美团分布式事务中间件

• 架构设计： • 事务协调器：基于Raft协议实现高可用。 • TCC适配层：自动生成Try/Confirm/Cancel接口模板。 • 监控看板：实时追踪事务状态，支持手动冲正。 • 核心指标： • 事务成功率：99.995%（依赖自动补偿机制）。 • 平均处理耗时：Confirm阶段<50ms，Cancel阶段<100ms。

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选型决策树

场景特征	推荐方案	理由
短事务、强一致性需求	Seata AT模式	简单易用，无需业务改造
长事务、高并发（如金融转账）	TCC	细粒度控制，避免资源长期锁定
允许延迟（如通知类业务）	本地消息表	吞吐量高，对业务侵入性低
跨多语言服务（如Java+Go）	消息队列+本地事务	无中心化依赖，兼容异构系统

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五、数据迁移与动态扩容

全量迁移

1. DataX工具实战

• 核心能力： • 支持MySQL、Oracle、HDFS等20+数据源异构迁移 • 分布式架构（Job+Task）提升吞吐量（单机可达500MB/s） • 断点续传、脏数据跳过机制保障稳定性 • 迁移流程：

1. 数据探查：统计表大小、主键分布（避免大事务超时）

2. 作业配置：

{  
  "job": {  
    "content": [{  
      "reader": {  
        "name": "mysqlreader",  
        "parameter": {  
          "username": "root",  
          "password": "123456",  
          "column": ["id", "user_id", "amount"],  
          "splitPk": "id",  // 按主键分片读取  
          "connection": [{  
            "table": ["orders"],  
            "jdbcUrl": ["jdbc:mysql://old-db:3306/order"]  
          }]  
        }  
      },  
      "writer": {  
        "name": "mysqlwriter",  
        "parameter": {  
          "username": "root",  
          "password": "123456",  
          "column": ["id", "user_id", "amount"],  
          "connection": [{  
            "jdbcUrl": "jdbc:mysql://new-db:3306/order",  
            "table": ["orders"]  
          }]  
        }  
      }  
    }]  
  }  
}  

1. 执行与监控： ◦ 日志实时查看： -f datax.log◦ 进度监控：curl http://datax-server:port/job/metrics`

2. 停机窗口控制

• 步骤：

1. 停写：关闭业务写入入口（如Nginx流量拦截）

2. 增量追赶：通过Binlog同步最后N分钟数据

3. 切换验证：对比新旧库数据checksum（mysqldbcompare工具）

4. 恢复写入：开启新库旧库下线 • 时间估算：

• 数据量100GB，网络带宽1Gbps → 全量迁移约15分钟  
• 增量追赶（Binlog延迟） → 5~10分钟  
• 总停机时间 ≈ 30分钟  

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增量同步

1. Canal监听Binlog

• 架构原理： • Canal Server伪装为MySQL从库，接收主库Binlog • MQ（Kafka/RocketMQ）解耦生产与消费速率 • Java客户端消费消息，写入目标库（如ES、分片后的MySQL） • Spring Boot整合：

canal:  
  server: 192.168.1.100:11111  
  destination: example  
  filter: .*\\..*  

@CanalEventListener  
public class OrderEventListener {  
    @ListenPoint(table = "orders")  
    public void onEvent(EventType eventType, RowData rowData) {  
        if (eventType == EventType.INSERT) {  
            Order order = convertRowToOrder(rowData);  
            orderRepository.save(order);  // 写入新库  
        }  
    }  
}  

2. 双写过渡校验

• 双写策略： • 同步双写：事务内同时写入新旧库（强一致，性能低） • 异步双写：写入旧库后发MQ异步写入新库（最终一致，高吞吐） • 数据校验：

-- 新旧库数据比对（定时任务）  
SELECT COUNT(*) FROM old_db.orders  
UNION ALL  
SELECT COUNT(*) FROM new_db.orders;  

-- 差异数据修复  
INSERT INTO new_db.orders  
SELECT * FROM old_db.orders WHERE id NOT IN (SELECT id FROM new_db.orders);  

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在线扩容

1. 虚拟节点动态迁移

• 一致性哈希优化： • 物理节点映射多个虚拟节点（如每个物理节点1000虚拟节点） • 扩容时新增虚拟节点，数据迁移仅影响相邻节点 • 迁移流程：

1. 新节点加入：向集群注册，分配虚拟节点范围

2. 数据迁移： ◦ 扫描旧节点数据，按新路由规则迁移至新节点 ◦ 迁移期间旧节点仍可读写（双写模式）

3. 流量切换：更新路由配置，逐步切流至新节点

2. 用户无感知切换

• 灰度发布： • 按用户ID分流：10%流量切至新节点，观察错误率 • 按地域切流：先切非核心地区（如海外用户） • 回滚方案： • 监控新节点QPS/延迟，超阈值自动回退旧配置 • 数据双写期间保留旧节点数据，支持快速回滚

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生产级Checklist

1. 数据一致性验证： • 全量校验：mysqldump + md5sum • 增量校验：对比新旧库Binlog位点

2. 性能压测： • 模拟双写压力（如JMeter模拟200%流量） • 监控连接池等待、锁竞争指标

3. 容灾演练： • 随机Kill节点，验证数据自愈能力 • 网络分区模拟（如iptables阻断节点通信）

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六、生产监控与调优

核心指标

1. 连接池水位监控

• 关键指标： • 活跃连接数（active）：实时处理请求的连接数 • 空闲连接数（idle）：等待复用的空闲连接 • 最大等待时间（maxWait）：获取连接的超时阈值（超过则抛异常） • 报警规则（Prometheus示例）：

# prometheus-rules.yml  
- alert: HighConnectionPoolUsage  
  expr: sum(shardingsphere_datasource_active_connections) / sum(shardingsphere_datasource_max_connections) > 0.8  
  for: 5m  
  labels:  
    severity: critical  
  annotations:  
    summary: "数据库连接池使用率超过80%"  

• 优化手段： • 动态扩容：HikariCP的maximumPoolSize根据QPS自动调整（需配合微服务动态配置中心） • 连接泄漏检测：Druid的removeAbandoned=true + 告警通知

2. 慢SQL率分析

• 采集方式： • MySQL慢查询日志： sql SET GLOBAL slow_query_log = 'ON'; SET GLOBAL long_query_time = 2; -- 超过2秒的SQL记录 • ShardingSphere全链路追踪： yaml spring: shardingsphere: props: sql-show: true # 打印逻辑SQL与真实SQL • 治理流程：

1. TOP N慢SQL定位：通过mysqldumpslow工具分析日志

2. 执行计划分析：EXPLAIN查看索引使用情况

3. 优化方案： ◦ 缺失索引 → 添加联合索引 ◦ 复杂JOIN → 冗余字段或拆分为多次查询

3. 分片路由耗时

• 监控项： • 路由计算耗时：ShardingSphere的sql_route_time指标 • 跨分片查询比例：shardingsphere_routed_sql_total{type="select", is_broadcast="false"} • 调优方案： • 强制分片键：拦截无分片键查询（ShardingSphere配置allowRangeQueryWithoutShardingKey=false） • 本地缓存路由表：预热高频查询分片位置（如用户ID与分片映射关系）

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调优手段

1. 避免跨分片查询

• 分片键强制校验：

// AOP拦截无分片键查询  
@Around("execution(* com.example.repository.*.*(..))")  
public Object checkShardingKey(ProceedingJoinPoint joinPoint) {  
    MethodSignature signature = (MethodSignature) joinPoint.getSignature();  
    ShardingKeyRequired annotation = signature.getMethod().getAnnotation(ShardingKeyRequired.class);  
    if (annotation != null) {  
        Object[] args = joinPoint.getArgs();  
        if (!hasShardingKey(args)) {  
            throw new IllegalStateException("查询必须包含分片键");  
        }  
    }  
    return joinPoint.proceed();  
}  

• 冗余字段设计：订单表冗余user_id，避免关联查询用户表

2. 异步化聚合统计

• 方案对比：

方案	优点	缺点
MQ+Elasticsearch	实时性高（秒级延迟）	数据需同步到ES
Flink实时计算	支持复杂计算（如UV统计）	架构复杂度高
本地缓存+定时批处理	资源消耗低	实时性差（分钟级延迟）
• 代码示例：

// 订单金额统计异步化  
@Async("statsThreadPool")  
public void asyncOrderStats(LocalDate date) {  
    List orders = orderRepository.findByDate(date);  // 直接查分片  
    BigDecimal total = orders.stream().map(Order::getAmount).reduce(BigDecimal.ZERO, BigDecimal::add);  
    statsCache.put(date, total);  
}  

3. 热点数据二级分片

• 动态分片键： • 场景：某直播间用户评论突增导致单分片过热 • 方案：在原分片键（直播间ID）基础上追加随机后缀（如room_id:123#slot=5） • 本地缓存：

// Caffeine缓存热点评论  
Cache> cache = Caffeine.newBuilder()  
    .maximumSize(10_000)  
    .expireAfterWrite(10, TimeUnit.SECONDS)  // 短时间缓存降低DB压力  
    .build();  

public List getHotComments(String roomId) {  
    return cache.get(roomId, key -> commentRepository.findHotComments(key));  
}  

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工具链

1. Prometheus + Grafana监控

• 数据采集： • ShardingSphere Exporter：暴露shardingsphere_datasource_active_connections等指标 • 自定义指标：通过Micrometer注册业务指标（如跨分片查询次数） • 看板配置：

// Grafana面板示例（分片负载均衡）  
{  
  "panels": [{  
    "type": "graph",  
    "title": "分片查询分布",  
    "targets": [{  
      "expr": "sum(shardingsphere_routed_sql_total) by (datasource)"  
    }]  
  }]  
}  

2. SkyWalking链路追踪

• 集成配置：

# skywalking-agent.config  
agent.service_name=order-service  
collector.backend_service=127.0.0.1:11800  
plugin.mysql.trace_sql_parameters=true  

• 链路分析： • 跨分片查询追踪：自动标记跨库查询的Span • 慢事务根因定位：分析事务链路中的慢SQL或远程调用 • 生产案例： • 美团外卖订单链路：通过SkyWalking定位到跨分片JOIN导致慢查询，优化后RT降低60%

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高频面试题

1. 如何快速定位慢SQL的瓶颈？ • 答：SkyWalking链路追踪 + EXPLAIN执行计划分析，优先检查索引缺失与数据倾斜。

2. 分片路由耗时过高可能是什么原因？ • 答：路由规则复杂（如多分片键联合计算）、未预热路由缓存、跨分片查询过多。

3. 如何设计一个高可用的监控系统？ • 答：Prometheus联邦架构 + Thanos长期存储，配合Grafana多数据源聚合展示。

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七、大厂真实案例

电商订单库：用户ID取模分片 + 冷热数据归档HBase

背景与挑战

• 业务场景：日订单量超千万，单表数据一年破百亿，查询性能从秒级跌至分钟级。 • 核心痛点： • 用户高频查询“我的订单”接口（强依赖user_id）。 • 历史订单占用90%存储但访问频率低（冷热数据混杂）。

分库分表方案

1. 水平分片： • 分片键：user_id % 1024（1024个分片，单分片控制在500万行内）。 • 路由规则：

   // 根据用户ID计算分片  
   int shardNo = Math.abs(userId.hashCode()) % 1024;  
   String tableName = "orders_" + shardNo;  

2. 冷热分离： • 热数据：近3个月订单存MySQL，索引优化（user_id + create_time联合索引）。 • 冷数据：3个月前数据归档HBase，ROW_KEY设计为user_id|order_id（范围扫描优化）。

技术细节

• 数据同步：Canal监听MySQL Binlog，触发冷数据迁移至HBase。 • 查询优化： • 热数据查询直接走MySQL分片。 • 冷数据查询走HBase的PrefixFilter（user_id前缀匹配）。

优化效果

• 查询性能：用户订单列表响应时间从12s降至200ms。 • 存储成本：HBase压缩比提升60%，存储费用降低75%。

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社交Feed流：用户ID+时间联合分片 + 读写分离

业务场景

• 用户发布动态实时推送粉丝，读QPS峰值百万级。 • 单表存储用户动态，数据量日均十亿级。

分片方案

1. 联合分片键： • 主分片键：user_id % 256（256个分片）。 • 二级分片键：create_time按月分表（如feed_202301）。

2. 读写分离： • 写节点：主库处理发布请求，分片规则为user_id。 • 读节点：从库按user_id + create_time分片，支撑粉丝Feed流拉取。

技术实现

• 动态发布：

INSERT INTO feed_{user_id%256} (content, user_id, create_time)  
VALUES ('Hello World', 123456, NOW());  

• Feed流读取：

-- 查询用户关注列表的动态（按时间倒序）  
SELECT * FROM feed_*  
WHERE user_id IN (SELECT followed_user_id FROM follow WHERE fan_user_id = 123)  
ORDER BY create_time DESC LIMIT 100;  

• 优化手段： ◦ 粉丝关系缓存Redis（Sorted Set存储关注列表）。 ◦ Feed流结果缓存CDN，降低DB压力。

性能提升

• 发布吞吐量：从5K TPS提升至50K TPS。 • 读延迟：Feed流加载从3s降至800ms。

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物流轨迹库：地理位置GeoHash分片 + Elasticsearch检索

业务需求

• 存储全国物流轨迹点，每日新增轨迹数据十亿级。 • 需支持两类查询： • 精确查询：根据运单号查全链路轨迹。 • 区域查询：查询某地所有待派送订单。

分片方案

1. GeoHash分片： • 原理：将经纬度编码为字符串（如wx4g0），按前缀分片。 • 分片键：geohash.substring(0, 3)（前3位作为分片键，256个分片）。

2. Elasticsearch辅助索引： • 空间索引（geo_point）：支持半径1km内的订单搜索。 • 联合查询：运单号走MySQL分片，地理位置走Elasticsearch。

技术实现

• 写入流程：

// 计算GeoHash（纬度31.23, 经度121.47）  
String geoHash = GeoHash.encode(31.23, 121.47, 5);  
// 插入MySQL分片  
String table = "track_" + geoHash.substring(0, 3);  
jdbcTemplate.update("INSERT INTO " + table + " VALUES (?, ?, ?)", orderId, geoHash, time);  
// 同步到Elasticsearch  
esClient.index(new IndexRequest("track").id(orderId)  
    .source(JsonUtils.toMap(new TrackPoint(orderId, geoHash, time))));  

• 区域查询：

GET /track/_search  
{  
  "query": {  
    "geo_distance": {  
      "distance": "1km",  
      "location": "31.23,121.47"  
    }  
  }  
}  

优化效果

• 精确查询：运单号查询走MySQL分片，RT<50ms。 • 区域查询：Elasticsearch百公里范围检索，RT<200ms。

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八、高频面试题精选

1. 分库分表后如何高效分页？

问题分析

• 传统分页失效：LIMIT 10000, 10需扫描并丢弃前10000行，跨分片时性能灾难。 • 解决方案： • 业务折衷： ◦ 禁止跳页（仅允许“下一页”按钮），用连续游标（如Search After）。 sql -- 第一页 SELECT * FROM orders WHERE user_id=123 ORDER BY id LIMIT 10; -- 第二页（使用上一页最后一条ID） SELECT * FROM orders WHERE user_id=123 AND id > last_id ORDER BY id LIMIT 10; • Elasticsearch辅助：复杂条件分页走ES，结果反查MySQL获取明细。 • 内存分页：若数据可缓存（如Redis），全量加载后内存中分页。

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2. ShardingSphere如何解析SQL路由？

核心流程

1. SQL解析： • 解析引擎生成抽象语法树（AST），提取分片条件（如user_id=123）。

2. 路由计算： • 精确路由：分片键等值查询（user_id=123）直接定位分片。 • 广播路由：无分片键的更新（如UPDATE config SET value=1）全分片执行。

3. 结果归并： • 跨分片查询结果在内存中排序、聚合（如ORDER BY time DESC）。

配置示例

rules:  
  - !SHARDING  
    tables:  
      orders:  
        actualDataNodes: ds_${0..1}.orders_${0..15}  
        databaseStrategy:  
          standard:  
            shardingColumn: user_id  
            shardingAlgorithmName: hash_mod  
    shardingAlgorithms:  
      hash_mod:  
        type: HASH_MOD  
        props:  
          sharding-count: 2  

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3. 分片键数据倾斜的应急方案？

临时措施

• 虚拟节点再平衡：

// 原分片：user_id % 8  
// 扩容后：(user_id.hashCode() + virtual_node) % 16  
int newShard = (userId.hashCode() + slot) % 16;  

• 热点数据二级分片： • 例如对热点用户（如网红）的订单按user_id + order_id联合分片。

长期方案

• 分片键改造：联合业务高基字段（如user_id + city_code）。 • 动态分片：根据数据分布自动调整分片映射（如一致性哈希）。

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4. 如何设计全局唯一ID（雪花算法 vs 号段模式）？

方案对比

维度	雪花算法（Snowflake）	号段模式（Segment）
唯一性	全局唯一（数据中心ID+机器ID+时间戳+序列号）	依赖数据库唯一性保障（如自增主键）
性能	本地生成，无网络开销（单机每秒百万级）	需预取号段，DB宕机影响ID生成
缺点	时钟回拨导致ID重复（需处理NTP同步）	号段耗尽时需访问DB，存在尖峰压力
适用场景	高并发分布式系统（如电商订单、支付流水）	中小规模系统（如内部管理平台）

Snowflake避坑实践

public class SnowflakeIdWorker {  
    private long twepoch = 1288834974657L;  // 起始时间戳  
    private long sequence = 0L;  
    // 解决时钟回拨  
    public synchronized long nextId() {  
        long timestamp = timeGen();  
        if (timestamp < lastTimestamp) {  
            long offset = lastTimestamp - timestamp;  
            if (offset <= 5) {   // 允许回拨5ms内等待  
                Thread.sleep(offset << 1);  
                timestamp = timeGen();  
            } else {  
                throw new RuntimeException("时钟回拨超过5ms");  
            }  
        }  
        // ...生成ID逻辑  
    }  
}  

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总结：本章涵盖的案例与面试题均来自阿里、美团、字节等一线大厂真题，掌握这些内容可从容应对95%的分库分表相关技术挑战。