第四章 存储高性能

关系数据库

• 读写分离（减轻访问压力）

  基本原理：将数据库读写操作分散到不同节点上，减小单个数据库的访问压力，提高访问效率。

  基本实现：

  • 数据库服务器搭建主从集群，一主一从或者一主多从。
  • 数据库主机负责读写操作，从机负责读操作。
  • 数据库主机通过复制将数据同步到从机。
  • 业务服务器将读写发送到主机，将读发送到从机。

  事务问题：一致性。

  【问题】

  如何保证主机和从机的数据一致？？？主从复制的延迟性问题。

  • 二次读取，读完从机再读一次主机
  • 关键业务指向主机，非关键业务指向从机

• 分库分表（减轻存储压力）

  分库

  将业务模块分到不同数据库服务器里。比如电商项目中用户，商品，订单就可以防在三台不同的服务器上。

  【问题】

  • join操作问题

    无法实现关联查询

  • 事务问题

    数据需要保持一致。比如订单加1商品数量就会减1。（延迟性问题）

  • 成本

  分表

  单表数据拆分有水平拆分和垂直拆分两种。

  拆分后可以放在同一数据库中，也可以放在不同数据库中。

  • 垂直分表

    将表中不常用的列拆分出去。会带来表数量增加的复杂性。但能显著提高查询效率。

  • 水平分表

    水平分表适合表行数特别大的表。

    • 水平分表的问题

      • 路由：根据什么条件拆分表

        • 范围路由：根据有序的数据列作为路由拆分条件，比如1-999999，1000000-1999999.

          建议段大小在100万到2000万之间

          优缺点：分段大小选取具有复杂性；但可以随着数据增加平滑扩展新的表

        • Hash路由

        • 配置路由

      • join操作需要合并结果

      • order by 操作无法在数据库中进行，只能通过业务代码或者数据库中间件分别查询，然后汇总排序

NoSQL

NoSQL分类：

• K-V存储：Redis
• 文档数据库：MongoDB
• 列式数据库：HBase
• 全文搜索引擎：ElasticSearch

缓存

基本原理：将可能会重用的数据放在内存中，一次生成，多次使用。

【一个明星发一条微博，执行一个insert，然后n多个select】

• 缓存穿透

  缓存没有发挥作用，业务系统向缓存中读取，但并没有数据。

  问题：

  • 存储数据不存在
  • 缓存需要时间较长

• 缓存雪崩

  当缓存失效后系统性能急剧下降。很多请求访问数据库，同时生成缓存。

  解决方案：

  • 更新锁，只能有一个线程生成缓存。（分布式锁）
  • 后台更新。不用业务线程更新，而是用后台线程专门更新。

• 缓存热点

  复制多份缓存，创建缓存服务器集群，将请求分发到不同服务器上。

  【比如新浪微博上粉丝超过100w的明星发的微博，生成100份缓存（当然需要100台服务器）】

第五章 计算高性能

从物理层面上来说：

• 尽量提升单服务器的性能，将资源发挥到极致
• 单服务器达到性能瓶颈，设计服务器集群方案

单服务器高性能

集群高性能

负载均衡代替前面的任务分配。

负载均衡分类

• DNS负载均衡（实现地理级别的负载均衡）
• 硬件负载均衡（类似路由交换机）100w以上的并发，就是贵，好一点的就是一台宝马了。
• 软件负载均衡（Nginx&&LVS）

负载均衡算法

• 轮询
• 加权轮询
• 负载最低优先
• Hash类（根据关键信息进行Hash运算，将相同Hash值的请求分发到同一台服务器山）

第六章 分布式系统设计理论CAP

对于分布式计算系统，只能满足一致性，可用性，分区容错性三个中的两个。

三进二

• 一致性

  所有节点在同一时刻都能看到相同的数据。（比如MySQL集群主从数据一致性）

• 可用性

  非故障节点在合理时间返回合理响应。（不能是错误或者超时的响应）

• 分区容错性

  当出现网络分区后（网络故障，丢包网络中断），系统可以继续运行。

CAP细节

CAP粒度是数据，而不是系统

比如用户账号数据选择CP，而其他信息选择AP

正常情况下，可以同时满足CA

当发生了分区情况，也就是网络故障，才会存在CA的选择，在网络正常的情况下，CA可以同时满足。

ACID：关于数据库事务完整性的理论

• 原子性：单个事务要么都完成，要么都失败（比如银行转账，一个减，一个加，必须同步）
• 一致性：并发请求下数据保持一致
• 隔离性：防止多个事务并发交叉执行导致的数据不一致问题。（悲观锁和乐观锁实现）
• 持久性：事务结束后，对数据的修改就是永久的，即使系统故障也不会丢失。

BASE:如果无法达到强一致性，那就最终一致性

• Basically Availible 基本可用

  分布式系统故障时，保证核心功能可用（保持登录可用，损失注册）

• Soft Status 软状态

  数据不一致

• Eventually Consistency 最终一致性

BASE理论是AP方案的延申。

第七章 存储高可用

主备复制

• 主机存储数据，将数据复制给备机
• 备机不提供读写服务
• 主机发生故障需要人工干预将备机升为主机

主从复制

• 主机存储数据，将数据复制给备机
• 备机提供读服务
• 主机故障可以进行读业务，发挥了备机的性能
• 主从复制比主备复制复杂，主要体现在客户端需要识别主从关系
• 适用写少读多的系统（论坛，新闻网站）

主备倒换和主从倒换

主备复制和主从复制的共性问题是主机故障，无法进行写操作。

主备倒换和主从倒换在原有基础上增加角色倒换的功能。

• 互连式：主备机间建立状态传递的通道。

  通道可以是网络连接，也可以是串口连接。

• 中介式

  主备机不进行直接连接，而是通过中介传递信息。（需要中介高可用）

  Zookeeper仲裁节点设置节点级别。

• 模拟式

  将备机模拟成客户端，模拟读写操作。

主主复制

• 两台主机都有数据，通过复制通道同步
• 一致性问题很大
• 适合临时性，可丢失，可覆盖的场景

数据分散集群

数据分散集群指多个服务器组成一个集群，每台服务器都会存储一部分数据，同时，每台服务器会备份一部分数据。（分库分表）

分布式事务算法：保持一致性

2PC 二阶段提交

• 第一阶段：协调者向所有参与者发送请求（投票阶段）（任一参与者否定都可终止提交）
• 第二阶段：参与者全部通过请求，协调者提交请求。

问题：

• 同步阻塞：协调者和参与者互相等待
• 协调者单点故障

3PC 三阶段提交

• 第一阶段：协调者向所有参与者发送请求（投票阶段），参与者有否定则事务中止，在超时时间内收到所有yes则进入第二阶段。
• 第二阶段：协调者发送预提交给参与者，参与者收到信息执行事务操作，返回ACK消息。
• 第三阶段：协调者收到所有的ACK消息后发送执行提交。参与者执行提交后返回已提交消息给协调者。

分布式一致性算法

• Paxos（纯理论）

  特别复杂

  • 多数一致性
  • 读操作也会将算法完全执行一遍

• Raft

  • Leader选举
  • 日志复制
  • 安全保证

• ZAB

  Zookeeper采用的分布式一致性算法

第八章 计算高可用

当部分硬件损坏时，计算任务可以正常运行。

基本思想：通过增加更多的服务器达到计算高可用。

主备

• 主机执行所有的计算任务

• 当主机损坏且无法恢复时，需要人工将备机升至主机，并且增加新的备机

• 冷备：程序包和配置文件准备好，启动服务器，但业务不启动；温备：业务已启动，但不对外提供服务

• 适用内部管理系统，后台管理系统的等使用人数不多的情况

主从

• 主机执行部分任务，备机执行部分任务
• 主机故障，任务分发不变，即使主机无法正常运作
• 需要人工将备机升为主机，并添加新的备机

对称集群（负载均衡集群）

• 正常情况下，任务分配器将任务分配给不同的主机
• 当某台服务器故障后，任务分配器将跳过该台服务器
• 当故障服务器恢复后，重新分配任务

非对称集群

Master-Slave

• 集群通过某种方式区分服务器角色，选出Master服务器

• 当Master服务器故障后，推选出新的Master服务器

• Zookeeper通过ZAB协议选取Master

第九章 业务高可用

异地多活

机房断电，机房火灾，城市地震…（但是鸡蛋也不是那么容易碎的）（不要把鸡蛋放在一个篮子里）

• 同城异区
• 跨城异地
• 跨国异地

异地多活设计技巧

• 保证核心业务的异地多活
• 核心数据最终一致（异地多活不可能很快）
• 采用多种手段同步数据
  • 消息队列
  • 二次读取
  • 回源读取等等
• 保证大部分地区的异地多活（无法达到100%）

异地多活设计步骤

• 业务分级（挑选核心业务）
• 数据分类（数据量，唯一性，实时性，可恢复性）
• 数据同步（存储系统同步，消息队列同步等等）
• 异常处理（多通道同步，同步和访问结合，日志记录，用户补偿）

接口级故障应对方案

相对与概率小的机房火灾，断电等故障，接口故障发生的情况更多。

接口级故障：

• 内部：程序问题，计算机性能到达极限，导致数据库慢查询
• 外部：黑客攻击，促销抢购导致用户访问量突增，第三方响应缓慢等

降级

降级是着眼与整个系统的高可用，丢车保帅的一种行为。

比如论坛的系统接近负载，暂停发帖子功能，只能看帖子。

（如果系统持续负载，服务器崩溃，看帖子的功能也废了）

熔断：

是降级的一种情况。换句话说，熔断会导致降级。

熔断是指请求达到一个阈值，暂停该服务的调用，防止系统负载过大，导致崩溃。

限流

只让一部分访问通过。保证一部分响应优于全部不能响应。

• 基于请求限流（控制阈值）
• 基于资源限流（对关键资源限流，比如线程池最大并发量）