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支持MySQL协议的分布式数据库

【编者按】TiDB 是国内 PingCAP 团队开发的一个分布式 SQL 数据库。其灵感来自于 Google 的 F1，TiDB 支持包括传统 RDBMS 和 NoSQL 的特性。在国内ITOM 管理平台OneAPM 举办的技术公开课中，TiDB的高级工程师刘奇从HBase特性、TiDB的优势和系统架构等方面进行了详细阐述。以下为演讲整理：

HBase简介

众所周知，在SQL方面处于顶级的有两个公司，一个是Oracle，他们已经积累了大量的经验，另一个是谷歌，谷歌 F1在2012年发布了一篇论文，个人认为它是全球最优秀的SQL OLTP数据库。

1978年左右，数据库刚刚发展时出现了SQL RDBMS。2000年左右，国内开始流行互联网，互联网对Oracle数据库也产生较大的冲击。现在，传统的数据库大部分是集中在传统领域，互联网方面用得比较多的是MySQL，其次HBase等 NoSQL 也吸引了大量的用户。

为什么会出现NoSQL？最开始所有人都用SQL Database，那时比较高端有Oracle，开源的还有MySQL、PostgreSQL。可是随着业务的迅速发展，数据库成为了瓶颈，于是促使了NoSQL的诞生，NoSQL将Scale放在第一位。如果业务快速发展，扩容会成为亟待解决的首要问题。这时，大多数人会选择放弃事务一致性。什么是一致性？比如使用微信时，如果我加你为好友，这是一个双向关系，对应到数据库中至少是两个操作，第一是在好友列表里把你加进来，第二个是你的好友列表里把我加进去。如果这两个列表的数据库放在不同的机器上，就需要保证一致性。否则可能会出现我是你的好友，但你的好友中却找不到我的这种情况。但这中间可能会出现多种情况，比如我把你加为好友，然后修改数据的时候Crush掉了，这个时候传统方案是会引入一个消息队列，有的还需要做一些补偿，这些问题在NoSQL里处理起来相对麻烦。

国内最大的HBase使用者是小米公司，有几个HBase的Committer，所以经过一些修改后可以支持分布式事务，于是能够解决之前的问题。为什么在面临诸多选择时，小米会选择HBase呢？就目前情况来说，主要还是技术选型和人才储备上的考虑。MongoDB大家应该不陌生，但用到一定程度后，总会出现各种问题，甚至有文章呼吁大家放弃MongoDB。但所有数据库都不是“十全十美”的，没有最好，选择最适合的尤为重要。

很多时候产品都有其特性，在满足其特性或者规格的情况下，使用起来可能非常顺手，否则十之八九都遇到各种麻烦。比如小米使用HBase就非常顺手，但其他的公司则不一定。道理很简单，如果不熟悉其使用场景，也不知道在相应场景下配什么参数，所以会出现各种各样的问题。

支持MySQL协议的分布式数据库

事实上，HBase有非常好的特性，目前在小米公司可以每秒跑一百万OPS，最近Pinterest公布他们的HBase每秒可以跑三百万个OPS，这个数量级可以远超很多互联网公司。HBase在读写一致性方面非常出色，有很好的自动Scale的能力，通过Block Cache和Bloom Filters可以很好的解决查询问题，是否在磁盘上也可以通过Bloom Filters来判定。

另一方面，Oracle把一部分逻辑会放在CPU/硬件里，对应的HBase也会把一部分逻辑下推到对应的RegionServer 上。对于一个分布系统来说，如果需要查询一个条件，可以直接把这个简单调节推到对应的RegionServer上执行。再比如求和运算，现在有一百亿数据，甚至一千亿条数据，分布在10个节点上，最快的求和方法是让所有节点同时运算，将这个条件下推得到所有对应数据的和，最后收集到10个数据的和即可。其实还可以继续往下推，这是比较复杂的数据库优化技术，实际情况还会更复杂。这在 HBase 里面依赖 Coprocessor 来实现。

大家应该对MVCC比较熟悉，也就是多版本，它的优点在于可以多次读取而不会block。然后还有一个很好的特性，假设你用的Database，MVCC在你没有做compaction之前可以回到任何时间的数据。现在云服务上也可以每隔半小时做一次快照，实际上如果使用MVCC回到任意一秒的话，可以完全不需要快照。

TiDB的优势

下面再介绍一下我们的产品 TiDB，Ti是元素周期表里的元素。大家如果了解我们团队的程序员，就知道他们都比较 Geek，取名字要么在希腊神话里选一个神的名字，或者在数学里找一个希腊字母，但是看了一圈，好坑都已经被占上了。于是，我们在化学元素周期表里找了一个金属作为项目名称，对于Database而言，它必须是高速稳定的，刚好钛金属有很强的防腐蚀性，所以选择了钛（Ti）。

支持MySQL协议的分布式数据库

因为TiDB的目标是谷歌F1，所以自然会满足以上特性。首先是可以满足分布式一致，也就是说对于应用来说，不用关心后面分成多少个机器，事务的一致性是必须保证的，比如我们之前提到的A关注B，两个互相加好友或者转帐，可以直接利用一条SQL搞定，而无需担心中间过程。另外一个特性是兼容MySQL协议，国内大概有70% 的互联网公司都在使用MySQL，为了考虑大家的迁移成本，我们会兼容MySQL协议。同时，由于已经很多APP在MySQL上运行，为我们提供了充足的测试样本。TiDB的测试有五百多万个，每次提交一行代码时，后面大概有6个机器并行地跑Test，五百多万Test所需时间大约是十分钟。为了照顾各种引擎爱好者，我们还支持了LevelDB 、RocksDB、LMDB、BoltDB等。TiDB主要是采用 Go 语言开发的，其代码简单、易于理解，而且性能非常高。

系统架构

支持MySQL协议的分布式数据库

任何用MySQL协议写的程序都可以直接使用TiDB，其中间是MySQL协议相关的内容，再往下是SQL Layer。其次是事务KV层，这正是F1和Spanner构造得最为精密的地方。最底层的构造是从KV开始，在KV基础上架一个分布式的KV层用于支持事务，然后再让SQL语句直接映射到KV层上。

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接下来，向大家介绍现阶段 TiDB 使用的分布式事务是如何在HBase上实现的，早期版本中，我们参考的是 Google 的 Percolator 的模型。首先假设有一个Client，先为其分配一个 Timestamp，在Google论文中叫做Time Oracle，用来分配时间戳。分配之后可以做读写操作，根据时间戳进行快照读。最后提交之前要先Prepare，Prepare的时候会检测是否冲突，最后提交时会得到Commit，如果整个过程没有任何冲突就可以提交。

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上图代表了一个实例，最初帐户情况是Bob有10美金，而Joe有5美金。前面的数字代表其版本，当前是第6个版本，指向的是第5个版本，为10美金，Joe是2美金。

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假设Bob要转4美金给Joe。第一步，要先转出去4美金，10美金变成6美金，由于被扣掉4美金，然后会标注一下自己是主锁。

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Joe当前是第7个版本，因为他得到了4美金，所以余额变成了6美金，同时标记自己指向另外一个主锁Bob。

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到第八个版本时，主锁会指向现在的7，这时可以把主锁删掉。如果访问的时候发现主锁被删除，那么主锁冲突已不存在，可以进行提交。同时，它会把自己的锁删掉，中间还有一些其它的清理过程。

支持MySQL协议的分布式数据库

整个事务模型中会有单点，从Time Oracle分配一个时间戳，单点决定了整个系统的性能。Google论文里有一个对应描述，可以跑到两百万每秒。因为事务开始和结束的时候都需要取一个Timestamp，所以他们最快读写事务的速度是一百万每秒，他们已经在论文中实现。实际上，现在有更好的方式可以提高速度，如HLC和一些Time Oracle的改进算法。

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关于Spanner，我们重点参考对象是谷歌Spanner和F1。由于Spanner高度依赖于时钟，所以谷歌有一套原子钟和GPS时钟，GPS信号可以给出地理位置和时间。为什么需要原子钟呢？由于GPS时钟特别容易受到干扰，比如天气恶劣时GPS时钟就不能运行，而原子钟仍然适用。

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上图是谷歌F1的一些信息，其中单独标记了谷歌F1的这篇论文，大家有兴趣的话不妨细读一番，目前整个TiDB所做的都是在实现这篇论文。假设有一千亿数据，你现在要给某一列加索引时，在传统数据库上应该如何操作？比如说在分布式环境下，你用MySQL给一列添加一个索引，这几乎很难实现，而且还必须保证index的一致性。更多细节请参考论文。

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TiDB是如何从SQL迁移到KV上的呢？由基础知识可知，传统的 RDBMS数据库底下一般是一个B-Tree。对于分布式关系型数据库，站在更上层一点看，比如谷歌的F1，数据库底层都是KV层，都在KV层逻辑下操作。如果有一个User Table，在TiDB里假设你的Table的结构是由uid、name和email构成。在TiDB里有一个隐藏列叫做RowID，所有的操作包括行锁都是锁的RowID。假设RowID是1，uid是XX，Name是Bob，Email是bob@Email.com，这都属于元信息。即便你的Column name很长，但最后在数据库里存储的是原信息。在TiDB中，每一列都有唯一的UID。

假设Table的ID是1，uid的 ID 是2，name的ID是3，email的ID是4。在数据库中存储为一个KV结构，然后对TableID、RowID 、ColumnID进行重新编码，直接将这个表的一行切成4个KV。这时候如果进行select，Email等于某一个值的话，于是可以直接取出来相应的值，速度非常快。

兼容MySQL

TiDB对MySQL协议有很好的兼容性。有一些比较知名的MySQL应用和管理工具，比如WordPress、PhpMyAdmin， MySQL Workbench，都可以直接基于TiDB运行。而且数据可以无限扩展，不再是单机数据库。其次，TiDB还兼容各种ORM，比如XORM、Beego ORM等，能够支持很多MySQL的应用。每一次代码更新，这些ORM Test会自动运行一次，从而保证与MySQL的兼容性，虽然还有一些比较细微的特性暂时没有支持。现在已经支持异步的 Schema 变更，对于 DDL 操作，不会阻塞线上的业务。

关于社区

目前 TiDB 完全开源在Github上面。开源和开放的概念是两回事，很多大公司，所谓的开源只是把代码上传一下，国内比较知名的案例也挺多的，大家知道很多项目都已经放弃了维护。但是我们是打算完全以一个开放的心态来做整个事情，全部的代码，全部的讨论， Code Review，Bug Tracking，Roadmap 都是开源的，毕竟通用的分布式 OLTP 关系型数据库是一个非常前沿而且极端重要的领域，未来是云上的 DBaaS 的重要组成部分，但是在这块目前整个技术社区，即使全球来看都没有一个太成熟开源解决方案，TiDB也目前也处于早期，从架构上来看，我们将 SQL 层和 KV 层做了很彻底的分离，这也是我们希望更多开发者能根据自己的需要更方便的进行定制，我们也想得很清楚，依靠某一家公司，或者某几个人的力量是不够的，我们 PingCAP 只是将这一把火点起来，将框架搭好，制定好透明和公平的规则，吸引更多的合作公司和独立开发者，一起将 TiDB 做成中国第一个世界顶级的开源项目，实现共赢。

好的项目可以由社区进行推动，就比如HBase，HBase不属于任何一个公司，但是社区一直推动它进步。目前我们在GitHub状态是有3200+的Star，有32个Contributors，算是开了一个好头，非常感谢大家，希望大家都能参与进来。

原文 http://www.uml.org.cn/sjjm/2016012210.asp

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