DIY 3 种分库分表分片算法，自己写的轮子才吊！

数据库技术
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2024-08-03
Oracle存储过程（while循环、for循环、if判断、sql拼接、游标）
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SQL vs NoSQL：系统设计中选择哪个数据库？
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标签   数据库分表

大家好，我是小富～

前言

本文是《ShardingSphere5.x分库分表原理与实战》系列的第六篇，书接上文实现三种自定义分片算法。通过自定义算法，可以根据特定业务需求定制分片策略，以满足不同场景下的性能、扩展性或数据处理需求。同时，可以优化分片算法以提升系统性能，规避数据倾斜等问题。

在这里，自定义分片算法的类型（Type）统一为CLASS_BASED，包含两个属性：strategy 表示分片策略类型，目前支持三种：STANDARD、COMPLEX、HINT；algorithmClassName 表示自定义分片算法的实现类路径。此外，还可以向算法类内传入自定义属性。

自定义 STANDARD 算法

要实现自定义 STANDARD 标准算法，需要实现StandardShardingAlgorithm<T>接口（ T 代表接收的分片健值类型），并重写接口中的四个方法。其中，有两个 doSharding() 方法为处理分片的核心逻辑；getProps() 方法用于获取分片算法的配置信息；init() 方法则用于初始化分片算法的配置信息，支持动态修改。

5.X 以后的版本，实现自定义标准算法的精准分片和范围分片，不在需要实现多个接口。只用实现 StandardShardingAlgorithm 标准算法接口，重写两个 doSharding() 方法。 doSharding(availableTargetNames，rangeShardingValue) 处理含有 >、<、between and 等操作符的 SQL，doSharding(availableTargetNames，preciseShardingValue) 处理含有 = 、in 等操作符的 SQL。

精准分片

精准分片用于SQL中包含 in、= 等操作符的场景，支持单一分片健。

重写方法 doSharding(Collection availableTargetNames, PreciseShardingValue preciseShardingValue)，该方法返回单一的分片数据源或分片表数据。有两个参数：一个是可用目标分库、分表的集合，另一个是精准分片属性对象。

PreciseShardingValue 对象属性数据格式如下：

{
  "columnName": "order_id", // 分片健
  "dataNodeInfo": {  
    "paddingChar": "0",
    "prefix": "db",   // 数据节点信息前缀，例如：分库时为db，分表时为分片表t_order_
    "suffixMinLength": 1
  },
  "logicTableName": "t_order", // 逻辑表
  "value": 1 // 分片健值
}

范围分片

范围分片用于 SQL中包含 >、< 等范围操作符的场景，支持单一分片健。

重写方法 doSharding(Collection availableTargetNames, RangeShardingValue rangeShardingValue)，该方法可以返回多个分片数据源或分片表数据。有两个参数：一个是可用目标分库、分表的集合，另一个是精准分片属性对象。

RangeShardingValue 对象属性数据格式如下：

{
  "columnName": "order_id", // 分片健
  "dataNodeInfo": {
    "paddingChar": "0",
    "prefix": "db",  // 数据节点前缀，分库时为数据源，分表时为分片表t_order_
    "suffixMinLength": 1
  },
  "logicTableName": "t_order", // 逻辑表
  "valueRange": [0,∞]  // 分片健值的范围数据
}

精准分片算法的 doSharding() 执行流程：从PreciseShardingValue.getValue()中获取分片键值，然后经过计算得出相应编号，最终在availableTargetNames可用目标分库、分片表集合中选择以一个符合的返回。

范围分片算法的 doSharding() 执行流程：从RangeShardingValue.getValueRange()方法获取分片键的数值范围，然后经过计算得出相应编号，最终在availableTargetNames可用目标分库、分片表集合中选择多个符合的返回。

下面是具体实现分片的逻辑：

/**
 * 自定义标准分片算法
 *
 * @author 公众号：程序员小富
 * @date 2024/03/22 11:02
 */
@Slf4j
public class OrderStandardCustomAlgorithm implements StandardShardingAlgorithm<Long> {

    /**
     * 精准分片进入 sql中有 = 和 in 等操作符会执行
     *
     * @param availableTargetNames 所有分片表的集合
     * @param shardingValue        分片健的值，SQL中解析出来的分片值
     */
    @Override
    public String doSharding(Collection<String> availableTargetNames,
                             PreciseShardingValue<Long> shardingValue) {
        /**
         * 分库策略使用时：availableTargetNames 参数数据为分片库的集合 ["db0","db1"]
         * 分表策略使用时：availableTargetNames 参数数据为分片库的集合 ["t_order_0","t_order_1","t_order_2"]
         */
        log.info("进入精准分片 precise availableTargetNames:{}", JSON.toJSONString(availableTargetNames));

        /**
         * 分库策略使用时： shardingValue 参数数据：{"columnName":"order_id","dataNodeInfo":{"paddingChar":"0","prefix":"db","suffixMinLength":1},"logicTableName":"t_order","value":1}
         * 分表策略使用时： shardingValue 参数数据：{"columnName":"order_id","dataNodeInfo":{"paddingChar":"0","prefix":"t_order_","suffixMinLength":1},"logicTableName":"t_order","value":1}
         */
        log.info("进入精准分片 preciseShardingValue:{}", JSON.toJSONString(shardingValue));
        int tableSize = availableTargetNames.size();
        // 真实表的前缀
        String tablePrefix = shardingValue.getDataNodeInfo().getPrefix();
        // 分片健的值
        long orderId = shardingValue.getValue();
        // 对分片健取模后确定位置
        long mod = orderId % tableSize;
        return tablePrefix + mod;
    }

    /**
     * 范围分片进入 sql中有 between 和  < > 等操作符会执行
     *
     * @param availableTargetNames 所有分片表的集合
     * @param shardingValue        分片健的值，SQL中解析出来的分片值
     * @return
     */
    @Override
    public Collection<String> doSharding(Collection<String> availableTargetNames,
                                         RangeShardingValue<Long> shardingValue) {
        /**
         * 分库策略使用时：availableTargetNames 参数数据为分片库的集合 ["db0","db1"]
         * 分表策略使用时：availableTargetNames 参数数据为分片库的集合 ["t_order_0","t_order_1","t_order_2"]
         */
        log.info("进入范围分片：range availableTargetNames:{}", JSON.toJSONString(availableTargetNames));


        /**
         * 分库策略使用时 shardingValue 参数数据：{"columnName":"order_id","dataNodeInfo":{"paddingChar":"0","prefix":"db","suffixMinLength":1},"logicTableName":"t_order","valueRange":{"empty":false}}
         * 分表策略使用时 shardingValue 参数数据：{"columnName":"order_id","dataNodeInfo":{"paddingChar":"0","prefix":"t_order_","suffixMinLength":1},"logicTableName":"t_order","valueRange":{"empty":false}}
         */
        log.info("进入范围分片：rangeShardingValue:{}", JSON.toJSONString(shardingValue));
        // 分片健值的下边界
        Range<Long> valueRange = shardingValue.getValueRange();
        Long lower = valueRange.lowerEndpoint();
        // 分片健值的上边界
        Long upper = valueRange.upperEndpoint();
        // 真实表的前缀
        String tablePrefix = shardingValue.getDataNodeInfo().getPrefix();
        if (lower != null && upper != null) {
            // 分片健的值
            long orderId = upper - lower;
            // 对分片健取模后确定位置
            long mod = orderId % availableTargetNames.size();
            return Arrays.asList(tablePrefix + mod);
        }
        //
        return Collections.singletonList("t_order_0");
    }

    @Override
    public Properties getProps() {
        return null;
    }

    /**
     * 初始化配置
     *
     * @param properties
     */
    @Override
    public void init(Properties properties) {
        Object prop = properties.get("prop");
        log.info("配置信息：{}", JSON.toJSONString(prop));
    }
}

配置算法

在实现了自定义分片算法的两个 doSharding() 核心逻辑之后，接着配置并使用定义的算法。配置属性包括strategy分片策略类型设置成standard，algorithmClassName自定义标准算法的实现类全路径。需要注意的是：策略和算法类型必须保持一致，否则会导致错误。

spring:
  shardingsphere:
    rules:
      sharding:
        # 分片算法定义
        sharding-algorithms:
          t_order_database_mod:
            type: MOD
            props:
              sharding-count: 2 # 指定分片数量
          # 12、自定义 STANDARD 标准算法
          t_order_standard_custom_algorithm:
            type: CLASS_BASED
            props:
              # 分片策略
              strategy: standard
              # 分片算法类
              algorithmClassName: com.shardingsphere_101.algorithm.OrderStandardCustomAlgorithm
              # 自定义属性
              prop:
                aaaaaa: 123456
                bbbbbb: 654321
        tables:
          # 逻辑表名称
          t_order:
            # 数据节点：数据库.分片表
            actual-data-nodes: db$->{0..1}.t_order_${0..2}
            # 分库策略
            database-strategy:
              standard:
                sharding-column: order_id
                sharding-algorithm-name: t_order_database_mod
            # 分表策略
            table-strategy:
              standard:
                sharding-column: order_id
                sharding-algorithm-name: t_order_standard_custom_algorithm

测试算法

在插入测试数据时，默认会自动进入精确分片的 doSharding() 方法内，看到该方法会获取分片键的数值，根据我们的计算规则确定返回一个目标分片表用于路由。

接着执行一个范围查询的 SQL，此时将进入范围分片的 doSharding() 方法。通过观察 shardingValue.getValueRange() 方法中分片键的数值范围，可以发现这些数值范围是从SQL查询中解析得到的。

select * from t_order where order_id > 1 and order_id < 10

自定义 COMPLEX 算法

复合分片算法支持包含 >，>=, <=，<，=，IN 和 BETWEEN AND 等操作符的SQL，支持多分片健。

自定义COMPLEX复合分片算法，需要我们实现 ComplexKeysShardingAlgorithm<T> 接口（其中 T 代表接收的分片键值类型），并重写该接口内部的 3 个方法。其中，主要关注用于处理核心分片逻辑的 doSharding()方法，可以返回多个分片数据源或分片表数据；其他两个配置方法与上述类似，这里不再赘述。

重写复合分片方法 doSharding(Collection availableTargetNames, ComplexKeysShardingValue shardingValues) 实现定制的多分片健逻辑，该方法有两个参数：一个是可用目标分库、分表的集合；另一个是多分片健属性对象。

logicTableName为逻辑表名，columnNameAndShardingValuesMap用于存储多个分片键和对应的键值，columnNameAndRangeValuesMap用于存储多个分片键和对应的键值范围。

ComplexKeysShardingValue数据结构如下：

public final class ComplexKeysShardingValue<T extends Comparable<?>> implements ShardingValue {
    // 逻辑表
    private final String logicTableName;
    // 多分片健及其数值
    private final Map<String, Collection<T>> columnNameAndShardingValuesMap;
    // 多分片健及其范围数值
    private final Map<String, Range<T>> columnNameAndRangeValuesMap;
}

核心流程：通过循环 Map 得到多个分片健值进行计算，从 availableTargetNames 可用目标分库、分片表集合中选择多个符合条件的返回。

/**
 * 自定义复合分片算法
 *
 * @author 公众号：程序员小富
 * @date 2024/03/22 11:02
 */
@Slf4j
public class OrderComplexCustomAlgorithm implements ComplexKeysShardingAlgorithm<Long> {

    /**
     * 复合分片算法进入，支持>，>=, <=，<，=，IN 和 BETWEEN AND 等操作符
     *
     * @param availableTargetNames 所有分片表的集合
     * @param complexKeysShardingValue        多个分片健的值，并SQL中解析出来的分片值
     */
    @Override
    public Collection<String> doSharding(Collection<String> availableTargetNames,
                                         ComplexKeysShardingValue<Long> complexKeysShardingValue) {

        /**
         * 分库策略使用时：availableTargetNames 参数数据为分片库的集合 ["db0","db1"]
         * 分表策略使用时：availableTargetNames 参数数据为分片库的集合 ["t_order_0","t_order_1","t_order_2"]
         */
        log.info("进入复合分片：complex availableTargetNames:{}", JSON.toJSONString(availableTargetNames));

        // 多分片健和其对应的分片健范围值
        Map<String, Range<Long>> columnNameAndRangeValuesMap = complexKeysShardingValue.getColumnNameAndRangeValuesMap();
        log.info("进入复合分片：columnNameAndRangeValuesMap:{}", JSON.toJSONString(columnNameAndRangeValuesMap));

        columnNameAndRangeValuesMap.forEach((columnName, range) -> {
            // 分片健
            log.info("进入复合分片：columnName:{}", columnName);
            // 分片健范围值
            log.info("进入复合分片：range:{}", JSON.toJSONString(range));
        });

        // 多分片健和其对应的分片健值
        Map<String, Collection<Long>> columnNameAndShardingValuesMap = complexKeysShardingValue.getColumnNameAndShardingValuesMap();
        log.info("进入复合分片：columnNameAndShardingValuesMap:{}", JSON.toJSONString(columnNameAndShardingValuesMap));
        columnNameAndShardingValuesMap.forEach((columnName, shardingValues) -> {
            // 分片健
            log.info("进入复合分片：columnName:{}", columnName);
            // 分片健值
            log.info("进入复合分片：shardingValues:{}", JSON.toJSONString(shardingValues));
        });

        return null;
    }
}

配置算法

处理完复合分片算法的doSharding()核心逻辑，接着配置使用定义的算法，配置属性包括strategy分片策略类型设置成complex，algorithmClassName自定义算法的实现类全路径。

需要注意：配置分片键时，一定要使用 sharding-columns 表示复数形式，很容易出错。
spring:
  shardingsphere:
    rules:
      sharding:
        sharding-algorithms:
          t_order_database_mod:
            type: MOD
            props:
              sharding-count: 2 # 指定分片数量
          # 13、自定义 complex 标准算法
          t_order_complex_custom_algorithm:
            type: CLASS_BASED
            props:
              # 分片策略
              strategy: complex
              # 分片算法类
              algorithmClassName: com.shardingsphere_101.algorithm.OrderComplexCustomAlgorithm
              # 自定义属性
              aaaaaa: aaaaaa
        tables:
          # 逻辑表名称
          t_order:
            # 数据节点：数据库.分片表
            actual-data-nodes: db$->{0..1}.t_order_${0..2}
            # 分库策略
            database-strategy:
              standard:
                sharding-column: order_id
                sharding-algorithm-name: t_order_database_mod
            # 分表策略
            table-strategy:
              complex:
                sharding-columns: order_id , user_id
                sharding-algorithm-name: t_order_complex_custom_algorithm

测试算法

插入测试数据，debug 进入 doSharding() 方法，看到columnNameAndShardingValuesMap内获取到了 user_id

、order_id 两个分片键及健值。

当执行范围查询的SQL，columnNameAndRangeValuesMap属性内获取到了 user_id、order_id 两个分片键及健值范围，通过range.upperEndpoint()、lowerEndpoint()得到上下界值。

select * from t_order where order_id > 1 and user_id > 1;

自定义 HINT 算法

要实现自定义HINT强制路由分片算法，需要实现 HintShardingAlgorithm<T> 接口（ T 代表接收的分片键值类型）。在实现过程中，需要重写接口中的3个方法。其中，核心的分片逻辑在 doSharding() 方法中处理，可以支持返回多个分片数据源或分片表数据。另外，其他两个prop配置方法的使用方式与上述相同，这里不赘述。

重写 HINT 核心分片方法 doSharding(Collection availableTargetNames, HintShardingValue shardingValue)，以实现我们的定制逻辑。该方法接受两个参数：一个是可用目标分库、分表的集合，另一个是 Hint 分片属性对象。

方法内执行流程：我们首先获取 HintManager API 设置的分库或分表的分片值，经过计算后得到合适的分片数据源或分片表集合，然后直接路由到目标位置，无需再关注SQL本身的条件信息。

/**
 * 自定义强制路由分片算法
 *
 * @author 公众号：程序员小富
 * @date 2024/03/22 11:02
 */
@Slf4j
public class OrderHintCustomAlgorithm implements HintShardingAlgorithm<Long> {

    @Override
    public Collection<String> doSharding(Collection<String> availableTargetNames, HintShardingValue<Long> hintShardingValue) {

        /**
         * 获取到设置的分表或者分库的分片值
         * 指定分表时的分片值  hintManager.addTableShardingValue("t_order",2L);
         * 指定分库时的分片值  hintManager.addDatabaseShardingValue("t_order", 100L);
         */
        Collection<Long> values = hintShardingValue.getValues();
        Collection<String> result = new ArrayList<>();
        // 从所有分片表中得到合适的分片表
        for (String each : availableTargetNames) {
            for (Long value : values) {
                Long mod = value % availableTargetNames.size();
                if (each.endsWith(String.valueOf(mod))) {
                    result.add(each);
                }
            }
        }
        return result;
    }
}

配置算法

配置自定义Hint算法，配置属性包括strategy分片策略类型设置成hint，algorithmClassName自定义Hint算法的实现类全路径。使用该算法时无需指定分片健！

spring:
  shardingsphere:
    # 具体规则配置
    rules:
      sharding:
        # 分片算法定义
        sharding-algorithms:
          t_order_database_mod:
            type: MOD
            props:
              sharding-count: 2 # 指定分片数量
          # 14、自定义 hint 标准算法
          t_order_hint_custom_algorithm:
            type: CLASS_BASED
            props:
              # 分片策略
              strategy: hint
              # 分片算法类
              algorithmClassName: com.shardingsphere_101.algorithm.OrderHintCustomAlgorithm
              # 自定义属性
              bbbbbb: bbbbbb
        tables:
          # 逻辑表名称
          t_order:
            # 数据节点：数据库.分片表
            actual-data-nodes: db$->{0..1}.t_order_${0..2}
            # 分库策略
            database-strategy:
              hint:
                sharding-algorithm-name: t_order_database_mod
            # 分表策略
            table-strategy:
              hint:
                sharding-algorithm-name: t_order_hint_custom_algorithm

测试算法

在执行SQL操作之前，使用 HintManager API 的 addDatabaseShardingValue和 addTableShardingValue方法来指定分库或分表的分片值，这样算法内通过 HintShardingValue 可以获取到分片值。注意：如果在执行 SQL 时没有使用 HintManager 指定分片值，那么执行SQL将会执行全库表路由。

@DisplayName("Hint 自动义分片算法-范围查询")
@Test
public void queryHintTableTest() {

    HintManager hintManager = HintManager.getInstance();
    // 指定分表时的分片值
    hintManager.addTableShardingValue("t_order",2L);
    // 指定分库时的分片值
    hintManager.addDatabaseShardingValue("t_order", 100L);

    QueryWrapper<OrderPo> queryWrapper = new QueryWrapper<OrderPo>()
            .eq("user_id", 20).eq("order_id", 10);
    List<OrderPo> orderPos = orderMapper.selectList(queryWrapper);
    log.info("查询结果：{}", JSON.toJSONString(orderPos));
}

到这关于 shardingsphere-jdbc 的 3种自定义分片算法实现就全部结束了。

总结

本文介绍了 STANDARD、COMPLEX 和 HINT 三种自定义分片算法的实现，和使用过程中一些要注意的事项。ShardingSphere 内置的十几种算法，其实已经可以满足我们绝大部分的业务场景，不过，如果考虑到后续的性能优化和扩展性，定制分片算法是个不错的选择。

全部demo案例 GitHub 地址：https://github.com/chengxy-nds/Springboot-Notebook/tree/master/shardingsphere101/shardingsphere-algorithms

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