cassandra百亿级数据库迁移实践

迁移背景

cassandra集群隔段时间出现rt飙高的问题，带来的影响就是请求cassandra短时间内出现大量超时，这个问题发生已经达到了平均两周一次的频率，已经影响到正常业务了。而出现这些问题的原因主要有以下3点：

1. 当初设计表的时候partition key设计的不是很合理，当数据量上去（最大的单表行数达到百亿级）之后，出现了一些数据量比较大的partition。单partition最多的数据量达到了上百万行（cassandra不支持mysql的limit m, n的查询），当查询这个partition的数据时，会带来比较大的压力。
2. cassandra本身的墓碑机制，cassandra的一大特性就是快速写入，如果遇到delete一条记录时，cassandra并不会实时的对这条记录做物理删除，而是在这行记录上添加一个逻辑删除的标志位，而下次查询会load出这些已经删除了的记录，再做过滤。这样就可能带来及时某个partition的查询出的数据量不大，但是墓碑比较多的时候会带来严重的性能问题。
3. 公司dba也不推荐使用cassandra，出现问题的时候，难于定位解决问题。所以决定将cassandra数据库迁移至社区比较成熟的关系型数据库mysql。

迁移方案

整个迁移方案主要分为以下5个步骤：

1. 全量迁移：搬迁当前库中所有的历史数据（该过程会搬掉库中大部分数据）
2. 增量迁移：记录全量迁移开始的时间，搬迁全量迁移过程中变更了的数据
3. 数据比对：通过接口比对cassandra和mysql中的数据，最终数据一致性达到一定99.99%以上
4. 开双写：通过数据比对确保全量迁移和增量迁移没问题以后，打开双写。如果双写有问题，数据比对还可以发现双写中的问题。
5. 切mysql读：确保双写没问题以后，然后根据服务的重要性级别，逐步按服务切mysql读。所有服务切mysql读以后，确保没问题后关闭cassandra写，最终下线cassandra。

mysql的分库分表方案

1. 分多少张表？在DBA的推荐下，单表的数据最好不要超过200w，估算了下最大一张表数据量100亿左右，再考虑到数据未来数据增长的情况，最大的这张表分了8192张表，单表的数据量120w左右，总共分了4个物理库，每个库2048张表。
2. 字段对应的问题？ 这里需要权衡一个问题，cassandra有List、Set、Map等结构，到mysql这边怎么存？这里可以根据自己实际情况选择，
   • 集合结构的转成json之后长度都在1000个字符以内的，可以直接转成json用varchar来保存，优点：处理起来简单。缺点：需要考虑集合的数据增长问题。
   • 转成json之后长度比较长，部分已经达到上万个字符了，用单独的一张表来保存。优点：不用考虑集合的数据增长问题。缺点：处理起来麻烦，需要额外维护新的表。
3. mysql分片键的选择，我们这里直接采用的cassandra的partition key。
4. mysql表的主键和cassandra表保持一致。

全量迁移方案调研

1. copy导出：通过cqlsh提供的copy命令，把keyspace导出到文件。
   缺陷：
   • 在测试过程中，导出速度大概4500行每秒，在导出过程中偶尔会有超时，导出如果中断，不能从中断处继续。
   • 如果keyspace比较大，则生成的文件比较大。所以这种方式不考虑
2. sstableloader方式：这种方式仅支持从一个cassandra集群迁移到另一个cassandra集群。所以该方式也不考虑
3. token环遍历方式：cassandra记录的存储原理是采用的一致性hash的策略
   整个环的范围是[Long.MIN_VALUE, Long.MAX_VALUE]，表的每条记录都是通过partition key进行hash计算，然后确定落到哪个位置。
   • 例如有这样一张表：

   CREATE TABLE test_table ( a text, b INT, c INT, d text, PRIMARY KEY ( ( a, b ), c ) );

   • 通过以下两个cql就可以遍历该张表:

   cqlsh:> select token(a,b), c, d from test_table where token(a,b) >= -9223372036854775808 limit 50;
   
   
    token(a, b)          | c | d
   ----------------------+---+----
    -9087493578437596993 | 2 | d1
    ...
    -8987733732583272758 | 9 | x1
   
   (50 rows)
   cqlsh:> select token(a,b), c, d from test_table where token(a,b) >= -8987733732583272758 limit 50

   • 循环以上两个过程，直到token(a, b) = LONG.MAX_VALUE，表示整个表遍历完成。最终采用了该方式。以上几个方案都有一个共同的问题，在迁移过程中，数据有变更，这种情况需要额外考虑。

全量迁移详细过程

最终采用了以上方案3，通过遍历cassandra表的token环的方式，遍历表的所有数据，把数据搬到mysql中。具体如下：

1. 把整个token环分为2048段，这么做的目的是为了，把每张表的一个大的迁移任务，划分为2048个小任务,当单个迁移任务出现问题的时候，不用所有数据重头再来，
   只需要把出问题的一个小任务重跑就好了。这里采用多线程。
2. 迁移模式：主要有single和batch两种模式：
   • single模式：逐一insert至mysql。数据量不大的情况选择，单表亿级别以下选择，在64个线程情况下，16个线程读cassandra的情况下，速度可以达到1.5w行每秒。
   • batch模式：batch insert至mysql。数据量比较大的情况下选择，单表过亿的情况下选择。最大的一张100亿数据量的表，迁移过程实际上峰值速度只有1.6w行每秒的速度。这是因为cassandra读这部分达到瓶颈了。本身线上应用耗掉了部分资源。如果cassandra读没有达到瓶颈，速度翻倍是没问题的。
3. 迁移性能问题：这时候cassandra和mysql和应用机器本身都可能成为瓶颈点，数据量比较大，尽量采用性能好一点的机器。我们当时迁移的时候，采用的一台40核、100G+内存的机器。
4. 该过程遇到的一些问题：
   • 异常处理问题：由于本身cassandra和mysql的字段限制有一定区别。在这个过程肯定会遇到部分记录因为某列不符合mysql列的限制，导致写入失败，写入失败的记录会记录到文件。这一过程最好是在测试过程中覆盖的越全越好。具体的一些case如下：
     • cassandra text长度超过mysql的限制长度
     • cassandra为null的情况，mysql字段设置为is not null(这种情况需要创建表的时候多考虑)
     • cassandra的timestamp类型超过了mysql的datetime的范围（eg:1693106-07-01 00:00:00）
     • cassandra的decimail类型超过了mysql的decimail范围（eg:6232182630000136384.0）
   • 数据遗漏问题：由于部分表的字段比较多，代码中字段转换的时候最好仔细一点。我们这边遇到过字段错乱、字段漏掉等问题。再加上该过程没有测试接入，自己开发上线了，数据迁移完成后才发现字段漏掉，然后又重头再来，其中最大的一张表，从头迁一次差不多需要花掉2周的时间。现在回过头去看，这张表当初迁移的时候，还不止返工一次。这个过程实际上是非常浪费时间的。
   • 慢查询问题：在最大的一张表的迁移过程中，超时比其他小表要严重一些。并且在跑的过程中发现，速度越跑越慢，排查发现是部分线程遇到了某个token查询始终超时的情况。然后线程一直死循环查询查token。当把cassandra超时时间设置为30s时，这种情况有所改善，但还存在极个别token存在该问题。此处有一点奇怪的是，通过登录到线上cassandra机器，通过cqlsh直接查询，数据是能够查询出来的。最终处理方案是针对该token加了5次重试，如果还是不成功，则记录日志单独处理。

增量迁移详细过程

记录全量迁移开始的时间，以及记录这段时间所有变更的account（一个user包含多个account），把这部分数据发往kafka。再通过额外的增量迁移程序消费kakfa的方式把这部分数据搬到mysql，循环往复该过程，直到mysql中的数据追上cassandra中的数据。

1. 消费两个kafka队列，一个为全量迁移这段时间离线变更的account队列，另一个是当前业务实时变更的account队列。
2. 处理过程中需要考虑两个队列中account冲突的问题，可以根据accountid进行加锁。
3. 起初是按照user维度，进行增量迁移。实际上线后发现，按照user维度搬迁速度根本追不上正常业务数据变更的速度。然后选择了比user低一个维度的account（一个user包含多个account）进行迁移。

数据比对

为什么有该步骤？为了确保cassandra和mysql数据源尽可能的一致。

1. 在全量迁移完成以后，增量迁移过程中，便上线了该比对功能。如何比对？当线上业务产生了数据变更，根据accountid，把该accountid下的cassandra的所有数据和mysql的所有数据通过调接口的形式查询出来进行比对。精确到具体字段的值
2. 原本认为全量迁移和增量迁移基本没什么问题了，但是通过数据比对还发现了不少的数据不一致地方。排查发现有全量迁移过程导致的，也有增量迁移过程导致的，都是代码bug导致。发现了问题如果某张表全量迁移过程都出了问题，除了需要重新全量迁移该表。并且增量迁移也需要重头再来。
3. 所有的比对结果存入数据库，然后定时任务发现比对不过的数据，再按照account维度进行增量迁移。
4. 遇到的主要问题如下：
   • 时间精度的问题：cassandra的timestamp时间戳精确到毫秒（cassandra的一个客户端工具DevCenter查询出来的时间只精确到秒，毫秒部分被截断了，如果通过该工具肉眼比对，不容易发现该问题），而mysql的datetime默认条件只精确到了秒。
   • decimal小数位问题：cassandra中采用的decimal，对应mysql的字段类型是decimal(18,2)，cassandra中如果是0或者0.000，迁移到mysql中会变成0.00，需要注意该精度问题。
   • 两张表来保存同一份数据导致脏数据问题：由于cassandra查询有很多限制，为了支持多种查询类型。创建了两张字段一模一样的表，除了primary key不一样。然后每次增删改的时候，两张表分别都增删改，虽然这种方式带来了查询上的遍历，但是产生脏数据的几率非常大。在比对的过程中，发现同一份数据两张表的数据量相差不小，排查发现由于早期代码bug导致表一写成功，表二写失败这种情况（好在的是这些数据都是很早之前的数据，所以直接忽略该问题）。而迁移至mysql，只迁移一张表过去。如果两张表的数据不能完全一致，必然有接口表现不一致。我个人对这种一份数据保存两份用法也是不推荐的，如果不在物理层做限制，只通过代码逻辑层来保证数据的一致性，是几乎不可能的事。
   • 空字符和NULL的问题：cassandra中""空字符串的情况下转换至mysql变为了NULL，这种情况会带来接口返回的数据不一致的问题，在不确定下游如何使用该数据的时候，最好保证完全一致。
   • 字段漏掉的问题：比对发现有张表的一个字段漏掉了，根本没有迁移过去，除了需要重新全量迁移该表。并且增量迁移也需要重头再来（尽量避免该问题，该过程是非常耗时的）。
   • cassandra数据不一致的问题：同一条select查询语句，连续查询两次返回的结果数不一致。这个比例在万分之一-千分之一，带来的问题就是有的数据始终是比较不过的。
   • 应用本地时钟不一致导致的问题：现象就是随着应用的发版，某张表的lastModifyTime的时间，出现了cassandra比mysql小的情况，而从业务角度来说，mysql的时间是正确的。大概有5%的这种情况，并且不会降下去。可能随着下一次发版，该问题就消失了。近10次发版有3次出现了该问题，最终排查发现，由于部署线上应用机器的本地时钟相差3秒，而cassandra会依赖客户端的时间，带来的问题就是cassandra后提交的写入，可能被先提交的写入覆盖。为什么该问题会随着发版而偶然出现呢？因为应用是部署在容器中，每次发版都会分配新的容器。

开双写

经过以上步骤，基本可以认为cassandra和mysql的数据是一致的。然后打开双写，再关闭增量迁移。这时候如果双写有问题，通过比对程序也能够发现。

切mysql读

双写大概一周后，没什么问题的话，就可以逐步按服务切mysql读，然后就可以下线cassandra数据库了。

总结

1. cassandra的使用：
   • 表的设计：特别需要注意partition key的设计，尽量要保证单个partition的数据量不要太大。
   • 墓碑机制：需要注意cassandra的本身的墓碑机制，主要产生的墓碑的情况，主要是delete操作和insert null字段这两种情况。我们这里曾经因为某个用户频繁操作自己app的某个动作，导致数据库这边频繁的对同一个partition key执行delete操作再insert操作。用户执行操作接近上百次后，导致该partition产生大量墓碑，最终查询请求打到该partition key。造成慢查询，应用超时重试，导致cassandra cpu飙升，最终导致其他partition key也受到影响，大量查询超时。
   • cassandra客户端时钟不一致的问题，可能导致写入无效。
     
2. 迁移相关：
   • 全量迁移和增量迁移，最好在上线之前测试充分，千万注意字段漏掉错位的问题，尽可能的让测试参与。在正式迁移之前，最好在线上创建一个预备库，先可以预跑一次。尽可能的发现线上正式迁移时遇到的问题。否则正式迁移的时候遇问题的时候，修复是比较麻烦的。
   • 在切或关闭读写过程中，一定要有回滚计划。

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作者：wycm
出处：https://www.cnblogs.com/w-y-c-m/p/10823662.html
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