一、TPS：Transactions Per Second（每秒传输的事物处理个数），即服务器每秒处理的事务数。TPS包括一条消息入和一条消息出，加上一次用户数据库访问。（业务TPS = CAPS × 每个呼叫平均TPS）
TPS是软件测试结果的测量单位。一个事务是指一个客户机向服务器发送请求然后服务器做出反应的过程。客户机在发送请求时开始计时，收到服务器响应后结束计时，以此来计算使用的时间和完成的事务个数。
一般的，评价系统性能均以每秒钟完成的技术交易的数量来衡量。系统整体处理能力取决于处理能力最低模块的TPS值。
二、QPS：每秒查询率QPS是对一个特定的查询服务器在规定时间内所处理流量多少的衡量标准，在因特网上，作为域名系统服务器的机器的性能经常用每秒查询率来衡量。
对应fetches/sec，即每秒的响应请求数，也即是最大吞吐能力。**/

三种方式：

Scale-out（横向扩展）：分而治之是一种常见的高并发系统设计方法，采用分布式部署的方式把流量分流开，让每个服务器都承担一部分并发和流量。
缓存：使用缓存来提高系统的性能，就好比用“拓宽河道”的方式抵抗高并发大流量的冲击。
异步：在某些场景下，未处理完成之前，我们可以让请求先返回，在数据准备好之后再通知请求方，这样可以在单位时间内处理更多的请求。

拓展

Scale-up，通过购买性能更好的硬件来提升系统的并发处理能力，比方说目前系统 4 核 4G 每秒可以处理 200 次请求，那么如果要处理 400 次请求呢？很简单，我们把机器的硬件提升到 8 核 8G（硬件资源的提升可能不是线性的，这里仅为参考）。
Scale-out，则是另外一个思路，它通过将多个低性能的机器组成一个分布式集群来共同抵御高并发流量的冲击。沿用刚刚的例子，我们可以使用两台 4 核 4G 的机器来处理那 400 次请求。

一般系统的演进过程应该遵循下面的思路

最简单的系统设计满足业务需求和流量现状，选择最熟悉的技术体系。
随着流量的增加和业务的变化，修正架构中存在问题的点，如单点问题，横向扩展问题，性能无法满足需求的组件。在这个过程中，选择社区成熟的、团队熟悉的组件帮助我们解决问题，在社区没有合适解决方案的前提下才会自己造轮子。
当对架构的小修小补无法满足需求时，考虑重构、重写等大的调整方式以解决现有的问题。

分层架构

软件架构分层在软件工程中是一种常见的设计方式，它是将整体系统拆分成 N 个层次，每个层次有独立的职责，多个层次协同提供完整的功能。
我们在刚刚成为程序员的时候，会被“教育”说系统的设计要是“MVC”（Model-View-Controller）架构。它将整体的系统分成了 Model（模型），View（视图）和 Controller（控制器）三个层次，也就是将用户视图和业务处理隔离开，并且通过控制器连接起来，很好地实现了表现和逻辑的解耦，是一种标准的软件分层架构。

另外一种常见的分层方式是将整体架构分为表现层、逻辑层和数据访问层：

表现层，顾名思义嘛，就是展示数据结果和接受用户指令的，是最靠近用户的一层；
逻辑层里面有复杂业务的具体实现；
数据访问层则是主要处理和存储之间的交互。

分层优势

分层的设计可以简化系统设计，让不同的人专注做某一层次的事情。
再有，分层之后可以做到很高的复用。
最后一点，分层架构可以让我们更容易做横向扩展。

高并发系统设计的三大目标：高性能、高可用、可扩展

性能优化原则

首先，性能优化一定不能盲目，一定是问题导向的。脱离了问题，盲目地提早优化会增加系统的复杂度，浪费开发人员的时间，也因为某些优化可能会对业务上有些折中的考虑，所以也会损伤业务。
其次，性能优化也遵循“八二原则”，即你可以用 20% 的精力解决 80% 的性能问题。所以我们在优化过程中一定要抓住主要矛盾，优先优化主要的性能瓶颈点。
再次，性能优化也要有数据支撑。在优化过程中，你要时刻了解你的优化让响应时间减少了多少，提升了多少的吞吐量。
最后，性能优化的过程是持续的。高并发的系统通常是业务逻辑相对复杂的系统，那么在这类系统中出现的性能问题通常也会有多方面的原因。因此，我们在做性能优化的时候要明确目标，比方说，支撑每秒 1 万次请求的吞吐量下响应时间在 10ms，那么我们就需要持续不断地寻找性能瓶颈，制定优化方案，直到达到目标为止。

从用户使用体验的角度来看，200ms 是第一个分界点：接口的响应时间在 200ms 之内，用户是感觉不到延迟的，就像是瞬时发生的一样。而 1s 是另外一个分界点：接口的响应时间在 1s 之内时，虽然用户可以感受到一些延迟，但却是可以接受的，超过 1s 之后用户就会有明显等待的感觉，等待时间越长，用户的使用体验就越差。所以，健康系统的 99 分位值的响应时间通常需要控制在 200ms 之内，而不超过 1s 的请求占比要在 99.99% 以上。

高并发下的性能优化

1. 提高系统的处理核心数

提高系统的处理核心数就是增加系统的并行处理能力，这个思路是优化性能最简单的途径。拿上一个例子来说，你可以把系统的处理核心数增加为两个，并且增加一个进程，让这两个进程跑在不同的核心上。这样从理论上，你系统的吞吐量可以增加一倍。当然了，在这种情况下，吞吐量和响应时间就不是倒数关系了，而是：吞吐量 = 并发进程数 / 响应时间。
计算机领域的阿姆达尔定律（Amdahl’s law）是吉恩·阿姆达尔在 1967 年提出的。它描述了并发进程数与响应时间之间的关系，含义是在固定负载下，并行计算的加速比，也就是并行化之后效率提升情况，可以用下面公式来表示：

(Ws + Wp) / (Ws + Wp/s)

其中，Ws 表示任务中的串行计算量，Wp 表示任务中的并行计算量，s 表示并行进程数。从这个公式我们可以推导出另外一个公式：

1/(1-p+p/s)

其中，s 还是表示并行进程数，p 表示任务中并行部分的占比。当 p 为 1 时，也就是完全并行时，加速比与并行进程数相等；当 p 为 0 时，即完全串行时，加速比为 1，也就是说完全无加速；当 s 趋近于无穷大的时候，加速比就等于 1/(1-p)，你可以看到它完全和 p 成正比。特别是，当 p 为 1 时，加速比趋近于无穷大。

以上公式的推导过程有些复杂，你只需要记住结论就好了。

我们似乎找到了解决问题的银弹，是不是无限制地增加处理核心数就能无限制地提升性能，从而提升系统处理高并发的能力呢？很遗憾，随着并发进程数的增加，并行的任务对于系统资源的争抢也会愈发严重。在某一个临界点上继续增加并发进程数，反而会造成系统性能的下降，这就是性能测试中的拐点模型。

性能测试的拐点模型

从图中你可以发现，并发用户数处于轻压力区时，响应时间平稳，吞吐量和并发用户数线性相关。而当并发用户数处于重压力区时，系统资源利用率到达极限，吞吐量开始有下降的趋势，响应时间也会略有上升。这个时候，再对系统增加压力，系统就进入拐点区，处于超负荷状态，吞吐量下降，响应时间大幅度上升。

所以我们在评估系统性能时通常需要做压力测试，目的就是找到系统的“拐点”，从而知道系统的承载能力，也便于找到系统的瓶颈，持续优化系统性能。

2. 减少单次任务响应时间

CPU 密集型系统

CPU 密集型系统中，需要处理大量的 CPU 运算，那么选用更高效的算法或者减少运算次数就是这类系统重要的优化手段。比方说，如果系统的主要任务是计算 Hash 值，那么这时选用更高性能的 Hash 算法就可以大大提升系统的性能。发现这类问题的主要方式，是通过一些 Profile 工具来找到消耗 CPU 时间最多的方法或者模块，比如 Linux 的 perf、eBPF 等。

IO 密集型系统

IO 密集型系统指的是系统的大部分操作是在等待 IO 完成，这里 IO 指的是磁盘 IO 和网络 IO。我们熟知的系统大部分都属于 IO 密集型，比如数据库系统、缓存系统、Web 系统。这类系统的性能瓶颈可能出在系统内部，也可能是依赖的其他系统，而发现这类性能瓶颈的手段主要有两类。

第一类是采用工具，Linux 的工具集很丰富，完全可以满足你的优化需要，比如网络协议栈、网卡、磁盘、文件系统、内存，等等。这些工具的用法很多，你可以在排查问题的过程中逐渐积累。除此之外呢，一些开发语言还有针对语言特性的分析工具，比如说 Java 语言就有其专属的内存分析工具。

另外一类手段就是可以通过监控来发现性能问题。在监控中我们可以对任务的每一个步骤做分时的统计，从而找到任务的哪一步消耗了更多的时间。这一部分在演进篇中会有专门的介绍，这里就不再展开了。

解决思路

那么找到了系统的瓶颈点，我们要如何优化呢？优化方案会随着问题的不同而不同。比方说，如果是数据库访问慢，那么就要看是不是有锁表的情况、是不是有全表扫描、索引加得是否合适、是否有 JOIN 操作、需不需要加缓存，等等；如果是网络的问题，就要看网络的参数是否有优化的空间，抓包来看是否有大量的超时重传，网卡是否有大量丢包等。

高可用性

可用性的度量

MTBF（Mean Time Between Failure）是平均故障间隔的意思，代表两次故障的间隔时间，也就是系统正常运转的平均时间。这个时间越长，系统稳定性越高。
MTTR（Mean Time To Repair）表示故障的平均恢复时间，也可以理解为平均故障时间。这个值越小，故障对于用户的影响越小。
可用性与 MTBF 和 MTTR 的值息息相关，我们可以用下面的公式表示它们之间的关系：

Availability = MTBF / (MTBF + MTTR)

这个公式计算出的结果是一个比例，而这个比例代表着系统的可用性。一般来说，我们会使用几个九来描述系统的可用性。

高可用系统设计的思路

1. 系统设计

“Design for failure”是我们做高可用系统设计时秉持的第一原则。在承担百万 QPS 的高并发系统中，集群中机器的数量成百上千台，单机的故障是常态，几乎每一天都有发生故障的可能。

未雨绸缪才能决胜千里。我们在做系统设计的时候，要把发生故障作为一个重要的考虑点，预先考虑如何自动化地发现故障，发生故障之后要如何解决。当然了，除了要有未雨绸缪的思维之外，我们还需要掌握一些具体的优化方法，比如failover（故障转移）、超时控制以及降级和限流。

一般来说，发生 failover 的节点可能有两种情况：

是在完全对等的节点之间做 failover。
是在不对等的节点之间，即系统中存在主节点也存在备节点。
在对等节点之间做 failover 相对来说简单些。在这类系统中所有节点都承担读写流量，并且节点中不保存状态，每个节点都可以作为另一个节点的镜像。在这种情况下，如果访问某一个节点失败，那么简单地随机访问另一个节点就好了。

举个例子，Nginx 可以配置当某一个 Tomcat 出现大于 500 的请求的时候，重试请求另一个 Tomcat 节点，就像下面这样：

针对不对等节点的 failover 机制会复杂很多。比方说我们有一个主节点，有多台备用节点，这些备用节点可以是热备（同样在线提供服务的备用节点），也可以是冷备（只作为备份使用），那么我们就需要在代码中控制如何检测主备机器是否故障，以及如何做主备切换。

使用最广泛的故障检测机制是“心跳”。你可以在客户端上定期地向主节点发送心跳包，也可以从备份节点上定期发送心跳包。当一段时间内未收到心跳包，就可以认为主节点已经发生故障，可以触发选主的操作。
选主的结果需要在多个备份节点上达成一致，所以会使用某一种分布式一致性算法，比方说 Paxos，Raft。

确定超时控制时间

超时时间短了，会造成大量的超时错误，对用户体验产生影响；超时时间长了，又起不到作用。我建议你通过收集系统之间的调用日志，统计比如说 99% 的响应时间是怎样的，然后依据这个时间来指定超时时间。如果没有调用的日志，那么你只能按照经验值来指定超时时间。不过，无论你使用哪种方式，超时时间都不是一成不变的，需要在后面的系统维护过程中不断地修改。

超时控制实际上就是不让请求一直保持，而是在经过一定时间之后让请求失败，释放资源给接下来的请求使用。这对于用户来说是有损的，但是却是必要的，因为它牺牲了少量的请求却保证了整体系统的可用性。而我们还有另外两种有损的方案能保证系统的高可用，它们就是降级和限流。
降级是为了保证核心服务的稳定而牺牲非核心服务的做法。比方说我们发一条微博会先经过反垃圾服务检测，检测内容是否是广告，通过后才会完成诸如写数据库等逻辑。
反垃圾的检测是一个相对比较重的操作，因为涉及到非常多的策略匹配，在日常流量下虽然会比较耗时却还能正常响应。但是当并发较高的情况下，它就有可能成为瓶颈，而且它也不是发布微博的主体流程，所以我们可以暂时关闭反垃圾服务检测，这样就可以保证主体的流程更加稳定。
限流完全是另外一种思路，它通过对并发的请求进行限速来保护系统。
比如对于 Web 应用，我限制单机只能处理每秒 1000 次的请求，超过的部分直接返回错误给客户端。虽然这种做法损害了用户的使用体验，但是它是在极端并发下的无奈之举，是短暂的行为，因此是可以接受的。

实际上，无论是降级还是限流，在细节上还有很多可供探讨的地方，我会在后面的课程中，随着系统的不断演进深入地剖析，在基础篇里就不多说了。

2. 系统运维

灰度发布：灰度发布指的是系统的变更不是一次性地推到线上的，而是按照一定比例逐步推进的。一般情况下，灰度发布是以机器维度进行的。
故障演练:指的是对系统进行一些破坏性的手段，观察在出现局部故障时，整体的系统表现是怎样的，从而发现系统中存在的，潜在的可用性问题。

可拓展性

问：在架构设计之初，为什么不预先考虑好使用多少台机器，支持现有的并发呢？

峰值的流量不可控。

考虑因素

数据库、缓存、依赖的第三方、负载均衡、交换机带宽等等。

高可拓展性设计思路

拆分是提升系统扩展性最重要的一个思路，它会把庞杂的系统拆分成独立的，有单一职责的模块。相对于大系统来说，考虑一个一个小模块的扩展性当然会简单一些。将复杂的问题简单化，这就是我们的思路。

1. 存储层的扩展性

存储拆分首先考虑的维度是业务维度
按照业务拆分，在一定程度上提升了系统的扩展性，但系统运行时间长了之后，单一的业务数据库在容量和并发请求量上仍然会超过单机的限制。这时，我们就需要针对数据库做第二次拆分。基于（成本）长远的考虑，我们最好一次性增加足够的节点以避免频繁地扩容。
当数据库按照业务和数据维度拆分之后，我们尽量不要使用事务。因为当一个事务中同时更新不同的数据库时，需要使用二阶段提交，来协调所有数据库要么全部更新成功，要么全部更新失败。这个协调的成本会随着资源的扩展不断升高，最终达到无法承受的程度。

2. 业务层的扩展性

我们一般会从三个维度考虑业务层的拆分方案，它们分别是：业务纬度，重要性纬度和请求来源纬度。

首先，我们需要把相同业务的服务拆分成单独的业务池
除此之外，我们还可以根据业务接口的重要程度，把业务分为核心池和非核心池。
最后，你还可以根据接入客户端类型的不同做业务池的拆分。

数据库

频繁连接浪费时间，占总时间的4/5。sql执行1ms,连接4ms.

解决：用连接池预先建立数据库连接

连接池

连接池管理的关键点

数据库连接池有两个最重要的配置：最小连接数和最大连接数，它们控制着从连接池中获取连接的流程：

如果当前连接数小于最小连接数，则创建新的连接处理数据库请求；
如果连接池中有空闲连接则复用空闲连接；
如果空闲池中没有连接并且当前连接数小于最大连接数，则创建新的连接处理请求；
如果当前连接数已经大于等于最大连接数，则按照配置中设定的时间（C3P0 的连接池配置是 checkoutTimeout）等待旧的连接可用；
如果等待超过了这个设定时间则向用户抛出错误。
对于数据库连接池，根据我的经验，一般在线上我建议最小连接数控制在 10 左右，最大连接数控制在 20～30 左右即可。

连接池故障原因

数据库的域名对应的 IP 发生了变更，池子的连接还是使用旧的 IP，当旧的 IP 下的数据库服务关闭后，再使用这个连接查询就会发生错误；
2.MySQL 有个参数是“wait_timeout”，控制着当数据库连接闲置多长时间后，数据库会主动的关闭这条连接。这个机制对于数据库使用方是无感知的，所以当我们使用这个被关闭的连接时就会发生错误

连接池故障解决方案

启动一个线程来定期检测连接池中的连接是否可用，比如使用连接发送“select 1”的命令给数据库看是否会抛出异常，如果抛出异常则将这个连接从连接池中移除，并且尝试关闭。目前 C3P0 连接池可以采用这种方式来检测连接是否可用，也是我比较推荐的方式。
在获取到连接之后，先校验连接是否可用，如果可用才会执行 SQL 语句。比如 DBCP 连接池的 testOnBorrow 配置项，就是控制是否开启这个验证。这种方式在获取连接时会引入多余的开销，在线上系统中还是尽量不要开启，在测试服务上可以使用。

线程池

首先， JDK 实现的这个线程池优先把任务放入队列暂存起来，而不是创建更多的线程，它比较适用于执行 CPU 密集型的任务，也就是需要执行大量 CPU 运算的任务。这是为什么呢？因为执行 CPU 密集型的任务时 CPU 比较繁忙，因此只需要创建和 CPU 核数相当的线程就好了，多了反而会造成线程上下文切换，降低任务执行效率。所以当当前线程数超过核心线程数时，线程池不会增加线程，而是放在队列里等待核心线程空闲下来。
但是，我们平时开发的 Web 系统通常都有大量的 IO 操作，比方说查询数据库、查询缓存等等。任务在执行 IO 操作的时候 CPU 就空闲了下来，这时如果增加执行任务的线程数而不是把任务暂存在队列中，就可以在单位时间内执行更多的任务，大大提高了任务执行的吞吐量。所以你看 Tomcat 使用的线程池就不是 JDK 原生的线程池，而是做了一些改造，当线程数超过 coreThreadCount 之后会优先创建线程，直到线程数到达 maxThreadCount，这样就比较适合于 Web 系统大量 IO 操作的场景了，你在实际运用过程中也可以参考借鉴。

其次，线程池中使用的队列的堆积量也是我们需要监控的重要指标，对于实时性要求比较高的任务来说，这个指标尤为关键。
我在实际项目中就曾经遇到过任务被丢给线程池之后，长时间都没有被执行的诡异问题。最初，我认为这是代码的 Bug 导致的，后来经过排查发现，是因为线程池的 coreThreadCount 和 maxThreadCount 设置的比较小，导致任务在线程池里面大量的堆积，在调大了这两个参数之后问题就解决了。跳出这个坑之后，我就把重要线程池的队列任务堆积量，作为一个重要的监控指标放到了系统监控大屏上。

最后，如果你使用线程池请一定记住不要使用无界队列（即没有设置固定大小的队列）。也许你会觉得使用了无界队列后，任务就永远不会被丢弃，只要任务对实时性要求不高，反正早晚有消费完的一天。但是，大量的任务堆积会占用大量的内存空间，一旦内存空间被占满就会频繁地触发 Full GC，造成服务不可用，我之前排查过的一次 GC 引起的宕机，起因就是系统中的一个线程池使用了无界队列。

池化技术

它的核心思想是空间换时间，期望使用预先创建好的对象来减少频繁创建对象的性能开销，同时还可以对对象进行统一的管理，降低了对象的使用的成本，总之是好处多多。
不过，池化技术也存在一些缺陷，比方说存储池子中的对象肯定需要消耗多余的内存，如果对象没有被频繁使用，就会造成内存上的浪费。再比方说，池子中的对象需要在系统启动的时候就预先创建完成，这在一定程度上增加了系统启动时间。
可这些缺陷相比池化技术的优势来说就比较微不足道了，只要我们确认要使用的对象在创建时确实比较耗时或者消耗资源，并且这些对象也确实会被频繁地创建和销毁，我们就可以使用池化技术来优化。

主从分离

主从读写分离

技术关键点

1.主从复制

主从复制的过程是这样的：首先从库在连接到主节点时会创建一个 IO 线程，用以请求主库更新的 binlog，并且把接收到的 binlog 信息写入一个叫做 relay log 的日志文件中，而主库也会创建一个 log dump 线程来发送 binlog 给从库；同时，从库还会创建一个 SQL 线程读取 relay log 中的内容，并且在从库中做回放，最终实现主从的一致性。这是一种比较常见的主从复制方式。
在这个方案中，使用独立的 log dump 线程是一种异步的方式，可以避免对主库的主体更新流程产生影响，而从库在接收到信息后并不是写入从库的存储中，是写入一个 relay log，是避免写入从库实际存储会比较耗时，最终造成从库和主库延迟变长。

那么你可能会说，是不是我无限制地增加从库的数量就可以抵抗大量的并发呢？实际上并不是的。因为随着从库数量增加，从库连接上来的 IO 线程比较多，主库也需要创建同样多的 log dump 线程来处理复制的请求，对于主库资源消耗比较高，同时受限于主库的网络带宽，所以在实际使用中，一般一个主库最多挂 3～5 个从库。
当然，主从复制也有一些缺陷，除了带来了部署上的复杂度，还有就是会带来一定的主从同步的延迟，这种延迟有时候会对业务产生一定的影响，我举个例子你就明白了。
在发微博的过程中会有些同步的操作，像是更新数据库的操作，也有一些异步的操作，比如说将微博的信息同步给审核系统，所以我们在更新完主库之后，会将微博的 ID 写入消息队列，再由队列处理机依据 ID 在从库中获取微博信息再发送给审核系统。此时如果主从数据库存在延迟，会导致在从库中获取不到微博信息，整个流程会出现异常。

这个问题解决的思路有很多，核心思想就是尽量不去从库中查询信息，纯粹以上面的例子来说，我就有三种解决方案：
第一种方案是数据的冗余。你可以在发送消息队列时不仅仅发送微博 ID，而是发送队列处理机需要的所有微博信息，借此避免从数据库中重新查询数据。
第二种方案是使用缓存。我可以在同步写数据库的同时，也把微博的数据写入到 Memcached 缓存里面，这样队列处理机在获取微博信息的时候会优先查询缓存，这样也可以保证数据的一致性。
最后一种方案是查询主库。我可以在队列处理机中不查询从库而改为查询主库。不过，这种方式使用起来要慎重，要明确查询的量级不会很大，是在主库的可承受范围之内，否则会对主库造成比较大的压力。
我会优先考虑第一种方案，因为这种方式足够简单，不过可能造成单条消息比较大，从而增加了消息发送的带宽和时间。
缓存的方案比较适合新增数据的场景，在更新数据的场景下，先更新缓存可能会造成数据的不一致，比方说两个线程同时更新数据，线程 A 把缓存中的数据更新为 1，此时另一个线程 B 把缓存中的数据更新为 2，然后线程 B 又更新数据库中的数据为 2，此时线程 A 更新数据库中的数据为 1，这样数据库中的值（1）和缓存中的值（2）就不一致了。
最后，若非万不得已的情况下，我不会使用第三种方案。原因是这种方案要提供一个查询主库的接口，在团队开发的过程中，你很难保证其他同学不会滥用这个方法，而一旦主库承担了大量的读请求导致崩溃，那么对于整体系统的影响是极大的。
所以对这三种方案来说，你要有所取舍，根据实际项目情况做好选择。
另外，主从同步的延迟，是我们排查问题时很容易忽略的一个问题。有时候我们遇到从数据库中获取不到信息的诡异问题时，会纠结于代码中是否有一些逻辑会把之前写入的内容删除，但是你又会发现，过了一段时间再去查询时又可以读到数据了，这基本上就是主从延迟在作怪。所以，一般我们会把从库落后的时间作为一个重点的数据库指标做监控和报警，正常的时间是在毫秒级别，一旦落后的时间达到了秒级别就需要告警了。

2.数据库访问方式

解决方案：为了降低实现的复杂度，业界涌现了很多数据库中间件来解决数据库的访问问题，这些中间件可以分为两类。
（1）以淘宝的 TDDL（ Taobao Distributed Data Layer）为代表，以代码形式内嵌运行在应用程序内部。你可以把它看成是一种数据源的代理，它的配置管理着多个数据源，每个数据源对应一个数据库，可能是主库，可能是从库。当有一个数据库请求时，中间件将 SQL 语句发给某一个指定的数据源来处理，然后将处理结果返回。
优点：简单易用，没有多余的部署成本，适合运维能力较弱的小团队使用。
缺点：缺乏多语言的支持，版本升级也依赖使用方更新，比较困难。
（2）另一类是单独部署的代理层方案，这一类方案代表比较多，如早期阿里巴巴开源的 Cobar，基于 Cobar 开发出来的 Mycat，360 开源的 Atlas，美团开源的基于 Atlas 开发的 DBProxy 等等。
这一类中间件部署在独立的服务器上，业务代码如同在使用单一数据库一样使用它，实际上它内部管理着很多的数据源，当有数据库请求时，它会对 SQL 语句做必要的改写，然后发往指定的数据源。
优点：使用标准的 MySQL 通信协议，所以可以很好地支持多语言。由于它是独立部署的，所以也比较方便进行维护升级，比较适合有一定运维能力的大中型团队使用。
缺点：所有的 SQL 语句都需要跨两次网络：从应用到代理层和从代理层到数据源，所以在性能上会有一些损耗。

分库分表

数据库的写入请求量大造成的性能和可用性方面的问题：取的措施就是对数据进行分片，对数据进行分片，可以很好地分摊数据库的读写压力，也可以突破单机的存储瓶颈，而常见的一种方式是对数据库做“分库分表”。
分库分表是一种常见的将数据分片的方式，它的基本思想是依照某一种策略将数据尽量平均的分配到多个数据库节点或者多个表中。

垂直拆分

垂直拆分，顾名思义就是对数据库竖着拆分，也就是将数据库的表拆分到多个不同的数据库中。
垂直拆分的原则一般是按照业务类型来拆分，核心思想是专库专用，将业务耦合度比较高的表拆分到单独的库中。举个形象的例子就是在整理衣服的时候，将羽绒服、毛衣、T 恤分别放在不同的格子里。这样可以解决我在开篇提到的第三个问题：把不同的业务的数据分拆到不同的数据库节点上，这样一旦数据库发生故障时只会影响到某一个模块的功能，不会影响到整体功能，从而实现了数据层面的故障隔离。

水平拆分

和垂直拆分的关注点不同，垂直拆分的关注点在于业务相关性，而水平拆分指的是将单一数据表按照某一种规则拆分到多个数据库和多个数据表中，关注点在数据的特点。

拆分规则

1. 按照某一个字段的哈希值做拆分，这种拆分规则比较适用于实体表，比如说用户表，内容表，我们一般按照这些实体表的 ID 字段来拆分。比如说我们想把用户表拆分成 16 个库，64 张表，那么可以先对用户 ID 做哈希，哈希的目的是将 ID 尽量打散，然后再对 16 取余，这样就得到了分库后的索引值；对 64 取余，就得到了分表后的索引值。

2. 另一种比较常用的是按照某一个字段的区间来拆分，比较常用的是时间字段。你知道在内容表里面有“创建时间”的字段，而我们也是按照时间来查看一个人发布的内容。我们可能会要看昨天的内容，也可能会看一个月前发布的内容，这时就可以按照创建时间的区间来分库分表，比如说可以把一个月的数据放入一张表中，这样在查询时就可以根据创建时间先定位数据存储在哪个表里面，再按照查询条件来查询。
一般来说，列表数据可以使用这种拆分方式，比如一个人一段时间的订单，一段时间发布的内容。但是这种方式可能会存在明显的热点，这很好理解嘛，你当然会更关注最近我买了什么，发了什么，所以查询的 QPS 也会更多一些，对性能有一定的影响。另外，使用这种拆分规则后，数据表要提前建立好，否则如果时间到了 2020 年元旦，DBA（Database Administrator，数据库管理员）却忘记了建表，那么 2020 年的数据就没有库表可写了，就会发生故障了。

数据库在分库分表之后，数据的访问方式也有了极大的改变，原先只需要根据查询条件到从库中查询数据即可，现在则需要先确认数据在哪一个库表中，再到那个库表中查询数据。这种复杂度也可以通过数据库中间件来解决，我们在上一节中已经有所讲解，这里就不再赘述了，不过，我想再次强调的是你需要对所使用数据库中间件的原理有足够的了解和足够强的运维上的把控能力。

分库分表引入的问题

分库分表引入的一个最大的问题就是引入了分库分表键，也叫做分区键，也就是我们对数据库做分库分表所依据的字段。
方案：1,按不同得字段作为分区键进行拆分。（存储成本大，维护困难）。
2.建立分区键与要查询字段的映射表，该映射表也可进行分库分表。通过映射表找到对应分区键，然后进行查询。
分库分表引入的另外一个问题是一些数据库的特性在实现时可能变得很困难。比如说多表的 join 在单库时是可以通过一个 SQL 语句完成的，但是拆分到多个数据库之后就无法跨库执行 SQL 了，不过好在我们对于 join 的需求不高，即使有也一般是把两个表的数据取出后在业务代码里面做筛选，复杂是有一些，不过是可以实现的。再比如说在未分库分表之前查询数据总数时只需要在 SQL 中执行 count() 即可，现在数据被分散到多个库表中，我们可能要考虑其他的方案，比方说将计数的数据单独存储在一张表中或者记录在 Redis 里面。

对于分库分表的原则主要有以下几点：

如果在性能上没有瓶颈点那么就尽量不做分库分表；

如果要做，就尽量一次到位，比如说 16 库 64 表就基本能够满足为了几年内你的业务的需求。

很多的 NoSQL 数据库，例如 Hbase，MongoDB 都提供 auto sharding 的特性，如果你的团队内部对于这些组件比较熟悉，有较强的运维能力，那么也可以考虑使用这些 NoSQL 数据库替代传统的关系型数据库。

分布式ID

搭建发号器服务来生成全局唯一的 ID
UUID缺点：
1.生成的 ID 最好具有单调递增性，也就是有序的，而 UUID 不具备这个特点。增加时间会造成存储空间上的浪费。
2.另一个原因在于 ID 有序也会提升数据的写入性能。

我们知道 MySQL InnoDB 存储引擎使用 B+ 树存储索引数据，而主键也是一种索引。索引数据在 B+ 树中是有序排列的，就像下面这张图一样，图中 2，10，26 都是记录的 ID，也是索引数据。

这时，当插入的下一条记录的 ID 是递增的时候，比如插入 30 时，数据库只需要把它追加到后面就好了。但是如果插入的数据是无序的，比如 ID 是 13，那么数据库就要查找 13 应该插入的位置，再挪动 13 后面的数据，这就造成了多余的数据移动的开销。

我们知道机械磁盘在完成随机的写时，需要先做“寻道”找到要写入的位置，也就是让磁头找到对应的磁道，这个过程是非常耗时的。而顺序写就不需要寻道，会大大提升索引的写入性能。

3.UUID 不能作为 ID 的另一个原因是它不具备业务含义

其实现实世界中使用的 ID 中都包含有一些有意义的数据，这些数据会出现在 ID 的固定的位置上。比如说我们使用的身份证的前六位是地区编号；7～14 位是身份证持有人的生日；不同城市电话号码的区号是不同的；你从手机号码的的前三位就可以看出这个手机号隶属于哪一个运营商。而如果生成的 ID 可以被反解，那么从反解出来的信息中我们可以对 ID 来做验证，我们可以从中知道这个 ID 的生成时间，从哪个机房的发号器中生成的，为哪个业务服务的，对于问题的排查有一定的帮助。

4.UUID 是由 32 个 16 进制数字组成的字符串，如果作为数据库主键使用比较耗费空间。

基于 Snowflake 算法搭建发号器

Snowflake 的核心思想是将 64bit 的二进制数字分成若干部分，每一部分都存储有特定含义的数据，比如说时间戳、机器 ID、序列号等等，最终生成全局唯一的有序 ID。它的标准算法是这样的：

从上面这张图中我们可以看到，41 位的时间戳大概可以支撑 pow(2,41)/1000/60/60/24/365 年，约等于 69 年，对于一个系统是足够了。
如果你的系统部署在多个机房，那么 10 位的机器 ID 可以继续划分为 2～3 位的 IDC 标示（可以支撑 4 个或者 8 个 IDC 机房）和 7～8 位的机器 ID（支持 128-256 台机器）；12 位的序列号代表着每个节点每毫秒最多可以生成 4096 的 ID。

实现方式

1.一种是嵌入到业务代码里，也就是分布在业务服务器中。这种方案的好处是业务代码在使用的时候不需要跨网络调用，性能上会好一些，但是就需要更多的机器 ID 位数来支持更多的业务服务器。另外，由于业务服务器的数量很多，我们很难保证机器 ID 的唯一性，所以就需要引入 ZooKeeper 等分布式一致性组件来保证每次机器重启时都能获得唯一的机器 ID。
2.另外一个部署方式是作为独立的服务部署，这也就是我们常说的发号器服务。业务在使用发号器的时候就需要多一次的网络调用，但是内网的调用对于性能的损耗有限，却可以减少机器 ID 的位数，如果发号器以主备方式部署，同时运行的只有一个发号器，那么机器 ID 可以省略，这样可以留更多的位数给最后的自增信息位。即使需要机器 ID，因为发号器部署实例数有限，那么就可以把机器 ID 写在发号器的配置文件里，这样即可以保证机器 ID 唯一性，也无需引入第三方组件了。微博和美图都是使用独立服务的方式来部署发号器的，性能上单实例单 CPU 可以达到两万每秒。

缺点：

1.依赖于系统的时间戳，一旦系统时间不准，就有可能生成重复的 ID

解决方案：如果我们发现系统时钟不准，就可以让发号器暂时拒绝发号，直到时钟准确为止。

2.另外，如果请求发号器的 QPS 不高，比如说发号器每毫秒只发一个 ID，就会造成生成 ID 的末位永远是 1，那么在分库分表时如果使用 ID 作为分区键就会造成库表分配的不均匀。

解决方案：

时间戳不记录毫秒而是记录秒，这样在一个时间区间里可以多发出几个号，避免出现分库分表时数据分配不均。

生成的序列号的起始号可以做一下随机，这一秒是 21，下一秒是 30，这样就会尽量的均衡了。

数据库和NoSQL互补

传统数据库（关系型）机械磁盘存储，访问方式：

一种是随机 IO；另一种是顺序 IO。随机 IO 就需要花费时间做昂贵的磁盘寻道，一般来说，它的读写效率要比顺序 IO 小两到三个数量级，所以我们想要提升写入的性能就要尽量减少随机 IO。

它们有多种的解决方式，这里我给你讲一种最常见的方案，就是很多 NoSQL 数据库都在使用的基于 LSM 树的存储引擎，这种算法使用最多，所以在这里着重剖析一下。LSM 树（Log-Structured Merge Tree）牺牲了一定的读性能来换取写入数据的高性能。

Elasticsearch以倒排索引作为核心技术原理，为你提供了分布式的全文搜索服务，这在传统的关系型数据库中使用 SQL 语句是很难实现的。
倒排索引是指将记录中的某些列做分词，然后形成的分词与记录 ID 之间的映射关系。比如说，你的垂直电商项目里面有以下记录。

MongoDB 就有三个扩展性方面的特性

其一是 Replica，也叫做副本集，你可以理解为主从分离，也就是通过将数据拷贝成多份来保证当主挂掉后数据不会丢失。同时呢，Replica 还可以分担读请求。Replica 中有主节点来承担写请求，并且把对数据变动记录到 oplog 里（类似于 binlog）；从节点接收到 oplog 后就会修改自身的数据以保持和主节点的一致。一旦主节点挂掉，MongoDB 会从从节点中选取一个节点成为主节点，可以继续提供写数据服务。
其二是 Shard，也叫做分片，你可以理解为分库分表，即将数据按照某种规则拆分成多份，存储在不同的机器上。MongoDB 的 Sharding 特性一般需要三个角色来支持，一个是 Shard Server，它是实际存储数据的节点，是一个独立的 Mongod 进程；二是 Config Server，也是一组 Mongod 进程，主要存储一些元信息，比如说哪些分片存储了哪些数据等；最后是 Route Server，它不实际存储数据，仅仅作为路由使用，它从 Config Server 中获取元信息后，将请求路由到正确的 Shard Server 中。

其三是负载均衡，就是当 MongoDB 发现 Shard 之间数据分布不均匀，会启动 Balancer 进程对数据做重新的分配，最终让不同 Shard Server 的数据可以尽量的均衡。当我们的 Shard Server 存储空间不足需要扩容时，数据会自动被移动到新的 Shard Server 上，减少了数据迁移和验证的成本。

高并发