架构模式：分片

什么是分片？

分片是一种数据库架构模式，涉及将数据库划分为更小、更快、更易于管理的部分，称为分片。每个分片都是一个不同的数据库，这些分片共同构成了整个数据库。分片对于管理大型数据库特别有用，可以显着提高性能、可维护性和可扩展性。

主要特点

• ​数据分布： 分片可以分布在多个服务器上，从而减少任何单个服务器上的负载并缩短响应时间。

• 水平分区：分片通常涉及水平分区，其中数据库表的行单独保存，而不是划分表本身（垂直分区）。

• 独立性： 每个分片独立运行。因此，对一个分片的查询不会影响另一个分片的性能。

分片类型

水平分片

描述：水平分片，也称为数据分片，涉及将数据库表划分到多个数据库或数据库实例。每个分片包含相同的表模式，但保存不同的数据子集，通常根据分片键进行分割。这种划分使得表的每一行仅存储在一个分片中。

使用案例： 非常适合具有大型数据集的应用程序，其中数据行可以轻松分段，例如按地理区域或用户 ID 拆分客户数据。这种方法在平衡负载和提高查询性能方面非常有效，因为它减少了每个查询中搜索的行数。

垂直分片

描述： 涉及将数据库拆分为更小的子集，其中每个分片保存数据库表的子集。此方法通常用于将数据库分成更小、更易于管理的部分，每个分片专用于与应用程序的特定方面相关的特定表或表组。

使用案例：适用于某些表比其他表访问更频繁的数据库，从而减少大量查询表的负载。例如，在 Web 应用程序中，用户身份验证数据可以存储在一个分片中，而用户活动日志存储在另一个分片中，从而优化频繁访问的表的性能。

分片策略

基于哈希的分片

描述： 涉及使用哈希函数来确定每个数据记录的分片。哈希函数采用分片键（通常是数据集中的特定属性或列），并返回一个哈希值，然后使用该值将记录分配给分片。

使用案例： 非常适合数据均匀分布至关重要的应用程序，例如 Web 应用程序中的用户会话存储。

基于范围的分片

描述：该方法涉及根据分片键的范围将数据划分为分片。每个分片保存特定范围值的数据。

用例： 适用于时间序列数据或顺序数据，例如带时间戳的日志或事件。

基于目录的分片

描述： 使用查找服务或目录来跟踪哪个分片保存哪些数据。该目录将分片键映射到分片位置。

使用案例： 在数据分布不均匀的场景或处理复杂的数据分区标准时有效。

地理分片

描述：数据根据地理位置进行分片。每个分片负责来自特定地理区域的数据。

使用案例：非常适合需要数据局部性的服务，例如内容交付网络或移动应用程序中基于位置的服务。

好处

• 可扩展性： 通过将数据分布在多台机器上，分片允许水平扩展，这比垂直扩展（升级现有硬件）更具成本效益且易于管理。

• 性能改进： 分片可以显着提高性能。通过划分数据库，确保工作负载被分担，减少各个服务器的负载。

• 高可用性： 分片增强可用性。如果一个分片发生故障，不会导致整个数据库崩溃。只有一部分数据变得不可用。

权衡

• 实施复杂性： 分片显着增加了数据库架构和应用程序逻辑的复杂性，需要仔细的设计和执行。

• 数据分发挑战： 需要一种数据分发的战略方法。糟糕的策略可能会导致服务器不平衡，某些分片比其他分片处理更多的负载。

• 连接操作和事务： 跨分片的连接操作可能具有挑战性，并且可能会降低性能。管理跨多个分片的交易非常复杂。

• 回到标准架构复杂性： 将分片数据库恢复为非分片架构可能非常具有挑战性并且需要占用大量资源。此过程涉及重大的重组和数据迁移工作。

结论

分片是管理大规模数据库的有效架构模式。它提供了可扩展性、改进的性能和高可用性。然而，这些好处是以复杂性增加为代价的，特别是在实施和管理方面。有效的分片需要采用深思熟虑的数据分发方法以及对应用程序的数据访问模式的深入了解。尽管面临挑战，分片仍然是数据库架构师的重要工具，特别是在大数据和高流量应用程序领域。随着数据量和重要性的不断增长，分片将继续成为高效和有效的数据库管理的重要策略。

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作者：Pier-Jean MALANDRINO

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