為什么數(shù)據(jù)庫不應(yīng)該使用外鍵

為什么這么設(shè)計(jì)（Why’s THE Design）是一系列關(guān)于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中程序設(shè)計(jì)決策的文章，我們?cè)谶@個(gè)系列的每一篇文章中都會(huì)提出一個(gè)具體的問題并從不同的角度討論這種設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)、對(duì)具體實(shí)現(xiàn)造成的影響。如果你有想要了解的問題，可以在文章下面留言。

當(dāng)我們想要持久化地存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)，使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫往往都是最穩(wěn)妥的選擇，這不僅因?yàn)榻裉斓年P(guān)系型數(shù)據(jù)庫種類非常豐富并且穩(wěn)定，還因?yàn)椴煌鐓^(qū)對(duì)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的支持都非常完備。我們?cè)谇懊娴奈恼轮性?jīng)分析過 為什么 MySQL 的自增主鍵不單調(diào)也不連續(xù)，這篇文章我們來分析關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中另一個(gè)重要的概念 — 外鍵（Foreign Key）。

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中，外鍵也被稱為關(guān)系鍵，它是關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中提供關(guān)系表之間連接的多個(gè)列[^1]，這一組數(shù)據(jù)列是當(dāng)前關(guān)系表中的外鍵，也必須是另一個(gè)關(guān)系表中的候選鍵（Candidate Key），我們可以通過候選鍵在當(dāng)前表中找到唯一的元素[^2]。在通常情況下，我們都會(huì)使用關(guān)系表中的主鍵作為其他表中的外鍵，這樣才可以滿足關(guān)系型數(shù)據(jù)庫對(duì)外鍵的約束。

外鍵不僅僅是數(shù)據(jù)庫表中的一個(gè)整數(shù)，它還提供了額外的一致性保證。因?yàn)閿?shù)據(jù)庫往往是整個(gè)系統(tǒng)的真理之源（Source of Truth），所以保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性非常重要，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫雖然提供了外鍵、觸發(fā)器等特性保證一致性，但是在今天的生產(chǎn)環(huán)境中卻很少被使用。

引用完整性（Referential Integrity）是數(shù)據(jù)的屬性，如果數(shù)據(jù)擁有該屬性，那么數(shù)據(jù)中所有的引用都是合法的，在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的上下文中，這就意味著關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中引用另一個(gè)表中的值必須存在[^3]。

ALTER TABLE postsADD CONSTRAINT FOREIGN KEY (author_id)REFERENCES authors(id);

上述 SQL 語句可以向關(guān)系表中增加外鍵約束，該 SQL 語句的執(zhí)行前提是 posts 表中存在 author_id 字段。從 SQL 語句中的 CONSTRAINT 關(guān)鍵字我們也能推測(cè)出外鍵不是一種數(shù)據(jù)類型，它是不同關(guān)系表之間的約束。

不使用外鍵的原因其實(shí)很簡(jiǎn)單，MySQL、PostgreSQL 等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫很難水平擴(kuò)容，但是無狀態(tài)的服務(wù)往往都可以很容易地?cái)U(kuò)容。由于外鍵等特性需要數(shù)據(jù)庫執(zhí)行額外的工作，而這些操作會(huì)占用數(shù)據(jù)庫的計(jì)算資源，所以我們可以將大部分的需求都遷移到無狀態(tài)的服務(wù)中完成以降低數(shù)據(jù)庫的工作負(fù)載。

根據(jù)更新和刪除時(shí)的行為不同，我們可以將外鍵分成 RESTRICT、CASCADE 和 SET NULL 等幾種[^4]，當(dāng)我們?yōu)殛P(guān)系表中的字段增加外鍵約束時(shí)，需要指定外鍵的類型，最常見的也就是 RESTRICT 和 CASCADE 兩種，其中 RESTRICT 為外鍵的默認(rèn)類型，不同類型的外鍵會(huì)帶來不同的額外開銷，而這些額外開銷就是我們不使用外鍵的理由：

• 使用 RESTRICT 會(huì)在更新或者刪除記錄時(shí)對(duì)外鍵對(duì)應(yīng)的記錄是否存在進(jìn)行一致性檢查；
• 使用 CASCADE 會(huì)在更新或者刪除記錄時(shí)觸發(fā)級(jí)聯(lián)更新或者刪除操作；

注意：MySQL 中的 NO ACTION 和 RESTRICT 具有相同的語義[^5]。

接下來我們會(huì)詳細(xì)介紹關(guān)系型數(shù)據(jù)庫如何處理上述兩種不同類型的外鍵，而我們應(yīng)該如何在應(yīng)用中模擬這些功能。

一致性檢查

當(dāng)我們使用默認(rèn)的外鍵類型 RESTRICT 時(shí)，在創(chuàng)建、修改或者刪除記錄時(shí)都會(huì)檢查引用的合法性。想要在 MySQL 等數(shù)據(jù)庫中觸發(fā)外鍵的一致性檢查其實(shí)非常容易，假設(shè)我們的數(shù)據(jù)庫中包含 posts(id, author_id, content) 和 authors(id, name) 兩張表，在執(zhí)行如下所示的操作時(shí)都會(huì)觸發(fā)數(shù)據(jù)庫對(duì)外鍵的檢查：

• 向 posts 表中插入數(shù)據(jù)時(shí)，檢查 author_id 是否在 authors 表中存在；
• 修改 posts 表中的數(shù)據(jù)時(shí)，檢查 author_id 是否在 authors 表中存在；
• 刪除 authors 表中的數(shù)據(jù)時(shí)，檢查 posts 中是否存在引用當(dāng)前記錄的外鍵；

作為專門用于管理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用服務(wù)相比能夠更好地保證完整性，而上述的這些操作都是引入外鍵帶來的額外工作，不過這也是數(shù)據(jù)庫保證數(shù)據(jù)完整性的必要代價(jià)。上述的這些分析都是理論上的定性分析，我們其實(shí)可以簡(jiǎn)單的定量分析一下引入外鍵對(duì)性能的影響。

在這里我們?cè)跀?shù)據(jù)庫中同時(shí)創(chuàng)建 authors、posts 和 foreign_key_posts 三種表，如下所示，其中 posts 和 foreign_key_posts 兩個(gè)表中的列完全相同，只是 foreign_key_posts 表為 author_id 字段增加了 RESTRICT 類型的外鍵約束：

我們先在 authors 表中插入一條記錄，隨后分別在 posts 和 foreign_key_posts 中插入多條新數(shù)據(jù)列引用該條記錄，前者不會(huì)檢查外鍵的合法性，而后者會(huì)做額外的檢查。你可以在 這里 找到作者用來測(cè)試外鍵額外開銷的 Go 語言代碼[^6]，經(jīng)過多次基準(zhǔn)測(cè)試，我們可以得到如下所示的結(jié)果：

BenchmarkBaseline-8     	    3770	    309503 ns/opBenchmarkForeignKey-8   	    3331	    317162 ns/op
BenchmarkBaseline-8     	    3192	    315506 ns/opBenchmarkForeignKey-8   	    3381	    315577 ns/op
BenchmarkBaseline-8     	    3298	    312761 ns/opBenchmarkForeignKey-8   	    3829	    345342 ns/op
BenchmarkBaseline-8     	    3753	    291642 ns/opBenchmarkForeignKey-8   	    3948	    325239 ns/op

作者執(zhí)行了 4 次外鍵的基準(zhǔn)測(cè)試，雖然 4 次測(cè)試的結(jié)果不是特別穩(wěn)定，但是使用外鍵的用例在每次測(cè)試中都明顯弱于不使用外鍵的用例，外鍵帶來的額外開銷分別為 ~2.47%、~0.02%、~10.41% 和 ~11.52%。這里的基準(zhǔn)測(cè)試只是一個(gè)比較簡(jiǎn)單的定量分析，但是我們也可以從結(jié)果中看到大概的趨勢(shì) — 外鍵的完整性檢查確實(shí)會(huì)帶來額外的性能開銷，而這些開銷在高并發(fā)的服務(wù)中需要慎重考慮。

想要在應(yīng)用程序中模擬數(shù)據(jù)庫外鍵的功能其實(shí)比較容易，我們只需要遵循以下的幾個(gè)準(zhǔn)則：

• 向表中插入數(shù)據(jù)或者修改表中的數(shù)據(jù)時(shí)，都應(yīng)該執(zhí)行額外的 SELECT 語句確保它引用的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中存在；
• 在刪除數(shù)據(jù)之前需要執(zhí)行額外的 SELECT 語句檢查是否存在當(dāng)前記錄的引用；

需要注意的是為了保證一致性，我們需要在事務(wù)中執(zhí)行上述的查詢和修改語句，這樣才能完整模擬外鍵的功能；當(dāng)我們向 posts 表中插入或者修改數(shù)據(jù)時(shí)，需要的處理相對(duì)比較簡(jiǎn)單，我們只需要執(zhí)行有限的 SELECT 語句并按照如下所示的模式執(zhí)行對(duì)應(yīng)的操作就可以了：

BEGINSELECT * FROM authors WHERE id =  FOR UPDATE;-- INSERT INTO posts ... / UPDATE posts ...END

但是如果我們要?jiǎng)h除 authors 表中的數(shù)據(jù)，就需要查詢所有引用 authors 數(shù)據(jù)的表；如果有 10 個(gè)表都有指向 authors 表的外鍵，我們就需要在 10 個(gè)表中查詢是否存在對(duì)應(yīng)的記錄，這個(gè)過程相對(duì)比較麻煩，不過也是為了實(shí)現(xiàn)完整性的必要代價(jià)，不過這種模擬外鍵方法其實(shí)遠(yuǎn)比使用外鍵更消耗資源，它不僅需要查詢關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，還要通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包。

級(jí)聯(lián)操作

當(dāng)我們?cè)陉P(guān)系型數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建外鍵約束時(shí)，如果使用如下所示的 SQL 語句指定更新或者刪除記錄時(shí)使用 CASCADE 行為，那么在客戶端更新或者刪除數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)觸發(fā)級(jí)聯(lián)操作：

ALTER TABLE postsADD CONSTRAINT FOREIGN KEY (author_id)REFERENCES authors(id)ON UPDATE CASCADEON DELETE CASCADE;

• 當(dāng)客戶端更新 authors 表中記錄的主鍵時(shí)，數(shù)據(jù)庫會(huì)同時(shí)更新 posts 表中所有引用該記錄的外鍵；
• 當(dāng)客戶端刪除 authors 表中的記錄時(shí)，數(shù)據(jù)庫會(huì)刪除所有與 authors 表關(guān)聯(lián)的記錄；

不過無論是執(zhí)行更新還是刪除操作，數(shù)據(jù)庫都可以保證各個(gè)關(guān)系表之間引用的一致性和合法性不會(huì)出現(xiàn)引用到不存在記錄的情況，與 RESTRICT 行為一樣，所有外鍵的更新和刪除行為都可以通過執(zhí)行額外的檢查和操作保證數(shù)據(jù)的一致。

雖然級(jí)聯(lián)刪除的出發(fā)點(diǎn)也是保證數(shù)據(jù)的完整性，但是在設(shè)計(jì)關(guān)系表之間的不同關(guān)系時(shí)，我們也需要注意級(jí)聯(lián)刪除引起的數(shù)據(jù)大規(guī)模刪除的問題。如上圖所示，當(dāng)客戶端想要在數(shù)據(jù)庫中刪除 authos 表中的數(shù)據(jù)時(shí)，如果我們同時(shí)在 authors 和 posts 中指定了級(jí)聯(lián)刪除的行為，那么數(shù)據(jù)庫會(huì)同時(shí)刪除所有關(guān)聯(lián)的 posts 記錄以及與 posts 表關(guān)聯(lián)的 comments 數(shù)據(jù)。

這種涉及多級(jí)的級(jí)聯(lián)刪除行為在數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)庫中不會(huì)導(dǎo)致問題，但是在數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)庫中刪除關(guān)鍵數(shù)據(jù)可能會(huì)引起雪崩，一條記錄的刪除可能會(huì)被放大到幾十倍甚至上百倍，這些對(duì)磁盤的隨機(jī)讀寫會(huì)帶來巨大的開銷，是我們想要盡可能避免的情況。如果我們能夠較好地設(shè)計(jì)各個(gè)表之間的關(guān)系并且慎用 CASCADE 行為，這對(duì)于保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的合法性有著很重要的意義，使用該特性可以避免數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)過期的、不合法的數(shù)據(jù)，但是在使用時(shí)也要合理預(yù)估可能造成的最壞情況。

手動(dòng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的級(jí)聯(lián)刪除操作是可行的，如果我們?cè)谝粋€(gè)事務(wù)中按照順序刪除所有的數(shù)據(jù)，確實(shí)可以保證數(shù)據(jù)的一致性，但是這與外鍵的級(jí)聯(lián)刪除功能沒有太大的區(qū)別，反而會(huì)有更差的表現(xiàn)。如果我們能夠接受在一個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)不一致，就可以將一個(gè)大號(hào)的刪除任務(wù)拆成多個(gè)子任務(wù)分批執(zhí)行，降低對(duì)數(shù)據(jù)庫影響的峰值。

DELETE FROM posts WHERE author_id = 1 LIMIT 100;DELETE FROM posts WHERE author_id = 1 LIMIT 100;...DELETE FROM authors WHERE id = 1;

與數(shù)據(jù)庫外鍵的 CASCADE 相比，這種方式會(huì)帶來更大的額外開銷，只是我們能降低對(duì)數(shù)據(jù)庫性能的瞬時(shí)影響。

總結(jié)

外鍵提供的幾種在更新和刪除時(shí)的不同行為都可以幫助我們保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性和引用合法性，但是外鍵的使用也需要數(shù)據(jù)庫承擔(dān)額外的開銷，在大多數(shù)服務(wù)都可以水平擴(kuò)容的今天，高并發(fā)場(chǎng)景中使用外鍵確實(shí)會(huì)影響服務(wù)的吞吐量上限。在數(shù)據(jù)庫之外手動(dòng)實(shí)現(xiàn)外鍵的功能是可能的，但是卻會(huì)帶來很多維護(hù)上的成本或者需要我們?cè)跀?shù)據(jù)一致性上做出一些妥協(xié)。我們可以從可用性、一致性幾個(gè)方面分析使用外鍵、模擬外鍵以及不使用外鍵的差異：

• 不使用外鍵犧牲了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性，但是卻能夠減少數(shù)據(jù)庫的負(fù)載；
• 模擬外鍵將一部分工作移到了數(shù)據(jù)庫之外，我們可能需要放棄一部分一致性以獲得更高的可用性，但是為了這部分可用性，我們會(huì)付出更多的研發(fā)與維護(hù)成本，也增加了與數(shù)據(jù)庫之間的網(wǎng)絡(luò)通信次數(shù)；
• 使用外鍵保證了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性，也將全部的計(jì)算任務(wù)全部交給了數(shù)據(jù)庫；

在大多數(shù)不需要高并發(fā)或者對(duì)一致性有較強(qiáng)要求的系統(tǒng)中，我們可以直接使用數(shù)據(jù)庫提供的外鍵幫助我們對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，但是在對(duì)一致性要求不高的、復(fù)雜的場(chǎng)景或者大規(guī)模的團(tuán)隊(duì)中，不使用外鍵也確實(shí)可以為數(shù)據(jù)庫減負(fù)，而大團(tuán)隊(duì)也有更多的時(shí)間和精力去設(shè)計(jì)其他的方案，例如：分布式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

當(dāng)我們考慮應(yīng)不應(yīng)該在數(shù)據(jù)庫中使用外鍵時(shí)，需要關(guān)注的核心我們的數(shù)據(jù)庫承擔(dān)這部分計(jì)算任務(wù)后會(huì)不會(huì)影響系統(tǒng)的可用性，在使用時(shí)也不應(yīng)該一刀切的決定用或者不用外鍵，應(yīng)該根據(jù)具體的場(chǎng)景做決策，我們?cè)谶@里介紹了兩個(gè)使用外鍵時(shí)可能遇到的問題：

• RESTRICT 外鍵會(huì)在更新和刪除關(guān)系表中的數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)外鍵約束的合法性進(jìn)行檢查，保證外鍵不會(huì)引用到不存在的記錄；
• CASCADE 外鍵會(huì)在更新和刪除關(guān)系表中的數(shù)據(jù)時(shí)觸發(fā)對(duì)關(guān)聯(lián)記錄的更新和刪除，在數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)庫中可能會(huì)有數(shù)量級(jí)的放大效果；

我們?cè)诤芏鄷r(shí)候其實(shí)并不能選擇是否使用外鍵，大多數(shù)公司的 DBA 都會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用有比較明確的規(guī)定，但是我們要清楚做出使用外鍵和不使用外鍵這一抉擇的原因。到最后，我們還是來看一些比較開放的相關(guān)問題，有興趣的讀者可以仔細(xì)思考一下下面的問題：

• 數(shù)據(jù)庫中還有哪些特性是我們?cè)谏a(chǎn)環(huán)境中不會(huì)使用的？為什么？
• 分布式的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫與 MySQL 等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有哪些區(qū)別？

如果對(duì)文章中的內(nèi)容有疑問或者想要了解更多軟件工程上一些設(shè)計(jì)決策背后的原因，可以在博客下面留言，作者會(huì)及時(shí)回復(fù)本文相關(guān)的疑問并選擇其中合適的主題作為后續(xù)的內(nèi)容。