業務場景
達達是全國領先的最後三公里物流配送平臺。達達的業務模式與滴滴以及Uber很相似，以眾包的方式利用社會閒散人力資源，解決O2O最後三公里即時性配送難題。達達業務主要包含兩部分：商家發單，配送員接單配送，如下圖所示。
達達的業務規模增長極大，在1年左右的時間從零增長到每天近百萬單，給後端帶來極大的訪問壓力。壓力主要分為兩類：讀壓力、寫壓力。讀壓力來源於配送員在APP中搶單，高頻重新整理查詢周圍的訂單，每天訪問量幾億次，高峰期QPS高達數千次/秒。寫壓力來源於商家發單、達達接單、取貨、完成等操作。達達業務讀的壓力遠大於寫壓力，讀請求量約是寫請求量的30倍以上。
下圖是達達過去6個月，每天的訪問量及QPS變化趨勢圖變化趨圖，可見增長極快
極速增長的業務，對技術的要求越來越高，我們必須在架構上做好充分的準備，才能迎接業務的挑戰。接下來，我們一起看看達達的後臺架構是如何演化的。
最初的技術選型作為創業公司，最重要的一點是敏捷，快速實現產品，對外提供服務，於是我們選擇了公有云服務，保證快速實施和可擴充套件性，節省了自建機房等時間。在技術選型上，為快速的響應業務需求，業務系統使用python做為開發語言，資料庫使用Mysql。如下圖所示，應用層的幾大系統都訪問一個數據庫。
讀寫分離隨著業務的發展，訪問量的極速增長，上述的方案很快不能滿足效能需求。每次請求的響應時間越來越長，比如配送員在app中重新整理周圍訂單，響應時間從最初的500毫秒增加到了2秒以上。業務高峰期，系統甚至出現過宕機，一些商家和配送員甚至因此而懷疑我們的服務品質。在這生死存亡的關鍵時刻，通過監控，我們發現高期峰Mysql CPU使用率已接近80%，磁碟IO使用率接近90%，Slow query從每天1百條上升到1萬條，而且一天比一天嚴重。資料庫儼然已成為瓶頸，我們必須得快速做架構升級。如下是資料庫一週的qps變化圖，可見資料庫壓力的增長極快。
當Web應用服務出現效能瓶頸的時候，由於服務本身無狀態（stateless），我們可以通過加機器的水平擴充套件方式來解決。而資料庫顯然無法通過簡單的新增機器來實現擴充套件，因此我們採取了Mysql主從同步和應用服務端讀寫分離的方案。
Mysql支援主從同步，實時將主庫的資料增量複製到從庫，而且一個主庫可以連線多個從庫同步（細節參考Replication）。利用此特性，我們在應用服務端對每次請求做讀寫判斷，若是寫請求，則把這次請求內的所有DB操作發向主庫；若是讀請求，則把這次請求內的所有DB操作發向從庫，如下圖所示。
實現讀寫分離後，資料庫的壓力減少了許多，CPU使用率和IO使用率都降到了5%內，Slow Query也趨近於0。主從同步、讀寫分離給我們主要帶來如下兩個好處：
減輕了主庫（寫）壓力：達達的業務主要來源於讀操作，做讀寫分離後，讀壓力轉移到了從庫，主庫的壓力減小了數十倍。從庫（讀）可水平擴充套件（加從庫機器）：因系統壓力主要是讀請求，而從庫又可水平擴充套件，當從庫壓力太時，可直接新增從庫機器，緩解讀請求壓力如下是優化後資料庫qps的變化圖：
讀寫分離前主庫的select qps
讀寫分離後主庫的select qps
當然，沒有一個方案是萬能的。讀寫分離，暫時解決了Mysql壓力問題，同時也帶來了新的挑戰。業務高峰期，商家發完訂單，在我的訂單列表中卻看不到當發的訂單（典型的read after write）；系統內部偶爾也會出現一些查詢不到資料的異常。通過監控，我們發現，業務高峰期Mysql可能會出現主從延遲，極端情況，主從延遲高達10秒。
那如何監控主從同步狀態？在從庫機器上，執行show slave status，檢視SecondsBehindMaster值，代表主從同步從庫落後主庫的時間，單位為秒，若主從同步無延遲，這個值為0。Mysql主從延遲一個重要的原因之一是主從複製是單執行緒序列執行。
那如何為避免或解決主從延遲？我們做了如下一些優化：
優化Mysql引數，比如增大innodbbufferpool_size，讓更多操作在Mysql記憶體中完成，減少磁碟操作。使用高效能CPU主機資料庫使用物理主機，避免使用虛擬雲主機，提升IO效能使用SSD磁碟，提升IO效能。SSD的隨機IO效能約是SATA硬碟的10倍。業務程式碼優化，將實時性要求高的某些操作，使用主庫做讀操作垂直分庫讀寫分離很好的解決讀壓力問題，每次讀壓力增加，可以通過加從庫的方式水平擴充套件。但是寫操作的壓力隨著業務爆發式的增長沒有很有效的緩解辦法，比如商家發單起來越慢，嚴重影響了商家的使用體驗。我們監控發現，資料庫寫操作越來越慢，一次普通的insert操作，甚至可能會執行1秒以上。
下圖是資料庫主庫的壓力， 可見磁碟IO使用率已經非常高，高峰期IO響應時間最大達到636毫秒，IO使用率最高達到100%。
同時，業務越來越複雜，多個應用系統使用同一個資料庫，其中一個很小的非核心功能出現Slow query，常常影響主庫上的其它核心業務功能。我們有一個應用系統在MySql中記錄日誌，日誌量非常大，近1億行記錄，而這張表的ID是UUID，某一天高峰期，整個系統突然變慢，進而引發了宕機。監控發現，這張表insert極慢，拖慢了整個MySql Master，進而拖跨了整個系統。（當然在mysql中記日誌不是一種好的設計，因此我們開發了大資料日誌系統，敬請關注本部落格後續文章。另一方面，UUID做主鍵是個糟糕的選擇，在下文的水平分庫中，針對ID的生成，有更深入的講述）。這時，主庫成為了效能瓶頸，我們意識到，必需得再一次做架構升級，將主庫做拆分，一方面以提升效能，另一方面減少系統間的相互影響，以提升系統穩定性。這一次，我們將系統按業務進行了垂直拆分。如下圖所示，將最初龐大的資料庫按業務拆分成不同的業務資料庫，每個系統僅訪問對應業務的資料庫，避免或減少跨庫訪問。
下圖是垂直拆分後，資料庫主庫的壓力，可見磁碟IO使用率已降低了許多，高峰期IO響應時間在2.33毫秒內，IO使用率最高只到22.8%。
未來是美好的，道路是曲折的。垂直分庫過程，我們也遇到不少挑戰，最大的挑戰是：不能跨庫join，同時需要對現有程式碼重構。單庫時，可以簡單的使用join關聯表查詢；拆庫後，拆分後的資料庫在不同的例項上，就不能跨庫使用join了。比如在CRM系統中，需要通過商家名查詢某個商家的所有訂單，在垂直分庫前，可以join商家和訂單表做查詢，如下如示：
select * from tborder where supplierid in (select id from supplier where name=‘上海海底撈’)；分庫後，則要重構程式碼，先通過商家名查詢商家id，再通過商家Id查詢訂單表，如下所示：
supplierids = select id from supplier where name=‘上海海底撈’ select * from tborder where supplierid in (supplierids )垂直分庫過程中的經驗教訓，使我們制定了SQL最佳實踐，其中一條便是程式中禁用或少用join，而應該在程式中組裝資料，讓SQL更簡單。一方面為以後進一步垂直拆分業務做準備，另一方面也避免了Mysql中join的效能較低的問題。
經過一個星期緊鑼密鼓的底層架構調整，以及業務程式碼重構，終於完成了資料庫的垂直拆分。拆分之後，每個應用程式只訪問對應的資料庫，一方面將單點資料庫拆分成了多個，分攤了主庫寫壓力；另一方面，拆分後的資料庫各自獨立，實現了業務隔離，不再互相影響。
水平分庫（sharding）讀寫分離，通過從庫水平擴充套件，解決了讀壓力；垂直分庫通過按業務拆分主庫，快取了寫壓力，但系統依然存在以下隱患：
單表資料量越來越大。如訂單表，單表記錄數很快將過億，超出MySql的極限，影響讀寫效能。核心業務庫的寫壓力越來越大，已不能再進一次垂直拆分，Mysql 主庫不具備水平擴充套件的能力以前，系統壓力逼迫我們架構升級，這一次，我們需提前做好架構升級，實現資料庫的水平擴充套件(sharding)。業務類似於我們的Uber在公司成立的5年後（2014）年才實施了水平分庫（mezzanine-migration）,但我們的業務發展要求我們在成立18月就要開始實施水平分庫。邏輯架構圖如下圖所示：
水平分庫面臨的第一個問題是，按什麼邏輯進行拆分。一種方案是按城市拆分，一個城市的所有資料在一個數據庫中；另一種方案是按訂單ID平均拆分資料。按城市拆分的優點是資料聚合度比較高，做聚合查詢比較簡單，實現也相對簡單，缺點是資料分佈不均勻，某些城市的資料量極大，產生熱點，而這些熱點以後可能還要被迫再次拆分。按訂單ID拆分則正相反，優點是資料分佈均勻，不會出現一個數據庫資料極大或極小的情況，缺點是資料太分散，不利於做聚合查詢。比如，按訂單ID拆分後，一個商家的訂單可能分佈在不同的資料庫中，查詢一個商家的所有訂單，可能需要查詢多個數據庫。針對這種情況，一種解決方案是將需要聚合查詢的資料做冗餘表，冗餘的表不做拆分，同時在業務開發過程中，減少聚合查詢。
反覆權衡利弊，並參考了Uber等公司的分庫方案後，我們最後決定按訂單ID做水平分庫。從架構上，我們將系統分為三層：
應用層：即各類業務應用系統資料訪問層：統一的資料訪問介面，對上層應用層遮蔽讀寫分庫、分庫、快取等技術細節。資料層：對DB資料進行分片，並可動態的新增shard分片。水平分庫的技術關鍵點在於資料訪問層的設計，資料訪問層主要包含三部分：
ID生成器：生成每張表的主鍵資料來源路由：將每次DB操作路由到不同的shard資料來源上快取：採用Redis實現資料的快取，提升效能（以後會有詳細文章）ID生成器是整個水平分庫的核心，它決定了如何拆分資料，以及查詢儲存-檢索資料。ID需要跨庫全域性唯一，否則會引發業務層的衝突。此外，ID必須是數字且升序，這主要是考慮到升序的ID能保證Mysql的效能（若是UUID等隨機字串，在高併發和大資料量情況下，效能極差。對比效能測試資料可供參考uuid-vs-int-insert-performance）。同時，ID生成器必須非常穩定，因為任何故障都會影響所有的資料庫操作。
我們的ID的生成策略借鑑了Instagram的ID生成演算法（sharding-ids-at-instagram）。具體方案如下：
整個ID的二進位制長度為64位前36位使用時間戳，以保證ID是升序增加中間13位是分庫標識，用來標識當前這個ID對應的記錄在哪個資料庫中後15位為自增序列，以保證在同一秒內併發時，ID不會重複。每個shard庫都有一個自增序列表，生成自增序列時，從自增序列表中獲取當前自增序列值，並加1，做為當前ID的後15位水平分庫是一個極具挑戰的專案，我們也還在夜以繼日的開發中，欲知詳情，敬請繼續關注本部落格。
總結創業是與時間賽跑的過程，前期為了快速滿足業務需求，我們採用簡單高效的方案，如使用雲服務、應用服務直接訪問單點DB；後期隨著系統壓力增大，效能和穩定性逐漸納入考慮範圍，而DB最容易出現效能瓶頸，我們採用讀寫分離、垂直分庫、水平分庫等方案。面對高效能和高穩定性，架構升級需要儘可能超前完成，否則，系統隨時可能出現系統響應變慢甚至宕機的情況。當然，架構升級的過程都是痛並快樂著，每次通宵達旦實施系統架構升級，一邊享受公司準備的美味佳餚夜宵，一邊感受解決技術難題，釋放公司生產力的成就感，不亦樂乎。