软件架构场景之—— 冷热分离：表数据量大读写缓慢如何优化？

业务场景

曾经遇到过供应链相关的架构优化，当时平台有一个订单功能，里面的主表有几千万的数据量，加上关联表，数据量达到上亿

这么庞大的数据量，让平台的查询订单变得格外迟缓，查询一次都要二三十秒，而且多点击几次就会出现宕机。比如业务员多次查询时，数据库的 CPU 会立马狂飙，服务器线程也降不下来。当时，我们尝试了优化表结构、业务代码、索引、SQL 语句等办法来提高响应速度，但这些方法治标不治本，查询速度还是很慢。考虑到我们手头上还有其他优先级高的需求需要处理，为此，我们跟业务方反馈：“这功能以后你们能不用就不用，暂时先忍受一下。”可经过一段时间后，业务方实在受不了了，直接跟我们放狠话，无奈之下我们屈服了

最终，我们决定采用一个性价比高的解决方案，简单方便地解决了这个问题。在处理数据时，我们将数据库分成了冷库和热库 2 个库，不常用数据放冷库，常用数据放热库。通过这样的方法处理后，因为业务员查询的基本是近期常用的数据，常用的数据量大大减少了，就再也不会出现宕机的情况了，也大大提升了数据库响应速度

什么情况下使用冷热分离？

假设你的业务需求出现了如下情况，就可以考虑使用冷热分离的解决方案

• 数据走到终态后，只有读没有写的需求，比如订单完结状态；
• 用户能接受新旧数据分开查询，比如有些电商网站默认只让查询 3 个月内的订单，如果你要查询 3 个月前的订单，还需要访问另外的单独页面

冷热分离实现思路

在实际操作过程中，冷热分离整体实现思路如下

• （一）如何判断一个数据到底是冷数据还是热数据？
• （二）如何触发冷热数据分离？
• （三）如何实现冷热数据分离？
• （四）如何使用冷热数据？

（一）如何判断一个数据到底是冷数据还是热数据？

一般而言，在判断一个数据到底是冷数据还是热数据时，主要采用主表里的 1 个或多个字段组合的方式作为区分标识。其中，这个字段可以是时间维度，比如“下单时间”这个字段，我们可以把 3 个月前的订单数据当作冷数据，3 个月内的当作热数据，当然，这个字段也可以是状态维度，比如根据“订单状态”字段来区分，已完结的订单当作冷数据，未完结的订单当作热数据，还可以采用组合字段的方式来区分，比如我们把下单时间 > 3 个月且状态为“已完结”的订单标识为冷数据，其他的当作热数据，而在实际工作中，最终究竟使用哪种字段来判断，还是需要根据你的实际业务来定

关于判断冷热数据的逻辑，这里还有 2 个注意要点必须说明

1. 如果一个数据被标识为冷数据，业务代码不会再对它进行写操作
2. 不会同时存在读冷/热数据的需求

（二）如何触发冷热数据分离？

了解了冷热数据的判断逻辑后，就要开始考虑如何触发冷热数据分离了。一般来说，冷热数据分离的触发逻辑分 3 种

• 1.直接修改业务代码，每次修改数据时触发冷热分离（比如每次更新了订单的状态，就去触发这个逻辑），如下图所示

• 2.如果不想修改原来的业务代码，可通过监听数据库变更日志 binlog 的方式来触发，如下图所示

• 3.通过定时扫描数据库的方式来触发，如下图所示

冷热分离 3 种触发逻辑优缺点对比表

根据以上表格内容对比，我们可以得出每种触发逻辑的建议场景

1. 修改写操作的业务代码：建议在业务代码比较简单，并且不按照时间区分冷热数据时使用
2. 监听数据库变更日志：建议在业务代码比较复杂，不敢随意变更，并且不按照时间区分冷热数据时使用
3. 定时扫描数据库：建议在按照时间区分冷热数据时使用

（三）如何分离冷热数据？

分离冷热数据的基本逻辑如下

1. 判断数据是冷是热；
2. 将要分离的数据插入冷数据库中；
3. 再从热数据库中删除分离的数据

这个逻辑看起来简单，而实际做方案时，以下 3 点我们都得考虑在内，这就一点不简单了

• （1）一致性：同时修改多个数据库，如何保证数据的一致性？

这里提到的一致性要求，指我们如何保证任何一步出错后数据还是一致的，解决方案为只要保证每一步都可以重试且操作都有幂等性就行，具体逻辑分为四步

• 在热数据库中，给要搬的数据加个标识： ColdFlag=WaittingForMove。（实际处理中标识字段的值用数字就可以）
• 找出所有待搬的数据（ColdFlag=WaittingForMove）：这步是为了确保前面有些线程因为部分原因失败，出现有些待搬的数据没有搬的情况
• 在冷数据库中保存一份数据，但在保存逻辑中需加个判断以此保证幂等性（这里需要用事务包围起来），通俗点说就是假如我们保存的数据在冷数据库已经存在了，也要确保这个逻辑可以继续进行
• 从热数据库中删除对应的数据

• （2）数据量：假设数据量大，一次性处理不完，该怎么办？是否需要使用批量处理？

前面讲了 3 种冷热分离的触发逻辑，前 2 种基本不会出现数据量大的问题，因为每次只需要操作那一瞬间变更的数据，但如果采用定时扫描的逻辑就需要考虑数据量这个问题了，这个实现逻辑也很简单，在搬数据的地方我们加个批量逻辑就可以了。为方便理解，来看一个示例

假设我们每次可以搬 50 条数据：

a. 在热数据库中给要搬的数据加个标识：ColdFlag=WaittingForMove；

b. 找出前 50 条待搬的数据（ColdFlag=WaittingForMove）；

c. 在冷数据库中保存一份数据；

d. 从热数据库中删除对应的数据；

e. 循环执行 b

• （3）并发性：假设数据量大到要分到多个地方并行处理，该怎么办？

在定时搬运冷热数据的场景里（比如每天），假设每天处理的数据量大到连单线程批量处理都来不及，我们该怎么办？这时我们就可以开多个线程并发处理了。(虽然大部分情况下多线程较快，但曾碰到过这种情况：当单线程 batch size 到一定数值时效率特别高，比多线程任何 batch size 都快。所以，如果遇到多线程速度不快，就考虑控制单线程)

当多线程同时搬运冷热数据，需要考虑如下实现逻辑

第 1 步：如何启动多线程？

因为我们采用的是定时器触发逻辑，这种触发逻辑性价比最高的方式是设置多个定时器，并让每个定时器之间的间隔短一些，然后每次定时启动一个线程就开始搬运数据

还有一个比较合适的方式是自建一个线程池，然后定时触发后面的操作：先计算待搬动的热数据的数量，再计算要同时启动的线程数，如果大于线程池的数量就取线程池的线程数，假设这个数量为 N，最后循环 N 次启动线程池的线程搬运冷热数据

第 2 步：某线程宣布某个数据正在操作，其他线程不要动（锁）

关于这个逻辑，需要考虑 3 个特性

• 获取锁的原子性： 当一个线程发现某个待处理的数据没有加锁，然后给它加锁，这 2 步操作必须是原子性的，即要么一起成功，要么一起失败。实际操作为先在表中加上 LockThread 和 LockTime 两个字段，然后通过一条 SQL 语句找出待迁移的未加锁或锁超时的数据，再更新 LockThread=当前线程，LockTime=当前时间，最后利用 MySQL 的更新锁机制实现原子性
• 获取锁必须与开始处理保证一致性： 当前线程开始处理这条数据时，需要再次检查下操作的数据是否由当前线程锁定成功，实际操作为再次查询一下 LockThread= 当前线程的数据，再处理查询出来的数据
• 释放锁必须与处理完成保证一致性： 当前线程处理完数据后，必须保证锁释放出去

第 3 步：某线程正常处理完后，数据不在热库，直接跑到了冷库，这是正常的逻辑，倒没有什么特别需要注意的点

第 4 步：某线程失败退出了，结果锁没释放怎么办（锁超时）？

• 锁无法释放： 如果锁定这个数据的线程异常退出了且来不及释放锁，导致其他线程无法处理这个数据，此时该怎么办？

解决方案为给锁设置一个超时时间，如果锁超时了还未释放，其他线程可正常处理该数据

• 设置超时时间时，我们还应考虑如果正在处理的线程并未退出，因还在处理数据导致了超时，此时又该怎么办？

解决方案为尽量给超时的时间设置成超过处理数据的合理时间，且处理冷热数据的代码里必须保证是幂等性的

• 最后，我们还得考虑一个极端情况：如果当前线程还在处理数据，此时正在处理的数据的锁超时了，另外一个线程把正在处理的数据又进行了加锁，此时该怎么办？

只需要在每一步加判断容错即可，因为搬运冷热数据的代码比较简单，通过这样的操作当前线程的处理就不会破坏数据的一致性

（四）如何使用冷热数据？

在功能设计的查询界面上，一般都会有一个选项供我们选择需要查询冷数据还是热数据，如果界面上没有提供，我们可以直接在业务代码里区分。（说明：在判断是冷数据还是热数据时，必须确保用户不允许有同时读冷热数据的需求）

整体方案

历史数据如何迁移？

一般而言，只要跟持久化层有关的架构方案，我们都需要考虑历史数据的迁移问题，即如何让旧架构的历史数据适用于新的架构？

因为前面的分离逻辑在考虑失败重试的场景时，刚好覆盖了这个问题，所以这个问题的解决方案也很简单，我们只需要给所有的历史数据加上标识：ColdFlag=WaittingForMove 后，程序就会自动迁移了

冷热分离解决方案的不足

不得不说，冷热分离解决方案确实能解决写操作慢和热数据慢的问题，但仍然存在诸多不足

不足一： 用户查询冷数据速度依旧很慢，如果查询冷数据的用户比例很低，比如只有 1%，那么这个方案就没问题

不足二： 业务无法再修改冷数据，因为冷数据多到一定程度时，系统承受不住。（这点可以通过冷库再分库来解决）