理论+实战，详解Sharding Sphere-jdbc
摘要：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和ShardingSphere-JDBC。
本文分享自华为云社区《看完这一篇，ShardingSphere-jdbc 实战再也不怕了》，作者：勇哥java实战分享 。
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。
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。
当我们在 Proxy 和 JDBC 两种模式选择时，可以参考下表对照：
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。
sharding-jdbc 的本质上就是实现 JDBC 的核心接口。
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。
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。
然后 springboot 项目中配置依赖 ：
<dependency>
<groupId>org.apache.shardingsphere</groupId>
<artifactId>sharding-jdbc-spring-boot-starter</artifactId>
<version>4.1.1</version>
</dependency>配置文件中配置如下：
- 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：
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。
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。
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。
Integer getWorkerId(Long orderId) {
Long workerId = (orderId >> 12) & 0x03ff;
return workerId.intValue();
}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。
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。
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。
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：https://github.com/makemyownlife/shardingsphere-jdbc-demo
参考资料：
- 256变4096：分库分表扩容如何实现平滑数据迁移？
- 黄东旭：分布式数据库历史、发展趋势与 TiDB 架构
