假如讓你來設計數據庫中間件
一、總體目標
數據庫中間層項目背景不再展開，根據前期的調研以及和公司同事的討論，中間層的核心目標主要有兩個：
- db虛擬化：讓db對業務線透明(本文的db均指mysql)，業務線不再需要知道db的真實ip，port，主從關系，讀寫關系，高可用等
- 分庫的支持：讓db的分庫對業務線透明
二、實現的功能
上述目標相對比較寬泛，具體來說，數據庫中間層需要實現以下功能。
1. 統一接入入口
如果統一接入入口，從今以后，不再有
- db1.58.com:3306
- db2.58.com:3306
- im.58.com:3306
- jiaoyou.58.com:3306
而只有
- db.58.com:3306
所有的業務線，對db的訪問，都只有一個入口，由數據庫中間層來進行權限驗證，由中間件來路由請求，這是一種***的情況。
當然，統一一個總入口目標有點宏大，可以循序漸進，先各業務線統一讀寫訪問入口，故折衷的目標可以是，從今以后，不再有
- im.read.db1.58.com:3306
- im.read.db2.58.com:3306
- im.write.db.58.com:3306
而只有
- im.58.com:3306
im業務對db的訪問，統一到一個入口上來了，由中間層來對請求進行智能路由。
更簡化的，甚至可以初期同一個業務線的db讀寫都不對業務線透明，數據庫中間層只做簡單的請求轉發，先初步的把數據庫訪問入口收攏到數據庫中間層來，為后續的統一，再統一打下基礎。
ROAD-MAP規劃如下：
- 業務線入口統一(中轉請求)
- 業務線入口統一(智能路由)
- 全局入口統一
2. 保持訪問接口
原來db的訪問方式主要有以上三種：
- 手工用mysql客戶端連mysql，直連數據庫執行命令
- java使用jdbc連接數據庫
- c/c++使用libmysqlclient.a來對mysql進行訪問
所謂保持訪問接口，是指上游對數據庫的訪問接口完全不用變，中間件服務對上游來說，就是數據庫。
由于SQL協議是非常復雜的，在db的客戶端與服務器插入了一個中間層之后，不一定能對所有的SQL功能都進行支持，支持哪些SQL是需要慎重考慮的。
3. 屏蔽讀寫分離
業務層不需要在關注讀寫分離，由中間件來進行讀寫請求路由。
4. 支持的分庫
58的db的水平擴展，基本是用的分庫的方式(分庫比較好，很容易實現實例的擴容)，即：
db.table會水平拆分為：
- db1.table
- db2.table
- db3.table
- db4.table
這樣的話，dao層對于table就只有一個table實例了，比較方便。
根據前期與各業務線同學的溝通，58在分庫上的業務訪問需求為(這個調研的周期比較長，和很多業務線進行了溝通)：
- patition key普通查詢
- patition key上的IN查詢
- 非patition key上的查詢
- 有限功能的排序+分頁查詢
故對分庫上的分布式SQL功能，數據庫中間層只需要支持上上述四項即可。
5. 高可用性的支持
高可用的支持又分為兩個部分：
***部分，故障自動發現：下游數據庫掛了，能夠自動發現問題，并報警周知相關人員。
第二部分，故障自動轉移：
- 主庫掛了，能夠自動切換，或者屏蔽寫請求
- 從庫掛了，能夠自動自動切換讀請求量流量
- 中間件掛了，自動切換中間件流量，高可用
(6 )可運維性的支持
- 支持一些統計數據的展現
- 支持一些管理命令
- 支持頁面話的運維
however，只要總的框架設計具備可擴展性，這些功能可以循序漸進，逐步添加。
三、設計折衷
1. 協議與整體架構
既然選擇了mysql client server protocol作為業務層與中間層之間的協議，那么中間層必然是作為mysql-server接收上游的請求，作為mysql-client向真正的mysql發送請求的，中間層的整體結構如下：
這樣的話，需要對mysql client server protocol做詳盡的研究，了解：
- 連接的建立過程
- 權限認證的過程
- 壓縮解壓縮的過程
- 請求響應二進制協議各種細節
- …
協議這一塊的掌握必須詳盡，好在官方文檔相對比較全面：
http://dev.mysql.com/doc/internals/en/client-server-protocol.html
2. 架構細節
總體架構細節圖如上。
(1) 上游
mysql客戶端，java使用jdbc作為上游連接，c/c++使用libmysql.a作為上游連接，使用的是Mysql Client Server協議
DBA也可以向中間件發送一些管理命令，或者查看一些統計信息，使用的是自己定義的內部協議
(2) 下游
處于系統體系結構中的***端，系統中間件的下游就是mysql集群了，中間件與mysql之間使用的也是Mysql Client Server協議。
(3) 中間層-ConfigMgr
中間層配置文件管理組件ConfigMgr是中間層中非常重要的一個部分，請求的轉發，讀寫分離，分庫功能的支持，都需要通過配置來完成。
- <mysql>
- <db id=0 logic_db="im"type=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 name="im" />
- </db>
- <db id=1 logic_db="umc"type=2 patition_count=2 key="uid" hash="mod">
- <patition id=0>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3306 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3306 role="r" />
- </patition>
- <patition id=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3316 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3316 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3316 role="r" />
- </patition>
- </db>
- </mysql>
從配置文件可以看出，ConfigMgr需要管理的mysql配置類型有兩種：
a. type=1請求轉發
- <db id=0 logic_db="im"type=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 name="im" />
- </db>
配置的含義是，上游如果訪問邏輯數據庫logic_db=”im”，中間件則將請求轉發到實際的后端數據庫item，item中配置了后端數據庫的ip/port/name。
b. type=2分庫支持
解釋分庫支持的配置之前，先說明一下數據庫的層次結構LOGIC_DB、PARTITION、ITEM。
- LOGIC_DB：邏輯數據庫，面向上游，例如umc
- PARTITION：數據庫分區，可以理解為分庫，例如umc0和umc1，這個對上游是透明的
- ITEM：數據庫項，可以理解為一個分區上的一個讀庫或者寫庫，這個對上游也是透明的
上例中對應的配置文件為：
- <db id=1 logic_db="umc"type=2 patition_count=2 key="uid" hash="mod">
- <patition id=0>
- <item ip="10.58.1.100" port=3306 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3306 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3306 role="r" />
- </patition>
- <patition id=1>
- <item ip="10.58.1.100" port=3316 role="w" />
- <item ip="10.58.1.101" port=3316 role="r" />
- <item ip="10.58.1.102" port=3316 role="r" />
- </patition>
- </db>
- LOGIC_DB：需要關注partition-key-column，也需要關注partition算法，它要實現對PARTITION的請求路由以及結果集的匯總
- PARTITION：需要關注ITEM的讀寫特性，它要實現對ITEM的讀寫分離
- ITEM：是最終的數據庫，和它相關的配置是數據庫ip/port/name/wr-type
(4) 中間層-MysqlServerPart
中間層服務端組件MysqlServerPart是中間層中非常重要的一個部分，它負責端口的監聽+請求接收與返回(服務端網絡IO)，MysqlProtocol的解析。根據其功能，MysqlServerPart組件又主要分為兩個組件ServerIOMgr組件(服務端IO管理)，MysqlProtocolAnalyzer組件(Mysql協議分析)。
這一層次面臨這些細節：
- server網絡框架的選取：建議使用異步server
- 并發模型的選取：建議使用IO-thread + multi-work-thread的并發模型
- 內存管理模型的選取：建議使用內存池
- 連接上下文管理，最容易想到的上下文，一個數據庫連接是和一個邏輯庫LOGIC_DB綁定的
- Mysql如何建立數據庫連接：需要考察Mysql協議
- Mysql協議的細化解析：需要考察Mysql協議
- …
(5) 中間層-MysqlClientPart
中間層客戶端組件MysqlClientPart是中間層中非常重要的一個部分，它負責中間件對mysql的連接池管理，以及返回結果集的解析。根據其功能，MysqlClientPart組件又主要分為兩個組件ClientConnPoolMgr組件(客戶端連接池管理)，ResultSetAnalyzer組件(返回結果集分析)。
這一層次面臨這些細節：
- 數據庫連接池的實現
- 數據庫連接模型的選型：建議前期使用同步模型
- 連接上下文管理，最容易想到的上下文，一個數據庫連接是和一個ITEM綁定的
- Mysql結果集的細化解析：需要考察Mysql協議
- …
(6) 中間層-SqlParser
中間層Sql分析組件SqlParser是中間層中非常重要的一個部分，它負責對sql語句的語法分析與語義分析。
為什么要進行Sql語法語義分析?需要解析出什么東東?
分為兩種情況：
a. type=1請求轉發
對于請求的中轉，上游一個數據庫連接對應一個邏輯庫LOGIC_DB，由ConfigMgr可以知道對應下游一個真實的ITEM(ip/port/db)，此時直接轉發請求即可，無需解析Sql語句。
b. type=2分庫支持
對于分庫的支持，解析Sql語句可能需要得到這些問題的答案：Sql是否帶了partition-key-column?partition-key-column的值是多少?
例如一條Sql語句：select * from user where uid=123456;
就必須將“uid”列屬性，以及uid的列屬性值“123456”解析出來，以用作后續請求路由。
注意：更細的情況是，針對每個表，分庫partition-key-column都是不一樣的，上例中還需要將表名user也解析出來。
這一層次面臨這些細節：如何解析Sql語句：可以參考mysql源碼對SQL語句的解析，亦可參照cober對SQL語句的解析方法;
注：由于我們只需要支持多庫，數據庫庫名信息是在“連接”這一層獲取的，又我們支持的分布式Sql的種類有限，故只需解析partition-key-column，offset/limit等少數信息即可。
(7) 中間層-SqlModifier
中間層Sql修改組件SqlModifier是中間層中非常重要的一個部分，它負責對sql語句改寫。
為什么要對Sql語句進行改寫?
type=1的請求轉發，無需修改Sql，但對于type=2的分庫支持，有些Sql語句就必須進行改寫。
例如：
- select * from user where uid in(1,2,3,4,5,6);
假設PARTITION分了0和1奇偶兩個分區，則sql應該分別被改寫為：
- select * from user where uid in(2,4,6); => 路由給0庫；
- select * from user where uid in(1,3,5); => 路由給1庫；
又例如：
- select * from user limit 1000,10;
則sql可能會被改寫為：
select * from user limit 0,1010; => 分別路由到兩個庫，收集完結果集共2020條記錄，再排序取其中1000-1010這10條。
哪些Sql需要改寫，如何改寫?
結合我們需要實現的四類分布式Sql：
- patition key普通查詢
- patition key上的IN查詢
- 非patition key上的查詢
- 有限功能的排序+分頁查詢
只有(2)和(4)兩項需要改寫，改寫方法上文已述，其中(4)的改寫效率較低，使用起來要謹慎。
(8) 中間層-SqlRouter
中間層Sql路由組件SqlRouter是中間層中非常重要的一個部分，它負責對sql語句進行路由。
哪些Sql需要路由，如何路由?
結合我們需要實現的四類分布式Sql：
- patition key普通查詢
- patition key上的IN查詢
- 非patition key上的查詢
- 有限功能的排序+分頁查詢
只有(1)和(2)兩項需要路由，(3)和(4)需要將請求分發至所有的PARTITION。
(9) 中間層-ResultSetMerger
中間層結果集合并組件ResultSetMerger是中間層中非常重要的一個部分，它負責對結果集進行合并，篩選。
哪些Sql需要合并結果集，篩選結果集?
結合我們需要實現的四類分布式Sql：
- patition key普通查詢
- patition key上的IN查詢
- 非patition key上的查詢
- 有限功能的排序+分頁查詢
其中(2)和(3)類查詢需要將結果集進行合并，(4)不但要合并結果集，還需要將結果集在本地進行排序，然后再篩選出真正的結果集。
(10) 其他組件
- AdminServer：監聽一個新端口，接收數據庫管理員命令的server
- AdminMgr：實現管理員命令的組件
- MonitorMgr：實現監控報警的組件
- StatisticsMgr：實現數據統計功能的組件
上述組件可循序漸進，逐步添加，故一期需要實現的組件及架構圖為：
【本文為51CTO專欄作者“58沈劍”原創稿件，轉載請聯系原作者】
