如何使用HBase构建NewSQL？
本文是刘奇在SDCC 2015数据库实践论坛上分享的《HBase分布式事务与SQL实现》主题内容。
目前主流的数据库或者NoSQL要么在CAP里面选择AP，比较典型的例子是Cassandra，要么选择CP比如HBase，这两个是目前用得非常多的NoSQL的实现。我们的价值观一定认为未来是分布式的，一定是尽量倾向于全部都拥有，大部分情况下取舍都是HA，主流的比较顶级的数据库都会选择C，分布式系统一定逃不过P，所以A就只能选择HA。现在主要领域是数据库的开发，完全分布式，主要方向和谷歌的F1方向非常类似。
目前看NewSQL代表未来(Google Spanner、F1、FoundationDB)，HBase在国内有六个Committer，在目前主流的开源数据库里面几乎是最强的阵容。大家选型的时候会有一个犹豫，到底应该选择HBase还是选Cassandra。根据应用场景，如果需要一致性，HBase一定是你最好的选择，我推荐HBase。它始终保持强一致，我们非常喜欢一致性，丧失一致性的时候有些错误会特别诡异，很难查。对于Push-down特性的设计其实比较好，全局上是一个巨大的分布式数据库，但是逻辑上是分成了一个个Region，Region在哪台机器上是明确的。
比如要统计记录的条数，假设数据分布在整个系统里面，对数十亿记录做一个求和操作，就是说不同的机器上都要做一个sum，把条件告诉他要完成哪些任务，他给你任务你再汇总，这是典型的分布式的 MPP，做加速的时候是非常有效的。
2015年HBaseConf 上面有一句总结: “Nothing is hotter than SQL-on-Hadoop, and now SQL-on- HBase is fast approaching equal hotness status”， 实际上SQL-on-HBase 也是非常火。因为 Schema Less 没有约束其实是很吓人的一件事情，当然没有约束也比较爽，就是后期维护十分痛苦，规模进一步扩大了之后又需要迁移到 SQL。
现在无论从品质还是速度上要求已经越来越高，拥有SQL的同时还希望有ACID的东西(OLAP一般不追求一致性)。所以TiDB在设计时就强调这样的特点：始终保持分布式事务的支持，兼容MySQL协议。无数公司在SQL遇到Scale问题的时候很痛苦地做出了选择，比如迁移到HBase，Cassandra MongoDB已经看过太多的公司做这种无比痛苦的事情，现在不用痛苦了，直接迁过来，直接把数据导进来就OK了。TiDB最重要的是关注OLTP，对于互联网业务来说通常是在毫秒级内就需要返回一个结果。
我们到目前为止开发了六个月，开源了两个月。昨天晚上TiDB达到了第一个Alpha的阶段，现在可以拥有一个强大的数据库：支持分布式事务，始终保持同步的复制，强大的按需Scale能力，无阻塞的Schema变更。发布第一个Alpha版本的时候以前的质疑都会淡定下来，因为你可以阅读每一行代码，体验每个功能。选择这个领域也是非常艰难的决定，实在太Hardcore了，当初Google Spanner也做了5年。不过我们是真爱，我们就是技术狂，就是要解决问题，就是要挑大家最头痛的问题去解决。好在目前阿里的OceanBase给我们服了颗定心丸，大家也不会质疑分布式关系型数据库是否可行。
TiDB名字由来
为什么叫TiDB？大家起名字的时候特别喜欢用希腊神话里面的人物，但几乎所有的希腊神话人物的名字都被别的项目使用了，后来我们就找了化学元素周期表（理工科男与生俱来的特征），化学元素周期表里找到一个不俗且又能代表我们数据库特性的元素-Ti 。Ti是航空航天及航海里面很重要的设备都会用到的，特别稳定，也比较贵。
TiDB的系统架构图
TiDB怎么支持MySQL这个协议？这里会有一个协议解析层，它的作用就是去分析MySQL协议，转成内部可以识别的分发给自己的SQL Layer。当SQL Layer 拿到这个语句之后会把它拆成对应的分布式KV操作，所以这里会有一个Transactional KV Storage。接下来是在KV基础上增加事务的支持，再往上是普通的KV操作，理论上KV选什么都可以，如果选的是HBase有一个好处，它本身就是分布式，省掉分布式的工作。目前我们在小米的Themis基础上做了些优化和改进，和我们TiDB做了一个很好的结合。后期我们有一个计划，准备自己重写一套底层的分布式KV，把HBase换掉。因为HBase对于Container不友好，加上GC也是让人比较讨厌的问题，压力比较大的时候GC延迟会加长。
Google Percolator实现方式
HBase上面分布式事务典型的设计，先来说一下Goolge Percolator 内部实现，看架构图：
Goolge Percolator内部实现
分布式事务基本设计是在上面这个 Percolator层，Timestamp Oracle 可以保证严格的递增。Percolator是在KV上的实现，它对于SQL的角度考虑比较少，有一个隔离级别的问题，很典型的是Snapshot Isolation, SQL 语句落在KV上的实现，如果只有Snapshot Isolation的话隔离级别就太低了。此外，这个模型还有其它的问题。比如，它每秒能分配多少个递增的Timestamp？Google分享的一个slides的数据，每秒200万，小米也开源了自己的实现，每秒60万，我们前一阵也写了一个每秒400万，优化一下可以达到800万。因为Timestamp业务特别简单，所以可以做针对性的优化，当然很少有业务能跑到这个级别的事务。
Yahoo OMID的实现
雅虎的OMID实现，架构图如下：
雅虎的OMID实现
除了Timestamp的职能，TSO还维护更多信息用于检测事务冲突。TSO是整个Omid系统的单点，如果一个系统只需要一个单点，单点做得越少就能获得越多的性能，也更容易优化。
下图是它的分布式事务的执行过程：
假设现在要发起一个分布式事务，第一个事情是拿Start TS，再去做你的读写操作，做读写操作的时候会把Key都记下来。Commit的时候要先冲突检测，这就是TSO 要做的更多的事情，更具体的细节请参考Omid 的论文或者 <<从零开始写分布式数据库>>一书。
谷歌的Spanner，细节非常多，引用的论文有40多篇，很吓人，有些引用的论文也非常经典，很值得一读。Spanner已经不再使用NTP了，需要用一个有信心的靠谱的方式来同步时间。内部也说不再用NTP做时间的维护，GPS是非常简单便宜的方式，GPS是大家使用滴滴打车时用于得到定位信息的。GPS还给了当前精确的时钟信息，有软件可以把这个检测出来，可以直接使用它的这个信号来同步时间。使用GPS信号的好处很明显，随便在哪个山区都有GPS信号，但不一定能收到基站的信号，同时它的精度也非常高。
TiDB的技术选型
再来说说TiDB的一些技术选型的例子。选择MySQL协议后会做一些取舍，有些地方不完全按Google F1去做设计的。Google F1里做的比较好的是非常经典的Non-blocking schema changes。比如现在要加一个索引，如果横跨数十台机器，数十亿条记录，加索引的速度是非常慢的，那么这个过程必须是不阻塞的，不影响正在运行的业务的。因为在建立索引的同时需要修改别的地方，所以要做一个原子的提交，细节上还要处理事务冲突的错误。F1有并发的图，我们刚才提到HBase里通过Push-down可以把一些计算下推到对应的节点上去。但由于F1依赖Spanner，而Spanner会频繁地做Reblancing，会把数据不断的移动，所以它在上面很难基于range信息一次做最优的决策。
SQL如何映射分布式KV？
SQL到底是怎么映射到分布式KV上？现在HBase分层分得更加清楚，SQL层不太关心下面到底用什么，在乎的是接口。映射的过程，假设User Table里面有个Email，我们存储的时候是用ID做它的标识，这有很多的好处，比如删掉再重新添加一样的，它要生成不同的ID。在数十亿条记录的情况下删除一个Table，删除的过程完全可以由Map-Reduce异步去做。
为什么提供MySQL协议的支持？如果重新写一个数据库会遇到一个很大的问题，大家凭什么相信你是对的，数据库需要时间需要测试，好在你接入MySQL协议，你可以经过和MySQL一样严谨的测试。但如果是自己完全写一个，不借用它的协议，不借用它的语法，没有测试，大家凭什么相信你是对的。现在这个时代没有Communit是很可怕的，闭门造车很容易走偏。TiDB现在可以让用户一行代码都不改，跑WordPress等，还支持很多的ORM，这些ORM可以直接用，用户的代码一行不改可以直接迁过来，完全拥有水平扩展的能力，完全拥有分布式事务的支持。前TiDB在Github上2800+star。