MySQL云原生与分布式之：`MySQL`的`TiDB`：其在分布式`NewSQL`数据库中的设计理念。 - 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

MySQL 云原生与分布式： TiDB 的 NewSQL 设计理念

大家好，今天我们来聊聊 MySQL 云原生与分布式架构，以及其中一个重要的实践案例：TiDB。我们将深入探讨 TiDB 作为分布式 NewSQL 数据库的设计理念，并结合实际代码示例来加深理解。

1. MySQL 的扩展瓶颈与 NewSQL 的诞生

传统的 MySQL 在面对海量数据和高并发场景时，会遇到扩展瓶颈。主要体现在以下几个方面：

单机容量限制： 单台 MySQL 服务器的存储容量和计算能力终究有限。
垂直扩展困难： 提升单机硬件配置（垂直扩展）的成本很高，且存在性能瓶颈。
水平扩展复杂： 通过主从复制实现读写分离，虽然可以分担读压力，但写入压力仍然集中在主库。分库分表虽然能解决容量问题，但引入了复杂的数据路由、事务一致性等问题。

为了解决这些问题，NewSQL 数据库应运而生。NewSQL 旨在提供传统关系型数据库的 ACID 事务保证，同时具备 NoSQL 数据库的水平扩展能力和高性能。

2. TiDB 的架构概览

TiDB 是一款开源的分布式 NewSQL 数据库，兼容 MySQL 协议。其核心架构主要由以下几个组件构成：

TiDB Server： 无状态的 SQL 计算层，负责接收 SQL 请求、解析、优化和执行。
PD (Placement Driver)： 集群的管理模块，负责存储元数据、调度数据分布、管理 Raft Group 等。
TiKV Server： 分布式的 Key-Value 存储引擎，负责存储数据，并提供事务支持。数据按照 Region 进行划分和存储。
TiFlash： 列式存储引擎，用于加速分析型查询。

下面是一个简单的 TiDB 架构图：

+-----------------+   +-----------------+   +-----------------+
|    TiDB Server    |   |    TiDB Server    |   |    TiDB Server    |
+--------+--------+   +--------+--------+   +--------+--------+
        |        |           |        |           |        |
        +--------+-----------+--------+-----------+--------+
                |                   |                   |
                v                   v                   v
+-----------------+   +-----------------+   +-----------------+
|       PD        |   |       PD        |   |       PD        |
+--------+--------+   +--------+--------+   +--------+--------+
        |        |           |        |           |        |
        +--------+-----------+--------+-----------+--------+
                |                   |                   |
                v                   v                   v
+-----------------+   +-----------------+   +-----------------+
|    TiKV Server    |   |    TiKV Server    |   |    TiKV Server    |
+--------+--------+   +--------+--------+   +--------+--------+
        |        |           |        |           |        |
        +--------+-----------+--------+-----------+--------+
                |                   |                   |
                v                   v                   v
+-----------------+   +-----------------+   +-----------------+
|     TiFlash     |   |     TiFlash     |   |     TiFlash     |
+-----------------+   +-----------------+   +-----------------+

3. TiDB 的核心设计理念

TiDB 的设计理念主要体现在以下几个方面：

水平扩展： 通过增加 TiDB Server、TiKV Server 和 TiFlash 实例，可以线性扩展系统的计算能力、存储容量和分析能力。
兼容 MySQL 协议： 降低用户的迁移成本，可以直接使用 MySQL 客户端连接 TiDB。
ACID 事务： 提供完整的 ACID 事务支持，保证数据一致性。
HTAP (Hybrid Transactional/Analytical Processing)： 既能处理在线事务型负载，又能处理离线分析型负载。
云原生： 易于在云环境中部署和管理，支持 Kubernetes 等容器编排平台。

4. TiDB 的分布式事务实现

TiDB 使用 Percolator 事务模型，这是一个两阶段提交（2PC）的变种。其核心思想是将事务状态存储在 KV 存储中，并通过乐观锁来保证并发事务的隔离性。

4.1 Percolator 事务模型

Percolator 事务模型主要包含以下几个阶段：

Prewrite： 事务协调者（TiDB Server）选择一个 Key 作为 primary key，然后向 TiKV 发送 Prewrite 请求，写入事务的元数据，包括事务 ID、锁信息等。
Commit： 事务协调者向 TiKV 发送 Commit 请求，将 primary key 的事务状态标记为已提交。
Cleanup： 如果 Prewrite 或 Commit 阶段失败，事务协调者会向 TiKV 发送 Cleanup 请求，清理事务的元数据和锁。

4.2 TiDB 的 MVCC (Multi-Version Concurrency Control)

TiDB 使用 MVCC 来实现并发控制。每个 Key 存储多个版本的数据，每个版本都有一个时间戳（Timestamp）。当读取数据时，TiDB 会选择时间戳小于当前事务时间戳的最新版本。

4.3 代码示例

以下是一个简化的 Go 代码示例，演示了 TiDB 的 Prewrite 和 Commit 过程：

package main

import (
    "context"
    "fmt"

    "github.com/pingcap/tidb/br/pkg/lightning/common"
    "github.com/tikv/client-go/v2/oracle"
    "github.com/tikv/client-go/v2/txnkv"
    "github.com/tikv/client-go/v2/txnkv/txnlock"
)

func main() {
    // 假设已经连接到 TiKV 集群
    cli, err := txnkv.NewClientWithOpts(context.Background(), []string{"127.0.0.1:2379"}, txnkv.WithSecurity())
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer cli.Close()

    // 获取 TSO (Timestamp Oracle)
    oracleCli := cli.GetOracle()
    ts, err := oracleCli.GetTimestamp(context.Background())
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    txn, err := cli.BeginWithStartTS(context.Background(), ts)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    defer txn.Rollback()

    key := []byte("name")
    value := []byte("Alice")

    // Prewrite
    err = txn.Set(key, value)
    if err != nil {
        panic(err)
    }
    fmt.Println("Prewrite success")

    // Commit
    commitTS, err := oracleCli.GetTimestamp(context.Background())
    if err != nil {
        panic(err)
    }

    err = txn.Commit(context.Background())
    if err != nil {
        // 可能需要处理冲突，例如回滚事务
        fmt.Printf("Commit failed: %vn", err)
        if lockErr, ok := err.(*txnlock.ErrLock); ok {
            fmt.Printf("Lock information: %vn", lockErr)
            err = txn.Rollback()
            if err != nil {
                panic(err)
            }
            panic(err)
        }

        panic(err)

    }
    fmt.Println("Commit success, commitTS:", commitTS)
}

说明：

txnkv.NewClientWithOpts 用于创建 TiKV 客户端。
oracleCli.GetTimestamp 用于获取时间戳。
txn.BeginWithStartTS 用于开启事务。
txn.Set 用于写入数据（Prewrite 阶段）。
txn.Commit 用于提交事务。
txn.Rollback 用于回滚事务。

注意： 这只是一个简化的示例，实际的 TiDB 事务处理过程更加复杂，涉及到锁管理、冲突检测、重试等。

5. TiDB 的 HTAP 实现

TiDB 通过 TiFlash 来实现 HTAP。TiFlash 是一个列式存储引擎，可以与 TiKV 共享数据。

5.1 TiFlash 的工作原理

数据同步： TiKV 会将数据异步同步到 TiFlash。
查询优化： TiDB Server 会根据查询类型选择合适的存储引擎。对于分析型查询，TiDB Server 会将查询下推到 TiFlash。
列式存储： TiFlash 采用列式存储，可以提高分析型查询的性能。
向量化执行： TiFlash 采用向量化执行引擎，可以并行处理多个数据行。

5.2 代码示例

以下是一个简单的 SQL 示例，演示了如何使用 TiFlash 进行分析型查询：

-- 创建表
CREATE TABLE orders (
    order_id INT,
    customer_id INT,
    order_date DATE,
    amount DECIMAL(10, 2)
);

-- 将表设置为使用 TiFlash 存储引擎
ALTER TABLE orders SET TIFLASH REPLICA 1;

-- 查询每天的订单总额
SELECT
    order_date,
    SUM(amount)
FROM
    orders
GROUP BY
    order_date;

说明：

ALTER TABLE orders SET TIFLASH REPLICA 1; 用于设置 TiFlash 副本数。
TiDB Server 会自动将 SELECT ... GROUP BY 查询下推到 TiFlash。

6. TiDB 的云原生特性

TiDB 具有良好的云原生特性，可以方便地在云环境中部署和管理。

6.1 Kubernetes 支持

TiDB 可以通过 TiDB Operator 部署在 Kubernetes 集群中。TiDB Operator 负责管理 TiDB 集群的生命周期，包括部署、升级、扩容、缩容等。

6.2 弹性伸缩

TiDB 可以根据业务负载自动伸缩。当业务负载增加时，TiDB Operator 会自动增加 TiDB Server、TiKV Server 和 TiFlash 实例。当业务负载减少时，TiDB Operator 会自动减少实例。

6.3 监控和告警

TiDB 提供了完善的监控和告警功能。可以通过 Prometheus 和 Grafana 监控 TiDB 集群的性能指标。当出现异常情况时，可以通过 Alertmanager 发送告警通知。

7. TiDB 的应用场景

TiDB 适用于以下场景：

海量数据存储： 需要存储大量数据，并且需要保证数据一致性。
高并发访问： 需要支持高并发访问，并且需要保证低延迟。
HTAP： 需要同时处理在线事务型负载和离线分析型负载。
云原生： 需要在云环境中部署和管理数据库。

8. 与 MySQL 的对比

特性	MySQL	TiDB
架构	单机或主从复制	分布式
扩展性	垂直扩展（成本高）或分库分表（复杂）	水平扩展
事务	ACID	ACID
HTAP	不支持	支持
云原生	支持，但需要手动配置	原生支持，易于在 Kubernetes 中部署
兼容性	MySQL 协议	兼容 MySQL 协议

9. 总结：TiDB 的价值和未来展望

TiDB 作为一款优秀的分布式 NewSQL 数据库，通过其独特的架构和设计理念，有效地解决了传统 MySQL 在扩展性和性能方面的瓶颈。它兼容 MySQL 协议，易于迁移，并且具备 HTAP 能力，可以满足各种复杂的业务需求。随着云原生技术的不断发展，TiDB 将会在更多的场景中发挥重要作用，为企业提供稳定、高效、可扩展的数据库服务。TiDB的设计理念为解决传统数据库瓶颈提供了新的思路，其在云原生和分布式领域的探索也为数据库的未来发展指明了方向。