数据库应该从什么角度分析

 概述

一个成熟的数据库架构并不是一开始设计就具备高可用、高伸缩等特性的，它是随着用户量的增加，基础架构才逐渐完善。

1、数据库表设计

项目立项后，开发部根据产品部需求开发项目，开发工程师工作其中一部分就是对表结构设计。对于数据库来说，这点很重要，如果设计不当，会直接影响访问速度和用户体验。影响的因素很多，比如慢查询、低效的查询语句、没有适当建立索引、数据库堵塞(死锁)等。当然，有测试工程师的团队，会做压力测试，找bug。对于没有测试工程师的团队来说，大多数开发工程师初期不会太多考虑数据库设计是否合理，而是尽快完成功能实现和交付，等项目有一定访问量后，隐藏的问题就会暴露，这时再去修改就不是这么容易的事了。

2、数据库部署

该运维工程师出场了，项目初期访问量不会很大，所以单台部署足以应对在1500左右的QPS(每秒查询率)。考虑到高可用性，可采用MySQL主从复制+Keepalived做双击热备，常见集群软件有Keepalived、Heartbeat。

3、数据库性能优化

如果将MySQL部署到普通的X86服务器上，在不经过任何优化情况下，MySQL理论值正常可以处理2000左右QPS，经过优化后，有可能会提升到2500左右QPS，否则，访问量当达到1500左右并发连接时，数据库处理性能就会变慢，而且硬件资源还很富裕，这时就该考虑软件问题了。那么怎样让数据库最大化发挥性能呢?

一方面可以单台运行多个MySQL实例让服务器性能发挥到最大化，

另一方面是对数据库进行优化，往往操作系统和数据库默认配置都比较保守，会对数据库发挥有一定限制，可对这些配置进行适当的调整，尽可能的处理更多连接数。

具体优化有以下三个层面：

3.1 数据库配置优化

MySQL常用有两种存储引擎，一个是MyISAM，不支持事务处理，读性能处理快，表级别锁。另一个是InnoDB，支持事务处理(ACID)，设计目标是为处理大容量数据发挥最大化性能，行级别锁。

表锁：开销小，锁定粒度大，发生死锁概率高，相对并发也低。

行锁：开销大，锁定粒度小，发生死锁概率低，相对并发也高。

为什么会出现表锁和行锁呢?主要是为了保证数据的完整性，举个例子，一个用户在操作一张表，其他用户也想操作这张表，那么就要等第一个用户操作完，其他用户才能操作，表锁和行锁就是这个作用。否则多个用户同时操作一张表，肯定会数据产生冲突或者异常。

根据以上看来，使用InnoDB存储引擎是最好的选择，也是MySQL5.5以后版本中默认存储引擎。每个存储引擎相关联参数比较多，以下列出主要影响数据库性能的参数(篇幅有限，这里只拿innodb分析)。

InnoDB参数默认值：

1. innodb_buffer_pool_size = 128M 
2. #索引和数据缓冲区大小，一般设置物理内存的60%-70% 
3. innodb_buffer_pool_instances = 1  
4. #缓冲池实例个数，推荐设置4个或8个 
5. innodb_flush_log_at_trx_commit = 1  
6. #关键参数，0代表大约每秒写入到日志并同步到磁盘，数据库故障会丢失1秒左右事务数据。1为每执行一条SQL后写入到日志并同步到磁盘，I/O开销大，执行完SQL要等待日志读写，效率低。2代表只把日志写入到系统缓存区，再每秒同步到磁盘，效率很高，如果服务器故障，才会丢失事务数据。对数据安全性要求不是很高的推荐设置2，性能高，修改后效果明显。 
7. innodb_file_per_table = OFF  
8. #默认是共享表空间，共享表空间idbdata文件不断增大，影响一定的I/O性能。推荐开启独立表空间模式，每个表的索引和数据都存在自己独立的表空间中，可以实现单表在不同数据库中移动。 
9. innodb_log_buffer_size = 8M  
10. #日志缓冲区大小，由于日志最长每秒钟刷新一次，所以一般不用超过16M 

3.2 系统内核优化

大多数MySQL都部署在Linux系统上，所以操作系统的一些参数也会影响到MySQL性能，以下对linux内核进行适当优化。

1. net.ipv4.tcp_fin_timeout = 30 
2. #TIME_WAIT超时时间，默认是60s 
3. net.ipv4.tcp_tw_reuse = 1  
4. #1表示开启复用，允许TIME_WAIT socket重新用于新的TCP连接，0表示关闭 
5. net.ipv4.tcp_tw_recycle = 1  
6. #1表示开启TIME_WAIT socket快速回收，0表示关闭 
7. net.ipv4.tcp_max_tw_buckets = 4096  
8. #系统保持TIME_WAIT socket最大数量，如果超出这个数，系统将随机清除一些TIME_WAIT并打印警告信息 
9. net.ipv4.tcp_max_syn_backlog = 4096 
10. #进入SYN队列最大长度，加大队列长度可容纳更多的等待连接 

在linux系统中，如果进程打开的文件句柄数量超过系统默认值1024，就会提示“too many files open”信息，所以要调整打开文件句柄限制。

1. * soft nofile 65535 
2. * hard nofile 65535 

# ulimit -SHn 65535 #立刻生效

3.3 硬件配置

加大物理内存，提高文件系统性能。linux内核会从内存中分配出缓存区(系统缓存和数据缓存)来存放热数据，通过文件系统延迟写入机制，等满足条件时(如缓存区大小到达一定百分比或者执行sync命令)才会同步到磁盘。也就是说物理内存越大，分配缓存区越大，缓存数据越多。当然，服务器故障会丢失一定的缓存数据。

SSD硬盘代替SAS硬盘，将RAID级别调整为RAID1+0，相对于RAID1和RAID5有更好的读写性能(IOPS)，毕竟数据库的压力主要来自磁盘I/O方面。

4、数据库架构扩展

这里主要思想是分解单台数据库负载，突破磁盘I/O性能，热数据存放缓存中，降低磁盘I/O访问频率。

4.1 主从复制与读写分离

因为生产环境中，数据库大多都是读操作，所以部署一主多从架构，主数据库负责写操作，并做双击热备，多台从数据库做负载均衡，负责读操作，主流的负载均衡器有LVS、HAProxy、Nginx。

怎么来实现读写分离呢?大多数企业是在代码层面实现读写分离，效率比较高。另一个种方式通过代理程序实现读写分离，企业中应用较少，常见代理程序有MySQL Proxy、Amoeba。在这样数据库集群架构中，大大增加数据库高并发能力，解决单台性能瓶颈问题。如果从数据库一台从库能处理2000 QPS，那么5台就能处理1w QPS(理论上)，数据库横向扩展性也很容易。

有时，面对大量写操作的应用时，单台写性能达不到业务需求。如果做双主，就会遇到数据库数据不一致现象，产生这个原因是在应用程序不同的用户会有可能操作两台数据库，同时的更新操作造成两台数据库数据库数据发生冲突或者不一致。在单库时MySQL利用存储引擎机制表锁和行锁来保证数据完整性，怎样在多台主库时解决这个问题呢?有一套基于perl语言开发的主从复制管理工具，叫MySQL-MMM(Master-Master replication managerfor Mysql，Mysql主主复制管理器)，这个工具最大的优点是在同一时间只提供一台数据库写操作，有效保证数据一致性。

4.2 增加缓存

给数据库增加缓存系统，把热数据缓存到内存中，如果缓存中有要请求的数据就不再去数据库中返回结果，提高读性能。缓存实现有本地缓存和分布式缓存，本地缓存是将数据缓存到本地服务器内存中或者文件中。分布式缓存可以缓存海量数据，扩展性好，主流的分布式缓存系统有memcached、redis，memcached性能稳定，数据缓存在内存中，速度很快，QPS可达8w左右。如果想数据持久化就选择用redis，性能不低于memcached。

工作过程：

 

4.3 分库

分库是根据业务不同把相关的表切分到不同的数据库中，比如web、bbs、blog等库。如果业务量很大，还可将切分后的库做主从架构，进一步避免单个库压力过大。

4.4 分表

数据量的日剧增加，数据库中某个表有几百万条数据，导致查询和插入耗时太长，怎么能解决单表压力呢?你就该考虑是否把这个表拆分成多个小表，来减轻单个表的压力，提高处理效率，此方式称为分表。

分表技术比较麻烦，要修改程序代码里的SQL语句，还要手动去创建其他表，也可以用merge存储引擎实现分表，相对简单许多。分表后，程序是对一个总表进行操作，这个总表不存放数据，只有一些分表的关系，以及更新数据的方式，总表会根据不同的查询，将压力分到不同的小表上，因此提高并发能力和磁盘I/O性能。

分表分为垂直拆分和水平拆分：

垂直拆分：把原来的一个很多字段的表拆分多个表，解决表的宽度问题。你可以把不常用的字段单独放到一个表中，也可以把大字段独立放一个表中，或者把关联密切的字段放一个表中。

水平拆分：把原来一个表拆分成多个表，每个表的结构都一样，解决单表数据量大的问题。

4.5 分区

分区就是把一张表的数据根据表结构中的字段(如range、list、hash等)分成多个区块，这些区块可以在一个磁盘上，也可以在不同的磁盘上，分区后，表面上还是一张表，但数据散列在多个位置，这样一来，多块硬盘同时处理不同的请求，从而提高磁盘I/O读写性能，实现比较简单。

注：增加缓存、分库、分表和分区主要由程序猿来实现。

5、数据库监控

数据库监控维护是运维工程师或者DBA主要工作，包括性能监控、性能分析、性能调优、数据库备份和恢复等。

5.1 性能状态关键指标

QPS，Queries Per Second：每秒查询数，一台数据库每秒能够处理的查询次数

TPS，Transactions Per Second：每秒处理事务数

通过show status查看运行状态，会有300多条状态信息记录，其中有几个值帮可以我们计算出QPS和TPS

基于Questions计算出QPS：

1. mysql> show global status like 'Questions'; 
2. mysql> show global status like 'Uptime'; 

基于Com_commit和Com_rollback计算出TPS：

1. mysql> show global status like 'Com_commit'; 
2.  mysql> show global status like 'Com_rollback'; 
3.  mysql> show global status like 'Uptime'; 

5.2 开启慢查询日志

MySQL开启慢查询日志，分析出哪条SQL语句比较慢，使用set设置变量，重启服务失效，可以在my.cnf添加参数永久生效。

mysql> set global slow-query-log=on #开启慢查询功能mysql> set global slow_query_log_file='/var/log/mysql/mysql-slow.log'; #指定慢查询日志文件位置mysql> set global log_queries_not_using_indexes=on; #记录没有使用索引的查询mysql> set global long_query_time=1; #只记录处理时间1s以上的慢查询

分析慢查询日志，可以使用MySQL自带的mysqldumpslow工具，分析的日志较为简单。

1. # mysqldumpslow -t 3 /var/log/mysql/mysql-slow.log #查看最慢的前三个查询 

5.3 数据库备份

备份数据库是最基本的工作，也是最重要的，否则后果很严重，你懂得!但由于数据库比较大，上百G，往往备份都很耗费时间，所以就该选择一个效率高的备份策略，对于数据量大的数据库，一般都采用增量备份。常用的备份工具有mysqldump、mysqlhotcopy、xtrabackup等，mysqldump比较适用于小的数据库，因为是逻辑备份，所以备份和恢复耗时都比较长。mysqlhotcopy和xtrabackup是物理备份，备份和恢复速度快，不影响数据库服务情况下进行热拷贝，建议使用xtrabackup，支持增量备份。

5.4 数据库修复

有时候MySQL服务器突然断电、异常关闭，会导致表损坏，无法读取表数据。这时就可以用到MySQL自带的两个工具进行修复，myisamchk和mysqlcheck。

myisamchk：只能修复myisam表，需要停止数据库

常用参数：

•  -f --force 强制修复，覆盖老的临时文件，一般不使用
•  -r --recover 恢复模式
•  -q --quik 快速恢复
•  -a --analyze 分析表
•  -o --safe-recover 老的恢复模式，如果-r无法修复，可以使用此参数试试
•  -F --fast 只检查没有正常关闭的表

mysqlcheck：myisam和innodb表都可以用，不需要停止数据库，如修复单个表，可在数据库后面添加表名，以空格分割

常用参数：

•  -a --all-databases 检查所有的库
•  -r --repair 修复表
•  -c --check 检查表，默认选项
•  -a --analyze 分析表
•  -o --optimize 优化表
•  -q --quik 最快检查或修复表
•  -F --fast 只检查没有正常关闭的表

总结：

由于关系型数据库初衷设计限制，一些公司海量数据放到关系型数据库中，在海量数据查询和分析方面已经达不到更好的性能。因此NoSQL火起来了，非关系型数据库，大数据量，具有高性能，同时也弥补了关系型数据库某方面不足，渐渐大多数公司已经将部分业务数据库存放到NoSQL中，如MongoDB、HBase等。数据存储方面采用分布式文件系统，如HDFS、GFS等。海量数据计算分析采用Hadoop、Spark、Storm等。