.Net/C#分庫分表高性能O(1)瀑布流分頁
框架介紹
依照慣例首先介紹本期主角:ShardingCore?一款ef-core下高性能、輕量級(jí)針對(duì)分表分庫讀寫分離的解決方案，具有零依賴、零學(xué)習(xí)成本、零業(yè)務(wù)代碼入侵
dotnet下唯一一款全自動(dòng)分表,多字段分表框架,擁有高性能,零依賴、零學(xué)習(xí)成本、零業(yè)務(wù)代碼入侵,并且支持讀寫分離動(dòng)態(tài)分表分庫,同一種路由可以完全自定義的新星組件框架
你的star和點(diǎn)贊是我堅(jiān)持下去的最大動(dòng)力,一起為.net生態(tài)提供更好的解決方案
項(xiàng)目地址
github地址?https://github.com/dotnetcore/sharding-core
gitee地址?https://gitee.com/dotnetchina/sharding-core
背景
在大數(shù)據(jù)量下針對(duì)app端的瀑布流頁面分頁的優(yōu)化實(shí)戰(zhàn),有大量的數(shù)據(jù),前端需要以瀑布流的形式展示出來,我們最簡(jiǎn)單的就是以用戶發(fā)布的文章為例,假設(shè)我們有大量的文章帖子被,需求需要按帖子的發(fā)布時(shí)間倒序展示給用戶看,那么在手機(jī)端我們一般都是以下拉刷新,上拉加載的形式去展示,那么我們一般會(huì)有以下集中寫法。
常規(guī)分頁操作
select count(*) from article
select * from article order by publish_time desc limit 0,20
這個(gè)操作是一般我們的常規(guī)分頁操作,先進(jìn)行total然后進(jìn)行分頁獲取,這種做法的好處是支持任意規(guī)則的分頁,缺點(diǎn)就是需要查詢兩次,一次count一次limit當(dāng)然后期數(shù)據(jù)量實(shí)在太大可以只需要第一次count,但是也有一個(gè)問題就是如果數(shù)據(jù)量一直在變化會(huì)出現(xiàn)下一次分頁中還會(huì)有上一次的部分?jǐn)?shù)據(jù),因?yàn)閿?shù)據(jù)在不斷地新增,你的分頁沒跟上發(fā)布的速度那么就會(huì)有這個(gè)情況發(fā)送.
瀑布流分頁
除了上述常規(guī)分頁操作外,我們針對(duì)特定順序的分頁也可以進(jìn)行特定的分頁方式來實(shí)現(xiàn)高性能,因?yàn)榛诖笄疤嵛覀兪谴髷?shù)量下的瀑布流,我們的文章假設(shè)是以雪花id作為主鍵,那么我們的分頁可以這么寫
select * from article where id<last_id order by publish_time desc limit 0,20
首先我們來分析一下,這個(gè)語句是利用了插入的數(shù)據(jù)分布是順序和你需要查詢的排序一直來實(shí)現(xiàn)的,又因?yàn)閕d不會(huì)重復(fù)并且雪花id的順序和時(shí)間是一致的都是同向的所以可以利用這種方式來進(jìn)行排序,limit每次不需要跳過任何數(shù)目,直接獲取需要的數(shù)目即可,只需要傳遞上一次的查詢結(jié)果的id即可，這個(gè)方式彌補(bǔ)了上述常規(guī)分頁帶來的問題,并且擁有非常高的性能,但是缺點(diǎn)也顯而易見,不支持跳頁,不支持任意排序,所以這個(gè)方式目前來說非常適合前端app的瀑布流排序。
分片下的實(shí)現(xiàn)
首先分片下需要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能我們需要有id支持分片,并且publish_time按時(shí)間分表,兩者缺一不可。
原理
假設(shè)文章表article我們是以publish_time作為分片字段，假設(shè)按天分表,那么我們會(huì)擁有如下的表
article_20220101、article_20220102、article_20220103、article_20220104、article_20220105、article_20220106......
雪花id輔助分片
因?yàn)?code style="padding-left:5px;font-family:'Courier New', sans-serif;font-size:12px;background-color:rgb(246,246,246);color:rgb(232,62,140);">雪花id可以反解析出時(shí)間,所以我們對(duì)雪花id的=,>=,>,<=,<,contains的操作都是可以進(jìn)行輔助分片進(jìn)行縮小分片范圍
假設(shè)我們的雪花id解析出來是2021-01-05 11:11:11,那么針對(duì)這個(gè)雪花id的<小于操作我們可以等價(jià)于x < 2021-01-05 11:11:11,那么如果我問你這下我們需要查詢的表有哪些,很明顯 [article_20220101、article_20220102、article_20220103、article_20220104、article_20220105]，除了20220106外我們都需要查詢。
union all分片模式
如果你使用union all的分片模式那么通常會(huì)將20220101-20220105的所有的表進(jìn)行union all然后機(jī)械能過濾,那么優(yōu)點(diǎn)可想而知：簡(jiǎn)單,連接數(shù)消耗僅1個(gè),sql語句支持的多,缺點(diǎn)也顯而易見，優(yōu)化起來后期是個(gè)很大的問題,并且跨庫下的使用有問題
select * from
(select * from article_20220101 union all select * from article_20220102 union all select * from article_20220103....) t
where id<last_id order by publish_time desc limit 0,20
流式分片,順序查詢
如果你是流式分片模式進(jìn)行聚合通常我們會(huì)將20220101-20220105的所有的表進(jìn)行并行的分別查詢,然后針對(duì)每個(gè)查詢的結(jié)果集進(jìn)行優(yōu)先級(jí)隊(duì)列的排序后獲取,優(yōu)點(diǎn):語句簡(jiǎn)單便于優(yōu)化,性能可控,支持分庫,缺點(diǎn):實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,連接數(shù)消耗多
select * from article_20220101 where id<last_id order by publish_time desc limit 0,20
select * from article_20220102where id<last_id order by publish_time desc limit 0,20
select * from article_20220103 where id<last_id order by publish_time desc limit 0,20
......
流式分片下的優(yōu)化
目前?ShardingCore采用的是流式聚合+union all,當(dāng)且僅當(dāng)用戶手動(dòng)3調(diào)用UseUnionAllMerge時(shí)會(huì)將分片sql轉(zhuǎn)成union all 聚合。
針對(duì)上述瀑布流的分頁ShardingCore是這么操作的
確定分片表的順序,也就是因?yàn)榉制侄问?code style="padding-left:5px;font-family:'Courier New', sans-serif;font-size:12px;background-color:rgb(246,246,246);color:rgb(232,62,140);">publish_time,又因?yàn)榕判蜃侄问?code style="padding-left:5px;font-family:'Courier New', sans-serif;font-size:12px;background-color:rgb(246,246,246);color:rgb(232,62,140);">publish_time所以分片表其實(shí)是有順序的,也就是[article_20220105、article_20220104、article_20220103、article_20220102、article_20220101],
因?yàn)槲覀兪情_啟n個(gè)并發(fā)線程所以這個(gè)排序可能沒有意義,但是如果我們是僅開啟設(shè)置單個(gè)連接并發(fā)的時(shí)候,程序?qū)F(xiàn)在通過id說明:假設(shè)
last_id反解析出來的結(jié)果是2022-01-04 05:05:05那么可以基本上排除article_20220105,判斷并發(fā)連接數(shù)如果是1那么直接查詢article_20220104,如果不滿足繼續(xù)查詢article_20220103,直到查詢結(jié)果為20條如果并發(fā)連接數(shù)是2那么查詢[article_20220104、article_20220103]如果不滿足繼續(xù)下面兩張表直到獲取到結(jié)果為20條數(shù)據(jù),所以我們可以很清晰的了解其工作原理并且來優(yōu)化
說明
通過上述優(yōu)化可以保證流式聚合查詢?cè)陧樞虿樵兿碌母咝阅躉(1)
通過上述優(yōu)化可以保證客戶端分片擁有最小化連接數(shù)控制
設(shè)置合理的主鍵可以有效的解決我們?cè)诖髷?shù)據(jù)分片下的性能優(yōu)化
實(shí)踐
ShardingCore目前針對(duì)分片查詢進(jìn)行了不斷地優(yōu)化和盡可能的無業(yè)務(wù)代碼入侵來實(shí)現(xiàn)高性能分片查詢聚合。
接下來我將為大家展示一款dotnet下唯一一款全自動(dòng)路由、多字段分片、無代碼入侵、高性能順序查詢的框架在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫領(lǐng)域下的分片功能,如果你使用過我相信你一定會(huì)愛上他。
第一步:安裝依賴
# ShardingCore核心框架 版本6.4.2.4+
PM> Install-Package ShardingCore
# 數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)這邊選擇的是mysql的社區(qū)驅(qū)動(dòng) efcore6最新版本即可
PM> Install-Package Pomelo.EntityFrameworkCore.MySql
第二步添加對(duì)象和上下文
有很多朋友問我一定需要使用fluentapi來使用ShardingCore嗎,只是個(gè)人喜好,這邊我才用dbset+attribute來實(shí)現(xiàn)
//文章表
[Table(nameof(Article))]
public class Article
{
[MaxLength(128)]
[Key]
public string Id { get; set; }
[MaxLength(128)]
[Required]
public string Title { get; set; }
[MaxLength(256)]
[Required]
public string Content { get; set; }
public DateTime PublishTime { get; set; }
}
//dbcontext
public class MyDbContext:AbstractShardingDbContext,IShardingTableDbContext
{
public MyDbContext(DbContextOptions options) : base(options)
{
//請(qǐng)勿添加會(huì)導(dǎo)致efcore 的model提前加載的方法如Database.xxxx
}
public IRouteTail RouteTail { get; set; }
public DbSet Articles { get; set; }
}
第三步:添加文章路由
public class ArticleRoute:AbstractSimpleShardingDayKeyDateTimeVirtualTableRoute
{
public override void Configure(EntityMetadataTableBuilder builder)
{
builder.ShardingProperty(o => o.PublishTime);
}
public override bool AutoCreateTableByTime()
{
return true;
}
public override DateTime GetBeginTime()
{
return new DateTime(2022, 3, 1);
}
}
到目前為止基本上Article已經(jīng)支持了按天分表
第四步:添加查詢配置,讓框架知道我們是順序分表且定義分表的順序
public class TailDayReverseComparer : IComparer<string>
{
public int Compare(string? x, string? y)
{
//程序默認(rèn)使用的是正序也就是按時(shí)間正序排序我們需要使用倒序所以直接調(diào)用原生的比較器然后乘以負(fù)一即可
return Comparer<string>.Default.Compare(x, y) * -1;
}
}
//當(dāng)前查詢滿足的復(fù)核條件必須是單個(gè)分片對(duì)象的查詢,可以join普通非分片表
public class ArticleEntityQueryConfiguration:IEntityQueryConfiguration
{
public void Configure(EntityQueryBuilder builder)
{
//設(shè)置默認(rèn)的框架針對(duì)Article的排序順序,這邊設(shè)置的是倒序
builder.ShardingTailComparer(new TailDayReverseComparer());
////如下設(shè)置和上述是一樣的效果讓框架真對(duì)Article的后綴排序使用倒序
//builder.ShardingTailComparer(Comparer.Default, false);
//簡(jiǎn)單解釋一下下面這個(gè)配置的意思
//第一個(gè)參數(shù)表名Article的哪個(gè)屬性是順序排序和Tail按天排序是一樣的這邊使用了PublishTime
//第二個(gè)參數(shù)表示對(duì)屬性PublishTime asc時(shí)是否和上述配置的ShardingTailComparer一致,true表示一致,很明顯這邊是相反的因?yàn)槟J(rèn)已經(jīng)設(shè)置了tail排序是倒序
//第三個(gè)參數(shù)表示是否是Article屬性才可以,這邊設(shè)置的是名稱一樣也可以,因?yàn)榭紤]到匿名對(duì)象的select
builder.AddOrder(o => o.PublishTime, false,SeqOrderMatchEnum.Owner|SeqOrderMatchEnum.Named);
//這邊為了演示使用的id是簡(jiǎn)單的時(shí)間格式化所以和時(shí)間的配置一樣
builder.AddOrder(o => o.Id, false,SeqOrderMatchEnum.Owner|SeqOrderMatchEnum.Named);
//這邊設(shè)置如果本次查詢默認(rèn)沒有帶上述配置的order的時(shí)候才用何種排序手段
//第一個(gè)參數(shù)表示是否和ShardingTailComparer配置的一樣,目前配置的是倒序,也就是從最近時(shí)間開始查詢,如果是false就是從最早的時(shí)間開始查詢
//后面配置的是熔斷器,也就是復(fù)核熔斷條件的比如FirstOrDefault只需要滿足一個(gè)就可以熔斷
builder.AddDefaultSequenceQueryTrip(true, CircuitBreakerMethodNameEnum.Enumerator, CircuitBreakerMethodNameEnum.FirstOrDefault);
//這邊配置的是當(dāng)使用順序查詢配置的時(shí)候默認(rèn)開啟的連接數(shù)限制是多少,startup一開始可以設(shè)置一個(gè)默認(rèn)是當(dāng)前cpu的線程數(shù),這邊優(yōu)化到只需要一個(gè)線程即可,當(dāng)然如果跨表那么就是串行執(zhí)行
builder.AddConnectionsLimit(1, LimitMethodNameEnum.Enumerator, LimitMethodNameEnum.FirstOrDefault);
}
}
第五步:添加配置到路由
public class ArticleRoute:AbstractSimpleShardingDayKeyDateTimeVirtualTableRoute
{
//省略.....
public override IEntityQueryConfiguration CreateEntityQueryConfiguration()
{
return new ArticleEntityQueryConfiguration();
}
}
第六步:startup配置
var builder = WebApplication.CreateBuilder(args);
// Add services to the container.
ILoggerFactory efLogger = LoggerFactory.Create(builder =>
{
builder.AddFilter((category, level) => category == DbLoggerCategory.Database.Command.Name && level == LogLevel.Information).AddConsole();
});
builder.Services.AddControllers();
builder.Services.AddShardingDbContext()
.AddEntityConfig(o =>
{
o.CreateShardingTableOnStart = true;
o.EnsureCreatedWithOutShardingTable = true;
o.AddShardingTableRoute();
})
.AddConfig(o =>
{
o.ConfigId = "c1";
o.UseShardingQuery((conStr, b) =>
{
b.UseMySql(conStr, new MySqlServerVersion(new Version())).UseLoggerFactory(efLogger);
});
o.UseShardingTransaction((conn, b) =>
{
b.UseMySql(conn, new MySqlServerVersion(new Version())).UseLoggerFactory(efLogger);
});
o.AddDefaultDataSource("ds0", "server=127.0.0.1;port=3306;database=ShardingWaterfallDB;userid=root;password=root;");
o.ReplaceTableEnsureManager(sp => new MySqlTableEnsureManager());
}).EnsureConfig();
var app = builder.Build();
app.Services.GetRequiredService().Start();
using (var scope = app.Services.CreateScope())
{
var myDbContext = scope.ServiceProvider.GetRequiredService();
if (!myDbContext.Articles.Any())
{
List articles = new List();
var beginTime = new DateTime(2022, 3, 1, 1, 1,1);
for (int i = 0; i < 70; i++)
{
var article = new Article();
article.Id = beginTime.ToString("yyyyMMddHHmmss");
article.Title = "標(biāo)題" + i;
article.Content = "內(nèi)容" + i;
article.PublishTime = beginTime;
articles.Add(article);
beginTime= beginTime.AddHours(2).AddMinutes(3).AddSeconds(4);
}
myDbContext.AddRange(articles);
myDbContext.SaveChanges();
}
}
app.MapControllers();
app.Run();
第七步編寫查詢表達(dá)式
public async Task Waterfall([FromQuery] string lastId,[FromQuery]int take)
{
Console.WriteLine($"-----------開始查詢,lastId:[{lastId}],take:[{take}]-----------");
var list = await _myDbContext.Articles.WhereIf(o => String.Compare(o.Id, lastId) < 0,!string.IsNullOrWhiteSpace(lastId)).Take(take)..OrderByDescending(o => o.PublishTime)ToListAsync();
return Ok(list);
}
運(yùn)行程序
因?yàn)?7表是沒有的所以這次查詢會(huì)查詢07和06表,之后我們進(jìn)行下一次分頁傳入上次id
因?yàn)闆]有對(duì)Article.Id進(jìn)行分片路由的規(guī)則編寫所以沒辦法進(jìn)行對(duì)id的過濾,那么接下來我們配置Id的分片規(guī)則
首先針對(duì)ArticleRoute進(jìn)行代碼編寫
public class ArticleRoute:AbstractSimpleShardingDayKeyDateTimeVirtualTableRoute
{
public override void Configure(EntityMetadataTableBuilder builder)
{
builder.ShardingProperty(o => o.PublishTime);
builder.ShardingExtraProperty(o => o.Id);
}
public override bool AutoCreateTableByTime()
{
return true;
}
public override DateTime GetBeginTime()
{
return new DateTime(2022, 3, 1);
}
public override IEntityQueryConfiguration CreateEntityQueryConfiguration()
{
return new ArticleEntityQueryConfiguration();
}
public override Expressionstring, bool>> GetExtraRouteFilter(object shardingKey, ShardingOperatorEnum shardingOperator, string shardingPropertyName)
{
switch (shardingPropertyName)
{
case nameof(Article.Id): return GetArticleIdRouteFilter(shardingKey, shardingOperator);
}
return base.GetExtraRouteFilter(shardingKey, shardingOperator, shardingPropertyName);
}
///
/// 文章id的路由
///
///
///
///
private Expressionstring, bool>> GetArticleIdRouteFilter(object shardingKey,
ShardingOperatorEnum shardingOperator)
{
//將分表字段轉(zhuǎn)成訂單編號(hào)
var id = shardingKey?.ToString() ?? string.Empty;
//判斷訂單編號(hào)是否是我們符合的格式
if (!CheckArticleId(id, out var orderTime))
{
//如果格式不一樣就直接返回false那么本次查詢因?yàn)槭莂nd鏈接的所以本次查詢不會(huì)經(jīng)過任何路由,可以有效的防止惡意攻擊
return tail => false;
}
//當(dāng)前時(shí)間的tail
var currentTail = TimeFormatToTail(orderTime);
//因?yàn)槭前丛路直硭垣@取下個(gè)月的時(shí)間判斷id是否是在臨界點(diǎn)創(chuàng)建的
//var nextMonthFirstDay = ShardingCoreHelper.GetNextMonthFirstDay(DateTime.Now);//這個(gè)是錯(cuò)誤的
var nextMonthFirstDay = ShardingCoreHelper.GetNextMonthFirstDay(orderTime);
if (orderTime.AddSeconds(10) > nextMonthFirstDay)
{
var nextTail = TimeFormatToTail(nextMonthFirstDay);
return DoArticleIdFilter(shardingOperator, orderTime, currentTail, nextTail);
}
//因?yàn)槭前丛路直硭垣@取這個(gè)月月初的時(shí)間判斷id是否是在臨界點(diǎn)創(chuàng)建的
//if (orderTime.AddSeconds(-10) < ShardingCoreHelper.GetCurrentMonthFirstDay(DateTime.Now))//這個(gè)是錯(cuò)誤的
if (orderTime.AddSeconds(-10) < ShardingCoreHelper.GetCurrentMonthFirstDay(orderTime))
{
//上個(gè)月tail
var previewTail = TimeFormatToTail(orderTime.AddSeconds(-10));
return DoArticleIdFilter(shardingOperator, orderTime, previewTail, currentTail);
}
return DoArticleIdFilter(shardingOperator, orderTime, currentTail, currentTail);
}
private Expressionstring, bool>> DoArticleIdFilter(ShardingOperatorEnum shardingOperator, DateTime shardingKey, string minTail, string maxTail)
{
switch (shardingOperator)
{
case ShardingOperatorEnum.GreaterThan:
case ShardingOperatorEnum.GreaterThanOrEqual:
{
return tail => String.Compare(tail, minTail, StringComparison.Ordinal) >= 0;
}
case ShardingOperatorEnum.LessThan:
{
var currentMonth = ShardingCoreHelper.GetCurrentMonthFirstDay(shardingKey);
//處于臨界值 o=>o.time < [2021-01-01 00:00:00] 尾巴20210101不應(yīng)該被返回
if (currentMonth == shardingKey)
return tail => String.Compare(tail, maxTail, StringComparison.Ordinal) < 0;
return tail => String.Compare(tail, maxTail, StringComparison.Ordinal) <= 0;
}
case ShardingOperatorEnum.LessThanOrEqual:
return tail => String.Compare(tail, maxTail, StringComparison.Ordinal) <= 0;
case ShardingOperatorEnum.Equal:
{
var isSame = minTail == maxTail;
if (isSame)
{
return tail => tail == minTail;
}
else
{
return tail => tail == minTail || tail == maxTail;
}
}
default:
{
return tail => true;
}
}
}
private bool CheckArticleId(string orderNo, out DateTime orderTime)
{
//yyyyMMddHHmmss
if (orderNo.Length == 14)
{
if (DateTime.TryParseExact(orderNo, "yyyyMMddHHmmss", CultureInfo.InvariantCulture,
DateTimeStyles.None, out var parseDateTime))
{
orderTime = parseDateTime;
return true;
}
}
orderTime = DateTime.MinValue;
return false;
}
}
完整路由：針對(duì)Id進(jìn)行多字段分片并且支持大于小于排序
以上是多字段分片的優(yōu)化,詳情博客可以點(diǎn)擊這邊?.Net下你不得不看的分表分庫解決方案-多字段分片
然后我們繼續(xù)查詢看看結(jié)果
第三頁也是如此
demo
DEMO
總結(jié)
當(dāng)前框架雖然是一個(gè)很年輕的框架,但是我相信我對(duì)其在分片領(lǐng)域的性能優(yōu)化應(yīng)該在.net現(xiàn)有的所有框架下找不出第二個(gè),并且框架整個(gè)也支持union all聚合,可以滿足列入group+first的特殊語句的查詢,又有很高的性能,一個(gè)不但是全自動(dòng)分片而且還是高性能框架擁有非常多的特性性能,目標(biāo)是榨干客戶端分片的最后一點(diǎn)性能。
MAKE DOTNET GREAT AGAIN
最后的最后
身位一個(gè)dotnet程序員我相信在之前我們的分片選擇方案除了mycat和shardingsphere-proxy外沒有一個(gè)很好的分片選擇,但是我相信通過ShardingCore?的原理解析,你不但可以了解到大數(shù)據(jù)下分片的知識(shí)點(diǎn),更加可以參與到其中或者自行實(shí)現(xiàn)一個(gè),我相信只有了解了分片的原理dotnet才會(huì)有更好的人才和未來,我們不但需要優(yōu)雅的封裝,更需要原理的是對(duì)原理了解。
我相信未來dotnet的生態(tài)會(huì)慢慢起來配上這近乎完美的語法
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Gitee?ShardingCore
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