【124期】面試官：談?wù)勎⒎?wù)的數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)思路吧

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作者：倚天碼農(nóng)

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單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫

微服務(wù)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵是數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)，基本原則是每個(gè)服務(wù)都有自己單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫，而且只有微服務(wù)本身可以訪問這個(gè)數(shù)據(jù)庫。它是基于下面三個(gè)原因。

• 優(yōu)化服務(wù)接口：微服務(wù)之間的接口越小越好，最好只有服務(wù)調(diào)用接口（RPC或消息），沒有其他接口。如果微服務(wù)不能獨(dú)享自己的數(shù)據(jù)庫，那么數(shù)據(jù)庫也變成了接口的一部分，這大大拓展了接口范圍。
• 錯(cuò)誤診斷：生產(chǎn)環(huán)境中的錯(cuò)誤大部分都是和數(shù)據(jù)庫有關(guān)的，要么是數(shù)據(jù)出了問題，要么是數(shù)據(jù)庫的使用方式出了問題。當(dāng)你不能完全控制數(shù)據(jù)庫的訪問時(shí)，會有各種各樣的錯(cuò)誤發(fā)生。它可能是別的程序直接連到你的數(shù)據(jù)庫或者是其他部門直接用客戶端訪問數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，而這些都是在程序中查不到的，增加了錯(cuò)誤排查難度。如果是程序中的問題，只要修改了代碼，那么這個(gè)錯(cuò)誤就不會再有。而上面提到的錯(cuò)誤，你永遠(yuǎn)都沒法預(yù)測它們什么時(shí)候還會再次發(fā)生。
• 性能調(diào)優(yōu)：性能調(diào)優(yōu)也是一樣，你需要對數(shù)據(jù)庫有全權(quán)控制才能保證它的性能。如果其他部門一定要訪問數(shù)據(jù)庫，而且只是查詢的話，那么可以另外創(chuàng)建一份只讀數(shù)據(jù)庫，讓他們在另一個(gè)庫中查詢，這樣才不會影響到你的庫。

理想的設(shè)計(jì)是你的數(shù)據(jù)庫只有你的服務(wù)能訪問，你也只調(diào)用自己數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，所有對別的微服務(wù)的訪問都通過服務(wù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，單純的服務(wù)調(diào)用可能不能滿足性能或其他要求，不同的微服務(wù)都多少需要共享一些數(shù)據(jù)。

共享數(shù)據(jù)

微服務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享可以有下四種方式。

靜態(tài)表

有一些靜態(tài)的數(shù)據(jù)庫表，例如國家，可能會被很多程序用到，而且程序內(nèi)部需要對國家這個(gè)表做連接（join）生成最終用戶展示數(shù)據(jù)，這樣用微服務(wù)調(diào)用的方式就效率不高，影響性能。一個(gè)辦法是在每個(gè)微服務(wù)中配置一個(gè)這樣的表，它是只讀的，這樣就可以做數(shù)據(jù)庫連接了。當(dāng)然你需要保證數(shù)據(jù)同步。這個(gè)方案在多數(shù)情況下都是可以接受的，因?yàn)橐韵聝牲c(diǎn)：

• 靜態(tài)的數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)基本不變：因?yàn)橐坏┍斫Y(jié)構(gòu)變了，你不但要更改所有微服務(wù)的數(shù)據(jù)庫表，還要修改所有微服務(wù)的程序。
• 數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)變化不頻繁：這樣數(shù)據(jù)同步的工作量不大。另外當(dāng)你同步數(shù)據(jù)庫時(shí)總會有延遲，如果數(shù)據(jù)變化不頻繁那么你有很多同步方式可供選擇。

只讀業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問

如果你需要讀取別的數(shù)據(jù)庫里的動態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)， 理想的方式是服務(wù)調(diào)用。如果你只是調(diào)用其他微服務(wù)做一些計(jì)算，一般情況下性能都是可以接受的。如果你需要做數(shù)據(jù)的連接，那么你可以用程序代碼來做，而不是用SQL語句。如果測試之后性能不能滿足要求，那你可以考慮在自己的數(shù)據(jù)庫里建一套只讀數(shù)據(jù)表。數(shù)據(jù)同步方式大致有兩種。如果是事件驅(qū)動方式，就用發(fā)消息的方式進(jìn)行同步，如果是RPC方式，就用數(shù)據(jù)庫本身提供的同步方式或者第三方同步軟件。

通常情況下，你可能只需要其他數(shù)據(jù)庫的幾張表，每張表只需要幾個(gè)字段。這時(shí)，其他數(shù)據(jù)庫是數(shù)據(jù)的最終來源，控制所有寫操作以及相應(yīng)的業(yè)務(wù)驗(yàn)證邏輯，我們叫它主表。你的只讀庫可以叫從表。當(dāng)一條數(shù)據(jù)寫入主表后，會發(fā)一條廣播消息，所有擁有從表的微服務(wù)監(jiān)聽消息并更新只讀表中的數(shù)據(jù)。但這時(shí)你要特別小心，因?yàn)樗奈ｋU(xiǎn)性要比靜態(tài)表大得多。第一它的表結(jié)構(gòu)變更會更頻繁，而且它的變更完全不受你控制。第二業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不像靜態(tài)表，它是經(jīng)常更新的，這樣對數(shù)據(jù)同步的要求就比較高。要根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求來決定多大的延遲是可以接受的。

另外它還有兩個(gè)問題：

• 數(shù)據(jù)的容量：數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)量是影響性能的主要因素。因?yàn)檫@個(gè)數(shù)據(jù)是外來的，不利于掌握它的流量規(guī)律，很難進(jìn)行容量規(guī)劃，也不能更好地進(jìn)行性能調(diào)優(yōu)。
• 接口外泄：微服務(wù)之間的接口本來只有服務(wù)調(diào)用接口，這時(shí)你可以對內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)庫做任何更改，而不影響其他服務(wù)。現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)也變成了接口的一部分。接口一旦發(fā)布之后，基本是不能更改的，這大大限制了你的靈活性。幸運(yùn)的是因?yàn)榱硗饨艘惶妆?，有了一個(gè)緩沖，當(dāng)主表修改時(shí)，從表也許不需要同步更新。

除非你能用服務(wù)調(diào)用（沒有本地只讀數(shù)據(jù)庫）的方式完成所有功能，不然不管你是用RPC方式還是事件驅(qū)動方式進(jìn)行微服務(wù)集成，上面提到的問題都是不可避免的。但是你可以通過合理規(guī)劃數(shù)據(jù)庫更改，來減少上面問題帶來的影響，下面將會詳細(xì)講解。

讀寫業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)訪問

這是最復(fù)雜的一種情況。一般情況下，你有一個(gè)表是主表，而其他表是從表。主表包含主要信息，而且這些主要信息被復(fù)制到從表，但微服務(wù)會有額外字段需要寫入從表。這樣本地微服務(wù)對從表就既有讀也有寫的操作。而且主表和從表有一個(gè)先后次序的關(guān)系。從表的主鍵來源于主表，因此一定先有主表，再有從表。

上圖是例子。假設(shè)我們有兩個(gè)與電影有關(guān)的微服務(wù)，一個(gè)是電影論壇，用戶可以發(fā)表對電影的評論。另一個(gè)是電影商店?！癿ovie”是共享表，左邊的一個(gè)是電影論壇庫，它的“movie”表是主表。右邊的是電影商店庫，它的“movie”表是從表。它們共享“id”字段（主鍵）。

主表是數(shù)據(jù)的主要來源，但從表里的“quantity”和“price”字段主表里面沒有。主表插入數(shù)據(jù)后，發(fā)消息，從表接到消息，插入一條數(shù)據(jù)到本地“movie”表。并且從表還會修改表里的“quantity”和“price”字段。在這種情況下，要給每一個(gè)字段分配一個(gè)唯一源頭（微服務(wù)），只有源頭才有權(quán)利主動更改字段，其他微服務(wù)只能被動更改（接收源頭發(fā)出的更改消息之后再改）。

在本例子中， “quantity”和“price”字段的源頭是右邊的表，其他的字段的源頭都是左邊的表。本例子中“quantity”和“price”只在從表中存在，因此數(shù)據(jù)寫入是單向的，方向是主表到從表。如果主表也需要這些字段，那么它們還要被回寫，那數(shù)據(jù)寫入就變成雙向的。

直接訪問其它數(shù)據(jù)庫

這種方式是要絕對禁止的。生產(chǎn)環(huán)境中的許多程序錯(cuò)誤和性能問題都是由這種方式產(chǎn)生的。上面的三種方式由于是另外新建了本地只讀數(shù)據(jù)庫表，產(chǎn)生了數(shù)據(jù)庫的物理隔離，這樣一個(gè)數(shù)據(jù)庫的性能問題不會影響到另一個(gè)。另外，當(dāng)主庫中的表結(jié)構(gòu)更改時(shí)，你可以暫時(shí)保持從庫中的表不變，這樣程序還可以運(yùn)行。如果直接訪問別人的庫，主庫一修改，別的微服務(wù)程序馬上就會報(bào)錯(cuò)。請參閱ApplicationDatabase。

向后兼容的數(shù)據(jù)庫更新

從上面的論述可以看出，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的修改是一個(gè)影響范圍很廣的事情。在微服務(wù)架構(gòu)中，共享的表在別的服務(wù)中也會有一個(gè)只讀的拷貝?，F(xiàn)在當(dāng)你要更改表結(jié)構(gòu)時(shí)，還需要考慮到對別的微服務(wù)的影響。當(dāng)在單體（Monolithic）架構(gòu)中，為了保證程序部署能夠回滾，數(shù)據(jù)庫的更新是向后兼容的。

需要兼容性的另一個(gè)原因是支持藍(lán)綠發(fā)布（Blue-Green Deployment）。在這種部署方式中，你同時(shí)擁有新舊版本的代碼，由負(fù)載均衡來決定每一個(gè)請求指向那個(gè)版本。它們可以共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫（這就要求數(shù)據(jù)庫是向后兼容的），也可以使用不同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫的更新簡單來講有以下幾種類型：

• 增加表或字段：如果字段可取空值，這個(gè)操作是向后兼容的。如果是非空值就要插入一個(gè)缺省值。
• 刪除表或字段：可先暫時(shí)保留被刪除表或字段，經(jīng)過幾個(gè)版本之后再刪除。
• 修改字段名：新增加一個(gè)字段，把數(shù)據(jù)從舊字段拷貝到新字段，用數(shù)據(jù)庫觸發(fā)器（或程序）同步舊字段和新字段（供過渡時(shí)期使用）。然后再在幾個(gè)版本之后把原來的字段刪除（請參閱Update your Database Schema Without Downtime）。
• 修改表名：如果數(shù)據(jù)庫支持可更新視圖，最簡單的辦法是先修改表的名字，然后創(chuàng)建一個(gè)可更新視圖指向原來的表（請參閱Evolutionary Database Design ）。如果數(shù)據(jù)庫不支持可更新視圖，使用的方法與修改字段名相似，需要創(chuàng)建新的表并做數(shù)據(jù)同步。
• 修改字段類型：與修改字段名幾乎相同，只是在拷貝數(shù)據(jù)時(shí)，需要做數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換。

向后兼容的數(shù)據(jù)庫更新的好處是，當(dāng)程序部署出現(xiàn)問題時(shí)，如需進(jìn)行回滾。只要回滾程序就行了，而不必回滾數(shù)據(jù)庫?；貪L時(shí)一般只回滾一個(gè)版本。凡是需要刪除的表或字段在本次部署時(shí)都不做修改，等到一個(gè)或幾個(gè)版本之后，確認(rèn)沒有問題了再刪除。它的另一個(gè)好處就是不會對其他微服務(wù)中的共享表產(chǎn)生立刻的直接影響。當(dāng)本微服務(wù)升級后，其他微服務(wù)可以評估這些數(shù)據(jù)庫更新帶來的影響再決定是否需要做相應(yīng)的程序或數(shù)據(jù)庫修改。

跨服務(wù)事物

微服務(wù)的一個(gè)難點(diǎn)是如何實(shí)現(xiàn)跨服務(wù)的事物支持。兩階段提交（Two-Phase Commit）已被證明性能上不能滿足需求，現(xiàn)在基本上沒有人用。被一致認(rèn)可的方法叫Saga。

它的原理是為事物中的每個(gè)操作寫一個(gè)補(bǔ)償操作（Compensating Transaction），然后在回滾階段挨個(gè)執(zhí)行每一個(gè)補(bǔ)償操作。示例如下圖，在一個(gè)事物中共有3個(gè)操作T1，T2，T3。每一個(gè)操作要定義一個(gè)補(bǔ)償操作，C1，C2，C3。事物執(zhí)行時(shí)是按照正向順序先執(zhí)行T1，當(dāng)回滾時(shí)是按照反向順序先執(zhí)行C3。

事物中的每一個(gè)操作（正向操作和補(bǔ)償操作）都被包裝成一個(gè)命令（Command），Saga執(zhí)行協(xié)調(diào)器（Saga Execution Coordinator (SEC)）負(fù)責(zé)執(zhí)行所有命令。在執(zhí)行之前，所有的命令都會按順序被存入日志中，然后Saga執(zhí)行協(xié)調(diào)器從日志中取出命令，依次執(zhí)行。當(dāng)某個(gè)執(zhí)行出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，這個(gè)錯(cuò)誤也被寫入日志，并且所有正在執(zhí)行的命令被停止，開始回滾操作。

Saga放松了對一致性（Consistency）的要求，它能保證的是最終一致性（Eventual Consistency），因此在事物執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)是不一致的，并且這種不一致會被別的進(jìn)程看到。在生活中，大多數(shù)情況下，我們對一致性的要求并沒有那么高，短暫的不一致性是可以接收的。例如銀行的轉(zhuǎn)賬操作，它們在執(zhí)行過程中都不是在一個(gè)數(shù)據(jù)庫事物里執(zhí)行的，而是用記賬的方式分成兩個(gè)動作來執(zhí)行，保證的也是最終一致性。

Saga的原理看起來很簡單，但要想正確的實(shí)施還是有一定難度的。它的核心問題在于對錯(cuò)誤的處理，要把它完全講明白需要另寫一遍文章，我現(xiàn)在只講一下要點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是不可靠的，正在執(zhí)行的命令可能很長時(shí)間都沒有返回結(jié)果，這時(shí)，第一，你要設(shè)定一個(gè)超時(shí)。第二，因?yàn)槟悴恢罌]有返回值的原因是，已經(jīng)完成了命令但網(wǎng)絡(luò)出了問題，還是沒完成就犧牲了，因此不知道是否要執(zhí)行補(bǔ)償操作。

這時(shí)正確的做法是重試原命令，直到得到完成確認(rèn)，然后再執(zhí)行補(bǔ)償操作。但這對命令有一個(gè)要求，那就是這個(gè)操作必須是冪等的（Idempotent），也就是說它可以執(zhí)行多次，但最終結(jié)果還是一樣的。

另外，有些操作的補(bǔ)償操作比較容易生成，例如付款操作，你只要把錢款退回就可以了。但有些操作，像發(fā)郵件，完成之后就沒有辦法回到之前的狀態(tài)了，這時(shí)就只能再發(fā)一個(gè)郵件更正以前的信息。因此補(bǔ)償操作不一定非要返回到原來的狀態(tài)，而是抵消掉原來操作產(chǎn)生的效果。

微服務(wù)的拆分

我們原來的程序大多數(shù)都是單體程序，但現(xiàn)在要把它拆分成微服務(wù)，應(yīng)該怎樣做才能降低對現(xiàn)有應(yīng)用的影響呢？

我們用上面的圖來做例子。它共有兩個(gè)程序，一個(gè)是“Styling app”，另一個(gè)是“Warehouse app”，它們共享圖中下面的數(shù)據(jù)庫，庫里有三張表，“core client”，“core sku”，“core item”。

假設(shè)我們要拆分出來一個(gè)微服務(wù)叫“client-service”，它需要訪問“core client”表。第一步，我們先把程序從原來的代碼里拆分出來，變成一個(gè)服務(wù). 數(shù)據(jù)庫不動，這個(gè)服務(wù)仍然指向原來的數(shù)據(jù)庫。其他程序不再直接訪問這個(gè)服務(wù)管理的表，而是通過服務(wù)調(diào)用或另建共享表來獲取數(shù)據(jù)。

第二步，再把服務(wù)的數(shù)據(jù)庫表拆分出來，這時(shí)微服務(wù)就擁有它自己的數(shù)據(jù)庫了，而不再需要原來的共享數(shù)據(jù)庫了。這時(shí)就成了一個(gè)真正意義上的的微服務(wù)。

上面只講了拆分一個(gè)微服務(wù)，如果有多個(gè)需要拆分，則需一個(gè)一個(gè)按照上面講的方法依次進(jìn)行。

另外，Martin Fowler在他的文章"Break Monolith into Microservices"里有一個(gè)很好的建議。那就是，當(dāng)你把服務(wù)從單體程序里拆分時(shí)，不要只想著把代碼拆分出來。因?yàn)楝F(xiàn)在的需求可能已經(jīng)跟原來有所不同，原先的設(shè)計(jì)可能也不太適用了。而且，技術(shù)也已更新，代碼也要作相應(yīng)的改造。更好的辦法是重寫原來的功能（而不是重寫原來的代碼），把重點(diǎn)放在拆分業(yè)務(wù)功能上，而不是拆分代碼上，用新的設(shè)計(jì)和技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這個(gè)業(yè)務(wù)功能。

結(jié)論

數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)是微服務(wù)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，基本原則是每個(gè)微服務(wù)都有自己單獨(dú)的數(shù)據(jù)庫，而且只有微服務(wù)本身可以訪問這個(gè)數(shù)據(jù)庫。微服務(wù)之間的數(shù)據(jù)共享可以通過服務(wù)調(diào)用，或者主、從表的方式實(shí)現(xiàn)。在共享數(shù)據(jù)時(shí)，要找到合適的同步方式。在微服務(wù)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)庫的修改影響廣泛，需要保證這種修改是向后兼容的。實(shí)現(xiàn)跨服務(wù)事物的標(biāo)準(zhǔn)方法是Saga。當(dāng)把單體程序拆分成微服務(wù)時(shí)，可以分步進(jìn)行，以減少對現(xiàn)有程序的影響。

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