.NET 分庫(kù)分表高性能：瀑布流分頁(yè)

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(yè)操作,先進(jìn)行total然后進(jìn)行分頁(yè)獲取,這種做法的好處是支持任意規(guī)則的分頁(yè),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(yè)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(yè)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(yè)

除了上述常規(guī)分頁(yè)操作外,我們針對(duì)特定順序的分頁(yè)也可以進(jìn)行特定的分頁(yè)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(yè)可以這么寫

select?*?from?article?where?idorder?by?publish_time?desc?limit?0,20

首先我們來分析一下,這個(gè)語(yǔ)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(yè)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(yè),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="font-size: 14px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(233, 105, 0);background: rgb(248, 248, 248);">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(yǔ)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(kù)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?idorder?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(yǔ)句簡(jiǎn)單便于優(yōu)化,性能可控,支持分庫(kù),缺點(diǎn):實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,連接數(shù)消耗多

select?*?from?article_20220101?where?idorder?by?publish_time?desc?limit?0,20
select?*?from?article_20220102where?idorder?by?publish_time?desc?limit?0,20
select?*?from?article_20220103?where?idorder?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(yè)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="font-size: 14px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(233, 105, 0);background: rgb(248, 248, 248);">publish_time,又因?yàn)榕判蜃侄问?code style="font-size: 14px;font-family: "Operator Mono", Consolas, Monaco, Menlo, monospace;word-break: break-all;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin-right: 2px;margin-left: 2px;color: rgb(233, 105, 0);background: rgb(248, 248, 248);">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進(jìn)行表篩選，之后依次從大到小進(jìn)行獲取直到滿足skip+take也就是0+20=20條數(shù)據(jù)后,進(jìn)行直接拋棄剩余查詢返回結(jié)果,那么本次查詢基本上就是和單表查詢一樣,因?yàn)榛旧献疃嗫鐑蓮埍砘究梢詽M足要求(具體場(chǎng)景不一定)
• 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(kù)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(kù)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;?}
}
context
public?class?MyDbContext:AbstractShardingDbContext,IShardingTableDbContext
{
????public?MyDbContext(DbContextOptions?options)?:?base(options)
????{
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<Article>
{
????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<Article>
{
????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<Article>
{
????//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(yè)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<Article>
{
????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)?
????????if?(orderTime.AddSeconds(-10)?????????{
????????????//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?
????????????????????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(kù)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(yè)也是如此

DEMO：https://github.com/xuejmnet/ShardingWaterfallApp

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(yǔ)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。

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(yǔ)法