ShardingSphere技术专题ShardingJDBC实现分库分表

Posted 2021-08-24 李浩宇Alex

前提介绍

ShardingSphere介绍

shardingJDBC使用的范围

• 适用于任何基于JDBC的ORM框架，如：JPA, Hibernate, Mybatis, Spring JDBC Template或直接使用JDBC。
• 支持任何第三方的数据库连接池，如：DBCP, C3P0, BoneCP, Druid, HikariCP等。
• 支持任意实现JDBC规范的数据库。目前支持mysql，Oracle，SQLServer，PostgreSQL以及任何遵循SQL92标准的数据库。

SQL语句相关

• 逻辑表：水平拆分的数据库（表）的相同逻辑和数据结构表的总称。例：订单数据根据主键尾数拆分为2张表，分别是t_order_0到t_order_1，他们的逻辑表名为t_order。

• 真实表：在分片的数据库中真实存在的物理表。例：示例中的t_order_0到t_order_1

• 数据节点：数据分片的最小单元。由数据源名称和数据表组成，例：ds_0.t_order_0；ds_0.t_order_1；

• 绑定表：指分片规则一致的主表和子表。例如：t_order表和t_order_item表，均按照order_id分片，则此两张表互为绑定表关系。绑定表之间的多表关联查询不会出现笛卡尔积关联，关联查询效率将大大提升。

• 广播表：指所有的分片数据源中都存在的表，表结构和表中的数据在每个数据库中均完全一致。适用于数据量不大且需要与海量数据的表进行关联查询的场景。

数据分片相关

• 分片键：用于分片的数据库字段，是将数据库(表)水平拆分的关键字段。例：将订单表中的订单主键的尾数取模分片，则订单主键为分片字段。

• 分片算法：通过分片算法将数据分片，支持通过=、>=、<=、>、<、BETWEEN和IN分片，分片算法需要应用方开发者自行实现，可实现的灵活度非常高。

目前提供4种分片算法

• 精确分片算法：对应PreciseShardingAlgorithm，用于处理使用单一键作为分片键的=与IN进行分片的场景。需要配合StandardShardingStrategy使用。
• 范围分片算法：对应RangeShardingAlgorithm，用于处理使用单一键作为分片键的BETWEEN AND、>、<、>=、<=进行分片的场景。需要配合StandardShardingStrategy使用。
• 复合分片算法：对应ComplexKeysShardingAlgorithm，用于处理使用多键作为分片键进行分片的场景，包含多个分片键的逻辑较复杂，需要应用开发者自行处理其中的复杂度。需要配合ComplexShardingStrategy使用。
• Hint分片算法：对应HintShardingAlgorithm，用于处理使用Hint行分片的场景。需要配合HintShardingStrategy使用。

目前提供5种分片策略

• 标准分片策略：对应StandardShardingStrategy，提供对SQL语句中的=, >, <, >=, <=, IN和BETWEEN AND的分片操作支持。

  • StandardShardingStrategy只支持单分片键，提供PreciseShardingAlgorithm和RangeShardingAlgorithm两个分片算法。
    • PreciseShardingAlgorithm是必选的，用于=和IN的分片。
    • RangeShardingAlgorithm是可选的，用于BETWEEN AND, >, <, >=, <=分片，不配置RangeShardingAlgorithm，SQL中的BETWEEN AND将按照全库路由处理。

• 复合分片策略：对应ComplexShardingStrategy。提供对SQL语句中的=, >, <, >=, <=, IN和BETWEEN AND的分片操作支持。

  • ComplexShardingStrategy支持多分片键，由于多分片键之间的关系复杂，因此并未进行过多的封装。
  • 而是直接将分片键值组合以及分片操作符透传至分片算法，完全由应用开发者实现，提供最大的灵活度。

• 行表达式分片策略：对应InlineShardingStrategy。使用Groovy的表达式，提供对SQL语句中的=和IN的分片操作支持，只支持单分片键。

• 对于简单的分片算法，可以通过简单的配置使用，从而避免繁琐的Java代码开发，如: t_user_$->{u_id % 8}表示t_user表根据u_id模8，而分成8张表，表名称为t_user_0到t_user_7。

• Hint分片策略：对应HintShardingStrategy。通过Hint指定分片值而非从SQL中提取分片值的方式进行分片的策略。

• 不分片策略：对应NoneShardingStrategy。

配置相关

• 数据源配置：真实数据源列表。
• 表配置：逻辑表名称、数据节点与分表规则的配置
• 数据节点配置：用于配置逻辑表与真实表的映射关系。
• 分片策略配置：
  • 数据源分片策略：对应于DatabaseShardingStrategy。用于配置数据被分配的目标数据源。
  • 表分片策略：对应于TableShardingStrategy。用于配置数据被分配的目标表，该目标表存在与该数据的目标数据源内。故表分片策略是依赖与数据源分片策略的结果的。
• 自增主键生成策略：通过在客户端生成自增主键替换以数据库原生自增主键的方式，做到分布式主键无重复。（雪花算法）

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开发步骤

开发整合方式

    <!--主要有以下依赖，分库分表策略直接在application.properties做相关配置即可-->
    <dependency>
        <groupId>io.shardingsphere</groupId>
        <artifactId>sharding-jdbc-spring-boot-starter</artifactId>
        <version>3.1.0.M1</version>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>io.shardingsphere</groupId>
        <artifactId>sharding-jdbc-spring-namespace</artifactId>
        <version>3.1.0.M1</version>
    </dependency>

//相关依赖
<dependency>
    <groupId>io.shardingsphere</groupId>
    <artifactId>sharding-jdbc-core</artifactId>
    <version>3.1.0</version>
</dependency>
<!--<dependency>
    <groupId>io.shardingsphere</groupId>
    <artifactId>sharding-transaction-2pc-xa</artifactId>
    <version>3.1.0</version>
</dependency>-->
<dependency>
    <groupId>io.shardingsphere</groupId>
    <artifactId>sharding-jdbc-orchestration</artifactId>
    <version>3.1.0</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>io.shardingsphere</groupId>
    <artifactId>sharding-orchestration-reg-zookeeper-curator</artifactId>
    <version>3.1.0</version>
</dependency>

定义相关配置类（DataSourceConfig => MybatisConfig => TransactionConfig）

ShardingSphereDataSourceConfig

import javax.sql.DataSource;
import java.lang.management.ManagementFactory;
import java.sql.SQLException;
import java.util.*;

/**
 * @Author zhangboqing
 * @Date 2020/4/25
 */
@Configuration
@Slf4j
public class ShardingSphereDataSourceConfig {

    @Bean("shardingDataSource")
    DataSource getShardingDataSource() throws SQLException {
        //初始化相关的分片规则配置信息控制机制
        ShardingRuleConfiguration shardingRuleConfig = new ShardingRuleConfiguration();
        // 设置相关的数据源
        shardingRuleConfig.setDefaultDataSourceName("ds0");
       // 设置相关的Order表的相关的规则信息配置机制
        shardingRuleConfig.getTableRuleConfigs().add(getOrderTableRuleConfiguration());
       // 设置相关的OrderItem表的相关的规则信息配置机制
        shardingRuleConfig.getTableRuleConfigs().add(getOrderItemTableRuleConfiguration());
        // 配置绑定表关系
        shardingRuleConfig.getBindingTableGroups().add("t_order, t_order_item");
        // 广播表操作机制
        shardingRuleConfig.getBroadcastTables().add("t_config");
        // 设置相关的分片机制策略(数据源分片策略机制控制)
        shardingRuleConfig.setDefaultDatabaseShardingStrategyConfig(new InlineShardingStrategyConfiguration("user_id", "ds${user_id % 2}"));
        // 设置相关的分片策略机制，子啊inline模式下（包含了两种模式）
        shardingRuleConfig.setDefaultTableShardingStrategyConfig(getShardingStrategyConfiguration());
        // ShardingPropertiesConstant相关配置选项
        Properties properties = new Properties();
        //是否打印SQL解析和改写日志
        properties.put("sql.show",true);
       //用于SQL执行的工作线程数量，为零则表示无限制
        propertie.setProperty("executor.size","4");
       //每个物理数据库为每次查询分配的最大连接数量
        propertie.setProperty("max.connections.size.per.query","1");
       //是否在启动时检查分表元数据一致性
        propertie.setProperty("check.table.metadata.enabled","false");
        //用户自定义属性
        Map<String, Object> configMap = new HashMap<>();
        configMap.put("effect","分库分表");
        return ShardingDataSourceFactory.createDataSource(createDataSourceMap(), shardingRuleConfig, properties);
    }

    // 配置相关的分片策略机制
    private ShardingStrategyConfiguration getShardingStrategyConfiguration(){
        // 精确匹配
        PreciseShardingAlgorithm<Long> preciseShardingAlgorithm = new PreciseShardingAlgorithm<Long>() {
            @Override
            public String doSharding(Collection<String> availableTargetNames, PreciseShardingValue<Long> shardingValue) {
                String prefix = shardingValue.getLogicTableName(); //逻辑表名称
                Long orderId = shardingValue.getValue(); //订单编码
                long index = orderId % 2; //订单表（分表路由索引）
                // t_order + "" + 0 = t_order0
                String tableName = prefix + "" +index;
                // 精确查询、更新之类的，可以返回不存在表，进而给前端抛出异常和警告。
                if (availableTargetNames.contains(tableName) == false) {
                    LogUtils.error(log,"PreciseSharding","orderId:{},不存在对应的数据库表{}！", orderId, tableName);
                    return availableTargetNames.iterator().next();
                }
                return tableName;
//                return availableTargetNames.iterator().next();
            }
        };
        // 范围匹配
        RangeShardingAlgorithm<Long> rangeShardingAlgorithm = new RangeShardingAlgorithm<Long>() {
            @Override
            public Collection<String> doSharding(Collection<String> availableTargetNames, RangeShardingValue<Long> shardingValue) {
                String prefix = shardingValue.getLogicTableName();
                Collection<String> resList = new ArrayList<>();
                // 获取相关的数据值范围
                Range<Long> valueRange = shardingValue.getValueRange();
                // 如果没有上限或者下限的没有，则直接返回所有的数据表
                if (!valueRange.hasLowerBound() || !valueRange.hasUpperBound()) {
                    return availableTargetNames;
                }
               // 获取下限数据范围
                long lower = shardingValue.getValueRange().lowerEndpoint();
                BoundType lowerBoundType = shardingValue.getValueRange().lowerBoundType();
               // 获取下限数据范围
                long upper = shardingValue.getValueRange().upperEndpoint();
                BoundType upperBoundType = shardingValue.getValueRange().upperBoundType();
               // 下限数据信息值
                long startValue = lower;
                long endValue = upper;
               // 是否属于开区间（下限）
                if (lowerBoundType.equals(BoundType.OPEN)) {
                    startValue++; //缩减范围1
                }
               // 是否属于开区间（上限）
                if (upperBoundType.equals(BoundType.OPEN)) {
                    endValue--; // 缩减范围1
                }
               // 进行计算相关所需要是实体表
                for (long i = startValue; i <= endValue ; i++) {
                    long index = i % 2;
                    String res = prefix + "" +index;
                    // 精确查询、更新之类的，可以返回不存在表，进而给前端抛出异常和警告。
                    if (availableTargetNames.contains(res) == false) {
                        LogUtils.error(log,"RangeSharding","orderId:{},不存在对应的数据库表{}！", i, res);
                    }else{
                       resList.add(res);
                   }
                }
                if (resList.size() == 0) {
                    LogUtils.error(log,"RangeSharding","无法获取对应表，因此将对全表进行查询！orderId范围为:{}到{}",startValue,endValue);
                    return availableTargetNames;
                }
                return resList;
            }
        };

        // 设置相关整体的算法整合
        ShardingStrategyConfiguration strategyConf = new StandardShardingStrategyConfiguration("order_id", preciseShardingAlgorithm, rangeShardingAlgorithm);
        return strategyConf;
    }

    // 获取相关的Order订单规则表配置信息控制配置控制机制
    TableRuleConfiguration getOrderTableRuleConfiguration() {
        // 逻辑表 + 实际节点 ：设置逻辑表与数据节点（数据分片的最小单位）的映射关系机制
        TableRuleConfiguration result = new TableRuleConfiguration("t_order", "ds${0..1}.t_order${0..1}");
        // 主键生成配置
        result.setKeyGeneratorConfig(getKeyGeneratorConfigurationForTOrder());
        return result;
    }
    //主键操作的生成策略
    private KeyGeneratorConfiguration getKeyGeneratorConfigurationForTOrder() {
        Properties keyGeneratorProp = getKeyGeneratorProperties();
        return new KeyGeneratorConfiguration("SNOWFLAKE", "order_id", keyGeneratorProp);
    }

    // 获取相关的Order订单规则表配置信息控制配置控制机制
    TableRuleConfiguration getOrderItemTableRuleConfiguration() {
        TableRuleConfiguration result = new TableRuleConfiguration("t_order_item", "ds${0..1}.t_order_item${0..1}");
        result.setKeyGeneratorConfig(getKeyGeneratorConfigurationForTOrderItem());
        return result;
    }

    // 创建相关keyOrderItem机制控制操作
    private KeyGeneratorConfiguration getKeyGeneratorConfigurationForTOrderItem() {
        Properties keyGeneratorProp = getKeyGeneratorProperties();
        return new KeyGeneratorConfiguration("SNOWFLAKE", "id", keyGeneratorProp);
    }

  // 生成键值相关的generator的配置信息控制
    private Properties getKeyGeneratorProperties() {
        Properties keyGeneratorProp = new Properties();
        String distributeProcessIdentify = NetUtils.getLocalAddress() + ":" + getProcessId();
        String workId = String.valueOf(convertString2Long(distributeProcessIdentify));
        keyGeneratorProp.setProperty("worker.id", workId);
        LogUtils.info(log, "shardingsphere init", "shardingsphere work id raw string is {}, work id is {}", distributeProcessIdentify, workId);
        return keyGeneratorProp;
    }

    // 数据源相关配置机制
    Map<String, DataSource> createDataSourceMap() {
        Map<String, DataSource> result = new HashMap<>();
        result.put("ds0", DataSourceUtils.createDataSource("ds0"));
        result.put("ds1", DataSourceUtils.createDataSource("ds1"));
        return result;
    }

    // 常见相关的workerid和dataid对应相关的进程id
    private String getProcessId(){
        String name = ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName();
        String pid = name.split("@")[0];
        return pid;
    }

    // 转换字符串成为相关的long类型
    private Long convertString2Long(String str){
        long hashCode = str.hashCode() + System.currentTimeMillis();
        if(hashCode < 0){
            hashCode = -hashCode;
        }
        return hashCode % (1L << 10);
    }
}

ShardingsphereMybatisConfig 配置机制

/**
 * @Author zhangboqing
 * @Date 2020/4/23
 */
@Configuration
@MapperScan(basePackages = "com.zbq.springbootshardingjdbcjavaconfigdemo.dao",sqlSessionFactoryRef = "sqlSessionFactoryForShardingjdbc")
public class ShardingsphereMybatisConfig {
    @Autowired
    @Qualifier("shardingDataSource")
    private DataSource dataSource;
    @Bean("sqlSessionFactoryForShardingjdbc")
    public SqlSessionFactory sqlSessionFactoryForShardingjdbc() throws Exception {
        SqlSessionFactoryBean sessionFactory = new SqlSessionFactoryBean();
        sessionFactory.setDataSource(dataSource);
//        sessionFactory.setMapperLocations(new PathMatchingResourcePatternResolver().
//                getResources("classpath*:**/*.xml"));
        sessionFactory.setTypeAliasesPackage("com.zbq.springbootshardingjdbcjavaconfigdemo.domain.entity");
        org.apache.ibatis.session.Configuration configuration = new org.apache.ibatis.session.Configuration();
        configuration.setMapUnderscoreToCamelCase(true);
        sessionFactory.setConfiguration(configuration);
        return sessionFactory.getObject();
    }
}

ShardingsphereTransactionConfig 配置机制

主要定制化配置事务操作可以空战未来的，为了未来的查询扩展XA

@Configuration
@EnableTransactionManagement
public class ShardingsphereTransactionConfig {
    @Bean
    @Autowired
    public PlatformTransactionManager shardingsphereTransactionManager(@Qualifier("shardingDataSource") DataSource dataSource) {
        return new DataSourceTransactionManager(dataSource);
    }
}