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美团面试：百亿级分片，如何设计基因算法？
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尼恩说在前面
在40岁老架构师 尼恩的读者交流群(50+)中，最近有小伙伴拿到了一线互联网企业如得物、阿里、滴滴、极兔、有赞、希音、百度、网易、美团的面试资格，遇到很多很重要的架构类/设计类的场景题：
1.说说分库分表的基因算法？
2.大厂常用的基因算法，是如何设计的？
3.百亿级分片，如何设计基因算法？
最近有小伙伴在面试美团，又遇到这一个问题。小伙伴支支吾吾的说了几句，卒。
所以，尼恩给大家做一下系统化、体系化的梳理，使得大家内力猛增，可以充分展示一下大家雄厚的 “技术肌肉”，让面试官爱到 “不能自已、口水直流”，然后实现”offer直提”。
当然，这道面试题，以及参考答案，也会收入咱们的 《尼恩Java面试宝典PDF》V171版本，供后面的小伙伴参考，提升大家的 3高 架构、设计、开发水平。
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分库分表背景知识
问题1：为什么分库分表？
大家都知道，当一个表（比如订单表） 达到500万条或2GB时，需要考虑水平分表。
为啥？ 读写并发高场景，单服务器单一数据库CPU、内存、网络IO压力大。
所以，需要分库，一个库拆成多个库。
同时，数据量大，单表存不下，需要分表，一张表拆分成多个表。
总之，分库分表的原因是：
-
数据量大，选分表；
-
并发高，选分库；
-
海量存储+高并发，分库+分表。
具体实操，请参考尼恩的硬核架构视频
问题2：如何做数据库水平拆分？
分库和分表， 主要还是 对数据的水平拆分，对数据的垂直拆分的重要程度弱太多，所以这个不做介绍。
水平分片又称为横向拆分。
相对于垂直分片，它不再将数据根据业务逻辑分类，而是通过某个字段（或某几个字段），根据某种规则将数据分散至多个库或表中，每个分片仅包含数据的一部分。
例如：根据主键分片，偶数主键的记录放入0库（或表），奇数主键的记录放入1库（或表），如下图所示。
水平分片从理论上突破了单机数据量处理的瓶颈，并且扩展相对自由，是数据分片的标准解决方案。
对数据的水平拆分 ，核心的设计是：
- 1： 用哪个字段拆分表，
- 2： 用什么路由策略寻找目标库表。
分片键的设计目标、建议
数据库水平拆分的字段叫分片键。分片键也称为 Sharding key
关于分片键的选择，我们需要选择具有共性的字段是最基本的要求，也是就尽量能覆盖绝大多数查询场景。
同时分片键也应具有足够庞大的基数以及唯一性，从而使 Shard 可灵活规划，具备较好的扩展性。
举个反例，如果选取布尔类型的字段为分片键，那么分片最多只能存在两份，这就陷入了非常尴尬的局面，基本失去了 Sharding 的意义。
如何做 Sharding key的设计呢？
-
最常见的情况是：用表的单个字段做分片键，
-
复杂情况是：可以用两个或多个字段组合成分片键。
Sharding key的设计目标：
合理选择 Sharding key，避免大多数的查询变成重量级操作，比如：
- 跨库查询
- 全表路由
40岁老架构师尼恩的建议是：
- 合理选择 Sharding key， 尽一切可能减少 全表路由、跨库查询，
- 从而使得大部分查询在 单库实现结果闭环，从而减少 多库之间大的数据合并和二次排序， 从而提升分库分表的吞吐量和性能。
分片键的设计建议：
- 选择具有共性的字段作为分片键，即查询中高频出现的条件字段；
- 分片字段应具有高度离散的特点，分片键的内容不能被更新；
- 可均匀各分片的数据存储和读写压力，避免片内出现热点数据；
- 尽量减少单次查询所涉及的分片数量，降低数据库压力；
- 最后，不要更换分片键，更换分片键需重分布数据，代价较大。
分片键的设计原则
-
选择查询频率最高的字段
分片键要能覆盖绝大多数查询场景，它决定了数据查询的效率。
正例：单号，id，时间字段
反例：姓别、商品类别
-
分片键不可以更新
分片键如果更新了，按原来的路由算法会计算出不同的库表地址，旧的数据无法正确读取
-
分片键不可以更换
分片键更换，意味着数据要重新分布，代价昂贵。
-
分片字段应有离散特性
分片键越离散，越容易把数据均匀分布在不同库表。
分片键的设计方案
按分片键的查询可以直接定位到目标库表，那么不按分片键的查询，是否只能遍历所有库表了呢？
举例：
-
电商领域有用户表和订单表。
-
订单表按订单号分库分表，
-
同时订单表有用户id字段。
假如查询某个用户（比如user-id=200）的订单，怎么查呢？
此时，如果无法预知这个用户的数据存在订单的哪个库表，那么，其实就需要走 全表路由， 把请求路由到 这个表的所有的数据分片。
全表路由 具体如下图所示：
前面讲到，Sharding key的设计目标：
合理选择 Sharding key，避免大多数的查询变成重量级操作，比如：
- 跨库查询
- 全表路由
合理选择 Sharding key， 尽一切可能减少 全表路由、跨库查询， 从而使得大部分查询在 单库实现结果闭环，从而减少 多库之间大的数据合并和二次排序， 从而提升分库分表的吞吐量和性能。
如何去掉这里的 全表路由，提升查询效率呢？
针对这种非分片键的查询，有几种设计思路提升查询效率：
1 索引法
索引法的思路是，把非分片键和分片键的映射关系保存起来，
查询数据时，先从这个映射关系查找分片键，再用分片键路由到目标库表。
-
索引表
额外建一张表保存订单号和用户id的映射关系。
优点：实现简单
缺点：
-
查询数据多查一次索引表，性能低。
-
索引表可能会很大，甚至索引表本身要分表。
缓存映射关系
尼恩的3高架构宇宙中，有一条亘古不变的天条： 性能不够，缓存来凑。
既然索引表性能低，那么 用Redis保存订单号和用户id的映射关系。
优点：查询速度比索引表快。
缺点：数据量大时，占用大量内存，缓存不断淘汰，命中率低，没有命中缓存还是得查索引表。
无论是用索引表还是用Redis，都无法在大数据量下有效查找分片键。
2 基因法
基因法的思路是，把非分片键到分片键的映射关系内嵌在非分片键字段，嵌入到非分片键的这部分内容就是基因。
基因法是大厂常常使用的方案，
比如，将买家 ID 融入到订单 ID 中，作为订单 ID 后缀。这样，指定买家的所有订单就会与其订单在同一分片内了，如下图所示。
再具体一点：
-
假如订单表用订单号%16路由，分16库表。
-
用户下单生成订单号时，订单号的最后4个bit位，通过位运算，设置为用户id的最后4bit位，那么，订单号的最后4个bit位就是订单号的用户基因。
此情此景，如果在 查询某个用户的订单，就不用全表路由了。
现在是单片路由，直接根据用户id的最后4bit位，路由到订单的目标库表。
3 基因法的理论基础
如果对一个10进制的数字按10取模，取模的结果只与这个数字最后1位有关：
199%10=9
19999%10=9
1234567899%10=9
同理，按100(10^2)取模，取模的结果只与这个数字最后2位有关：
199%100=99
19999%100=99
1234567899%100=99
同理，一个二进制的数字，按2^n取模，只与这个数字最后n位有关：
例：n=3，2^3=1000
10001111%(1000)=111, 即十进制的143%8=7
10011111%(1000)=111, 即十进制的159%8=7
因此，订单表用订单号%16分库分表，对16(2^4)取模的结果只和二进制订单号的最后4位有关，这4位决定了数据落在哪个库表上。
4 数字类型的分片键设计
假如订单号是雪花算法生成的long类型数字，要在雪花算法的64个bit位中预留4位，用uid的后4位填充。
5 字符串类型分片键设计
假如订单号是一个字符串，将uid后4bit位转为字符串后拼接在订单号后面即可。
按某个业务规则生成的订单号：ORDER20240101
带有uid基因的订单号：ORDER20240101-0,ORDER20240101-15
6 基因法的优缺点：
-
优点：无论按照分片键还是按某个非分片键查数据，都可以直接定位到目标库表，性能比索引法高。
-
缺点：需要提前规划好库表容量，不方便扩容。
扩展方案设计：多个非分片键的组合查询
基因法解决了单个非分片键的数据查询路由问题，减少了全表路由的出现。
但是，如果有多个非分片键查询，是否要在分片键中融入多个基因呢？
No。
分片键的设计不应过于复杂，况且，即使能融入多个基因，又如何支持多个非分片键组合条件查询呢？
数据库不支持任意字段任意组合的高性能查询，这不是数据库的长项，应该用ES、ClickHouse等其他中间件来解决这类问题。
具体方案，请参见尼恩的文章：
说在最后：有问题找老架构取经
分库分表问题是高频问题，面试的时候如果大家能对答如流，如数家珍，基本上 面试官会被你 震惊到、吸引到。
最终，让面试官爱到 “不能自已、口水直流”。offer， 也就来了。
在面试之前，建议大家系统化的刷一波 5000页《尼恩Java面试宝典》V174，在刷题过程中，如果有啥问题，大家可以来 找 40岁老架构师尼恩交流。
另外，如果没有面试机会，可以找尼恩来帮扶、领路。
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女程序员如何成为DPM，请参见：
DPM （双栖）陪跑，助力小白一步登天，升格 产品经理+研发经理
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