本文将以“帖子中心”为例，介绍“1对多”类业务，随着数据量的逐步增大，数据库性能显著降低，数据库水平切分相关的架构实践：
- 如何来实施水平切分
- 水平切分后常见的问题
- 典型问题的优化思路及实践
一、什么是1对多关系
所谓的“1对1”，“1对多”，“多对多”，来自数据库设计中的“实体-关系”ER模型，用来描述实体之间的映射关系。
1对1
- 一个用户只有一个登录名，一个登录名只对应一个用户
- 一个uid对应一个login_name，一个login_name只对应一个uid
这是一个1对1的关系。
1对多
- 一个用户可以发多条微博，一条微博只有一个发送者
- 一个uid对应多个msg_id，一个msg_id只对应一个uid
这是一个1对多的关系。
多对多
- 一个用户可以关注多个用户
- 一个用户也可以被多个粉丝关注
这是一个多对多的关系。
二、帖子中心业务分析
帖子中心是一个典型的1对多业务。
一个用户可以发布多个帖子，一个帖子只对应一个发布者。
任何脱离业务的架构设计都是耍流氓，先来看看帖子中心对应的业务需求。
帖子中心，是一个提供帖子发布/修改/删除/查看/搜索的服务。
写操作：
- 发布(insert)帖子
- 修改(update)帖子
- 删除(delete)帖子
读操作：
- 通过tid查询(select)帖子实体，单行查询
- 通过uid查询(select)用户发布过的帖子，列表查询
- 帖子检索(search)，例如通过时间、标题、内容搜索符合条件的帖子
在数据量较大，并发量较大的时候，通常通过元数据与索引数据分离的架构来满足不同类型的需求：
架构中的几个关键点：
- tiezi-center：帖子服务
- tiezi-db：提供元数据存储
- tiezi-search：帖子搜索服务
- tiezi-index：提供索引数据存储
- MQ：tiezi-center与tiezi-search通讯媒介，一般不直接使用RPC调用，而是通过MQ对两个子系统解耦(为何这么解耦，请参见《到底什么时候该使用MQ?》)
其中，tiezi-center和tiezi-search分别满足两类不同的读需求：
如上图所示：
- tid和uid上的查询需求，可以由tiezi-center从元数据读取并返回
- 其他类检索需求，可以由tiezi-search从索引数据检索并返回
对于写需求：
如上图所示：
- 增加，修改，删除的操作都会从tiezi-center发起
- tiezi-center修改元数据
- tiezi-center将信息修改通知发送给MQ
- tiezi-search从MQ接受修改信息
- tiezi-search修改索引数据
tiezi-search，搜索架构不是本文的重点(外置索引架构设计，请参见《100亿数据1万属性数据架构设计》)，后文将重点描述帖子中心元数据这一块的水平切分设计。
三、帖子中心元数据设计
通过帖子中心业务分析，很容易了解到，其核心元数据为：
- Tiezi(tid, uid, time, title, content, …);
其中：
- tid为帖子ID，主键
- uid为用户ID，发帖人
- time, title, content …等为帖子属性
数据库设计上，在业务初期，单库就能满足元数据存储要求，其典型的架构设计为：
- tiezi-center：帖子中心服务，对调用者提供友好的RPC接口
- tiezi-db：对帖子数据进行存储
在相关字段上建立索引，就能满足相关业务需求：
- 帖子记录查询，通过tid查询，约占读请求量90%
- select * from t_tiezi where tid=$tid
- select * from t_tiezi where uid=$uid
四、帖子中心水平切分-tid切分法
当数据量越来越大时，需要对帖子数据的存储进行线性扩展。
既然是帖子中心，并且帖子记录查询量占了总请求的90%，很容易想到通过tid字段取模来进行水平切分：
这个方法简单直接，优点：
- 100%写请求可以直接定位到库
- 90%的读请求可以直接定位到库
缺点：
- 一个用户发布的所有帖子可能会落到不同的库上，10%的请求通过uid来查询会比较麻烦
如上图，一个uid访问需要遍历所有库。
五、帖子中心水平切分-uid切分法
有没有一种切分方法，确保同一个用户发布的所有帖子都落在同一个库上，而在查询一个用户发布的所有帖子时，不需要去遍历所有的库呢?
答：使用uid来分库可以解决这个问题。
新出现的问题：如果使用uid来分库，确保了一个用户的帖子数据落在同一个库上，那通过tid来查询，就不知道这个帖子落在哪个库上了，岂不是还需要遍历全库，需要怎么优化呢?
答：tid的查询是单行记录查询，只要在数据库(或者缓存)记录tid到uid的映射关系，就能解决这个问题。
新增一个索引库：
- t_mapping(tid, uid);
- 这个库只有两列，可以承载很多数据
- 即使数据量过大，索引库可以利用tid水平切分
- 这类kv形式的索引结构，可以很好的利用cache优化查询性能
- 一旦帖子发布，tid和uid的映射关系就不会发生变化，cache的***率会非常高
使用uid分库，并增加索引库记录tid到uid的映射关系之后，每当有uid上的查询：
可以通过uid直接定位到库。
每当有tid上的查询：
- 先查询索引表，通过tid查询到对应的uid
- 再通过uid定位到库
这个方法的优点：
- 一个用户发布的所以帖子落在同一个库上
- 10%的请求过过uid来查询列表，可以直接定位到库
- 索引表cache***率非常高，因为tid与uid的映射关系不会变
缺点：
- 90%的tid请求，以及100%的修改请求，不能直接定位到库，需要先进行一次索引表的查询，当然这个查询非常块，通常在5ms内可以返回
- 数据插入时需要操作元数据与索引表，可能引发潜在的一致性问题
六、帖子中心水平切分-基因法
有没有一种方法，既能够通过uid定位到库，又不需要建立索引表来进行二次查询呢，这就是本文要叙述的“1对多”业务分库***实践，基因法。
什么是分库基因?
通过uid分库，假设分为16个库，采用uid%16的方式来进行数据库路由，这里的uid%16，其本质是uid的***4个bit决定这行数据落在哪个库上，这4个bit，就是分库基因。
什么是基因法分库?
在“1对多”的业务场景，使用“1”分库，在“多”的数据id生成时，id末端加入分库基因，就能同时满足“1”和“多”的分库查询需求。
如上图所示，uid=666的用户发布了一条帖子(666的二进制表示为：1010011010)：
- 使用uid%16分库，决定这行数据要插入到哪个库中
- 分库基因是uid的***4个bit，即1010
- 在生成tid时，先使用一种分布式ID生成算法生成前60bit(上图中绿色部分)
- 将分库基因加入到tid的***4个bit(上图中粉色部分)
- 拼装成最终的64bit帖子tid(上图中蓝色部分)
(怎么生成60bit分布式唯一ID，请参见《分布式ID生成算法》)
这般，保证了同一个用户发布的所有帖子的tid，都落在同一个库上，tid的***4个bit都相同，于是：
- 通过uid%16能够定位到库
- 通过tid%16也能定位到库
潜在问题一：同一个uid发布的tid落在同一个库上，会不会出现数据不均衡?
答：只要uid是均衡的，每个用户发布的平均帖子数是均衡的，每个库的数据就是均衡的。
潜在问题二：最开始分16库，分库基因是4bit，未来要扩充成32库，分库基因变成了5bit，那怎么办?
答：需要提前做好容量预估，例如事先规划好5年内数据增长256库足够，就提前预留8bit基因。
七、总结
将以“帖子中心”为典型的“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：
- 帖子服务，元数据满足uid和tid的查询需求
- 搜索服务，索引数据满足复杂搜索寻求
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：
- tid切分法，按照tid分库，同一个用户发布的帖子落在不同的库上，通过uid来查询要遍历所有库
- uid切分法，按照uid分库，同一个用户发布的帖子落在同一个库上，需要通过索引表或者缓存来记录tid与uid的映射关系，通过tid来查询时，先查到uid，再通过uid定位库
- 基因法，按照uid分库，在生成tid里加入uid上的分库基因，保证通过uid和tid都能直接定位到库
对于1对多的业务场景，分库架构不再是瓶颈。
【本文为51CTO专栏作者“58沈剑”原创稿件，转载请联系原作者】
