MySQL高阶讲座之：`MySQL Sharding`的无损扩容：如何设计一个在线扩容方案。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

各位观众老爷，大家好！我是你们的老朋友，今天咱们不聊风花雪月，来点硬核的——MySQL Sharding 的无损扩容！

相信在座的各位或多或少都经历过数据库容量告急的窘境，尤其是当你的业务像火箭一样蹿升的时候。这时候，Sharding (分片) 就像救命稻草一样，能让你的数据库起死回生。但是，Sharding 之后，新的问题又来了：业务持续增长，分片不够用了怎么办？停机扩容？想想都可怕！

今天，我们就来聊聊如何设计一个在线的、无损的 MySQL Sharding 扩容方案，让你的数据库像变形金刚一样，随时都能进化升级，永不宕机！

一、为什么需要在线扩容？

首先，咱们来聊聊为什么需要在线扩容，而不是选择停机扩容。

想象一下：

场景一： 你运营一个电商平台，每天交易量巨大，哪怕停机维护1分钟，都会损失惨重。
场景二： 你是一个游戏公司，玩家在线时间是命根子，停机更新意味着玩家流失。
场景三： 你是一个金融机构，数据安全至关重要，停机带来的风险难以估量。

所以，对于很多业务来说，停机扩容简直就是噩梦！而在线扩容，则可以在不影响业务运行的情况下，悄无声息地完成数据库的升级扩容，就像给飞机换引擎一样，乘客毫无察觉。

二、无损扩容的核心思想

无损扩容的核心思想就是：数据平滑迁移。

简单来说，就是将原有的数据，一点一点地搬到新的分片上，同时保证业务的正常运行。

这个过程就像高速公路修路一样：

新建车道： 先创建新的分片数据库。
数据搬迁： 将部分数据从旧分片复制到新分片。
流量切换： 将部分流量引导到新分片。
旧路废弃： 当所有数据都迁移完成后，旧分片就可以下线了。

三、在线扩容方案设计

接下来，我们来详细讨论如何设计一个在线扩容方案。

我们的方案主要包含以下几个步骤：

评估与规划： 确定需要扩容的原因、目标以及扩容后的分片数量。
新分片创建： 创建新的 MySQL 分片实例，并配置好主从复制。
数据同步： 将旧分片的数据同步到新分片。
双写： 在应用程序中同时向旧分片和新分片写入数据。
数据校验： 验证新分片的数据与旧分片是否一致。
流量切换： 将读写流量逐步切换到新分片。
旧分片下线： 完成流量切换后，下线旧分片。

下面我们来详细分解每个步骤：

1. 评估与规划

在进行任何扩容之前，都需要进行充分的评估和规划。我们需要考虑以下几个问题：

为什么需要扩容？ 是因为数据量增长过快，还是因为查询压力过大？
扩容的目标是什么？ 期望扩容后数据库的性能提升多少？能够支撑多长时间的业务增长？
扩容后的分片数量是多少？ 如何确定新的分片规则？
扩容过程中可能遇到的风险有哪些？ 如何应对这些风险？

例如，我们现在有 4 个分片，每个分片的数据量已经接近上限，并且查询压力很大。经过评估，我们决定将分片数量扩容到 8 个。

2. 新分片创建

创建新的 MySQL 分片实例，并配置好主从复制。这部分工作比较常规，就不详细展开了。

3. 数据同步

数据同步是整个扩容过程中最关键的一步。我们需要将旧分片的数据同步到新分片，并且要保证数据的一致性。

常用的数据同步方案有以下几种：

物理复制： 通过 MySQL 的 binlog 复制，将旧分片的 binlog 同步到新分片。
逻辑复制： 通过读取旧分片的数据，然后写入到新分片。
全量 + 增量复制： 先进行全量复制，然后再进行增量复制。

这里我们推荐使用全量 + 增量复制的方式，可以更快地完成数据同步。

全量复制： 可以使用 mysqldump 工具将旧分片的数据导出，然后导入到新分片。

# 在旧分片上执行
mysqldump -h <旧分片 IP> -u <用户名> -p<密码> --all-databases --single-transaction --master-data=2 > all_data.sql
# 在新分片上执行
mysql -h <新分片 IP> -u <用户名> -p<密码> < all_data.sql

增量复制： 可以通过 Canal 等工具，监听旧分片的 binlog，然后将增量数据同步到新分片。

Canal 是阿里巴巴开源的一个 MySQL binlog 增量订阅&消费组件，它可以模拟 MySQL slave 的行为，伪装成 MySQL slave，向 MySQL master 请求 binlog，然后解析 binlog，并将数据同步到其他数据库。

Canal 的配置比较复杂，这里就不详细展开了，可以参考 Canal 的官方文档。

4. 双写

双写是指在应用程序中，同时向旧分片和新分片写入数据。

为什么要双写呢？

因为在数据同步的过程中，旧分片的数据会发生变化。如果我们只向新分片写入数据，那么新分片的数据就会落后于旧分片。通过双写，我们可以保证新分片的数据与旧分片的数据保持一致。

双写的实现方式有很多种，例如：

修改应用程序代码： 在应用程序中，同时向旧分片和新分片写入数据。这种方式比较简单，但是会增加应用程序的复杂性。
使用中间件： 使用中间件来代理数据库请求，然后由中间件来完成双写操作。这种方式对应用程序的侵入性比较小，但是会增加系统的复杂性。

这里我们推荐使用中间件的方式，例如 ShardingSphere、MyCat 等。

以 ShardingSphere 为例，我们可以通过配置 ShardingSphere 的 writeRoute 规则来实现双写。

rules:
- !SHARDING
  tables:
    t_order:
      actualDataNodes: ds${0..3}.t_order_${0..1} # 旧分片
      databaseStrategy:
        standard:
          shardingColumn: user_id
          preciseAlgorithmClassName: com.example.PreciseDatabaseShardingAlgorithm
      tableStrategy:
        standard:
          shardingColumn: order_id
          preciseAlgorithmClassName: com.example.PreciseTableShardingAlgorithm
      keyGenerateStrategy:
        column: order_id
        keyGeneratorName: snowflake
  databases:
    ds0:
      url: jdbc:mysql://<旧分片0 IP>
      username: root
      password: password
    ds1:
      url: jdbc:mysql://<旧分片1 IP>
      username: root
      password: password
    ds2:
      url: jdbc:mysql://<旧分片2 IP>
      username: root
      password: password
    ds3:
      url: jdbc:mysql://<旧分片3 IP>
      username: root
      password: password
  writeRoute:
    strategy: DUPLICATE # 双写策略
    dataSources:
      - ds0
      - ds1
      - ds2
      - ds3
      - ds4
      - ds5
      - ds6
      - ds7 # 新分片

注意：

双写期间，需要监控双写延迟，确保双写操作不会影响应用程序的性能。
双写期间，需要记录双写日志，以便于后续的数据校验。

5. 数据校验

在双写一段时间后，我们需要验证新分片的数据与旧分片是否一致。

数据校验的方式有很多种，例如：

全量校验： 对比旧分片和新分片的所有数据。这种方式比较耗时，但是可以保证数据的一致性。
抽样校验： 随机抽取部分数据进行对比。这种方式比较快速，但是不能保证数据的一致性。

这里我们推荐使用全量校验的方式，可以使用 pt-table-sync 工具进行数据校验。

pt-table-sync --replicate h=<旧分片 IP>,u=<用户名>,p=<密码>,D=<数据库名> --execute h=<新分片 IP>,u=<用户名>,p=<密码>,D=<数据库名> t_order

注意：

数据校验期间，需要暂停双写操作，以避免数据不一致。
数据校验期间，需要监控校验进度，确保校验操作不会影响应用程序的性能。
如果发现数据不一致，需要及时修复。

6. 流量切换

数据校验完成后，我们就可以开始逐步切换流量了。

流量切换的方式有很多种，例如：

手动切换： 手动修改应用程序的配置，将流量引导到新分片。这种方式比较简单，但是容易出错。
自动化切换： 使用自动化工具来完成流量切换。这种方式比较可靠，但是需要一定的开发工作。

这里我们推荐使用自动化切换的方式，可以使用 Nginx、HAProxy 等负载均衡器来完成流量切换。

例如，我们可以使用 Nginx 的 upstream 模块来实现流量切换。

upstream mysql_old {
    server <旧分片0 IP>:3306 weight=1;
    server <旧分片1 IP>:3306 weight=1;
    server <旧分片2 IP>:3306 weight=1;
    server <旧分片3 IP>:3306 weight=1;
}

upstream mysql_new {
    server <新分片0 IP>:3306 weight=0; # 初始权重为0
    server <新分片1 IP>:3306 weight=0;
    server <新分片2 IP>:3306 weight=0;
    server <新分片3 IP>:3306 weight=0;
    server <新分片4 IP>:3306 weight=0;
    server <新分片5 IP>:3306 weight=0;
    server <新分片6 IP>:3306 weight=0;
    server <新分片7 IP>:3306 weight=0;
}

server {
    listen 80;
    server_name example.com;

    location / {
        proxy_pass http://mysql_old;
    }
}

然后，我们可以逐步增加 mysql_new 的权重，减少 mysql_old 的权重，直到所有流量都切换到 mysql_new。

注意：

流量切换期间，需要监控应用程序的性能，确保流量切换不会影响应用程序的性能。
流量切换期间，需要记录切换日志，以便于后续的故障排查。
如果发现问题，可以及时回滚流量。

7. 旧分片下线

完成流量切换后，我们就可以下线旧分片了。

在下线旧分片之前，我们需要：

停止双写操作： 停止向旧分片写入数据。
备份旧分片的数据： 备份旧分片的数据，以备不时之需。
验证新分片的数据： 再次验证新分片的数据与旧分片的数据是否一致。

然后，我们就可以安全地关闭旧分片了。

四、总结

以上就是一个 MySQL Sharding 的无损扩容方案。

总的来说，无损扩容是一个比较复杂的过程，需要进行充分的评估、规划和测试。但是，通过合理的方案设计和技术选型，我们可以安全地完成数据库的扩容，从而保证业务的持续运行。

五、一些额外的建议

自动化： 尽可能地自动化扩容过程，减少人为错误。
监控： 监控扩容过程中的各项指标，及时发现问题。
回滚： 制定详细的回滚计划，以应对意外情况。
测试： 在生产环境进行扩容之前，务必在测试环境进行充分的测试。

希望今天的讲座能对大家有所帮助！如果有任何问题，欢迎随时提问！

谢谢大家！

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