概述

业务初期数据库设计大多采用单库单表的结构，随着业务发展QPS和数据量增长到一定瓶颈，单库单表的架构就支撑不住了，这时就要进行数据库层面的扩展。数据库的扩展可以分为如下场景：

读性能扩展
写性能扩展
分库分表
表结构扩展（大表DDL）

本篇文章只系统的介绍基于DB的方案。和其他中间件配合的方案，之后有可能也会系统写一篇。

读性能扩展

最基本的表设计指导思想：

业务需求决定表的字段
查询需求决定表的索引

数据库扩展-读性能扩展.jpg

业内常用的读扩展方案是主从架构。业务上，我们通常至少有两套系统：运营后台和C端应用。两者的查询维度一般不一样，这意味着要有两套不同的索引结构。而我们又不希望运营后台的请求影响到C端，所以数据要隔离。
所以，我们要搞两组slave。slave1用于处理C端读请求，假设C端的请求多以uid为查询条件，创建uid索引。slave2用于处理运营后台读请求，假设运营后台请求多以日期为查询条件，创建date索引。
这种方案既提高了读性能，也实现了请求互不影响，而且实现简单。缺点是不同组的slave存在着不同的索引，对于DBA来说存在一定的维护成本。又引入了主从延时的问题，参考我的另一篇文章Mysql主从延时。

写性能扩展

数据库扩展-写性能扩展.jpg

增加从库扩展读性能，很容易想到增加主库扩展写性能。数据库层面的负载均衡通常用LVS做，成本低，性能好。关于负载均衡，参考我的另一篇文章聊聊负载均衡。
双主同时对外提供服务，需要冗余全部数据。冗余数据，就会有数据不一致的问题。比如：master1生成一条id为3的数据，这条数据同步到master2之前，master2此时收到一个insert请求，也会生成一条id为3的数据。这时，就出现了双主id冲突的问题。这个问题的解决思路是保证双主生成的id不重复，方案有两种

数据库层解决方案。master1，master2设置不同的初始值，相同的步长。如图master1生成1，3，5，7。master2生成2，4，6，8。这种方案缺点是：两台机器配置不一样，会提高运维的复杂性。
应用层解决方案。主键有应用生成，采用全局id生成器来保证id不重复。

分库分表

参考聊聊分库分表

表结构扩展（大表DDL）

DDL操作一定要在业务低峰期做！切记！切记！切记！

Online DDL原理

MySQL 的 DDL(Data Definition Language) 包括增减字段、增减索引等操作。在 MySQL 5.6 之前，MySQL 的 DDL 操作会按照原来的表复制一份，并做相应的修改，例如，对表 A 进行 DDL 的具体过程如下：

按照表 A 的定义新建一个表 B
对表 A 加 exclusive metadata lock
在表 B 上执行 DDL 指定的操作
将 A 中的数据拷贝到 B
释放 A 的 exclusive metadata lock
删除表 A
将表 B 重命名为 A

如果表 A 数据量比较大，拷贝到表 B 的过程会消耗大量时间，并占用额外的存储空间。此外，由于 DDL 操作占用了表 A 的exclusive metadata lock，所以表 A 上的 DDL 和 DML 都将阻塞无法提供服务。
MySQL 5.6之后支持了Online DDL。大致过程如下：

按照表 A 的定义新建一个表 B
对表 A 加 exclusive metadata lock
生成rows_log，用于记录期间发生的DML
将exclusive metadata lock 降级为shared
在表 B 上执行 DDL 指定的操作
将 A 中的数据拷贝到 B
将rows_log应用到表B
将表A的shared metadata lock 升级为exclusive
如果前两步之间又有新的数据产生，再次应用row_log的数据到表B
释放表A的exclusive metadata lock
删除表 A
将表 B 重命名为 A
可以看出Online DDL和DDL原理的区别主要在rows_log和metadata lock的降级，这保证了这个过程中最耗时的部分-复制表数据是允许DML操作的。这也是Online的由来。

Online DDL用法

Mysql5.7官方文档

ALTER TABLE tbl_name ADD PRIMARY KEY (column), ALGORITHM=INPLACE, LOCK=NONE;

ALGORITHM=INPLACE 表示执行DDL的过程中server和engine间不发生表copy，过程中允许并发执行DML（INPLACE表的copy是在engine内部执行的，不需要像COPY一样占用大量的磁盘I/O和CPU，减少了数据库负载）。
LOCK=NONE 表示对 DML 操作不加锁，DDL 过程中允许所有的 DML 操作。此外还有 EXCLUSIVE（持有排它锁，阻塞所有的请求，适用于需要尽快完成DDL或者服务库空闲的场景）、SHARED（允许SELECT，但是阻塞INSERT UPDATE DELETE，适用于数据仓库等可以允许数据写入延迟的场景）和 DEFAULT（根据DDL的类型，在保证最大并发的原则下来选择LOCK的取值）

不过并不是所有的 DDL 操作都能用 INPLACE 的方式执行，具体的支持情况可以在 Mysql5.7官方文档中查看。

mysql online ddl.png

业界也有开源的成熟的大表DDL工具：gh-ost
注意：Mysql写锁优先于读锁。Online DDL可能存在如下问题。
sessionA

select * from A where id =1;

sessionB

select * from A where id =1;

sessionC online ddl
sessionD

select * from A where id =1;

假如sessionA和sessionB还未提交时，开始online ddl，也就是sessionC。由于sessionA和sessionB持有 shared metadata lock。sessionC申请 exclusive metadata lock会被阻塞。之后sessionD开始，由于Mysql写锁优先于读锁，所以sessionD获取shared metadata lock的请求也会阻塞，直到sessionA， sessionB执行完，sessionC获得exclusive metadata lock，之后释放exclusive metadata lock。
这个问题准确来说不是Online DDL的问题，读写锁的实现机制很多都有这个问题。写下来是为了提醒读者注意。

Mysql扩展