面试官：如何实现一个读写分离的中间件？

Java小虫
58 阅读9分钟

公司 DBA 一直埋怨 Atlas 的难用，希望从客户端层出一个读写分离的方案。开源市场上在客户端做读写分离的开源软件基本上没有。业务方利用 Spring 自带的路由数据源能实现部分读写分离的功能，但是功能不够完善。部分参考 Sharing-JDBC 源码思想，利用部分业余时间，写了这个 Robustdb，总共只使用了十多个类，两千多行代码左右。

一、背景

随着业务量的增长，所有公司都不是直接选择分库分表设计方案的。很长一段时间内，会采用 库垂直拆分和分区表 来解决库表数据量比较大的问题，采用读写分离来解决访问压力比较大的问题。我们公司也是一样。目前绝大部分业务还是使用读写分离的方案。我相信很多公司和我们公司的架构一样，采用中间代理层做读写分离。结构如下：

图片

第一层是 VIP 曾。通过 VIP 做中间映射层，避免了应用绑定数据库的真实 IP，这样在数据库故障时，可以通过 VIP 飘移来将流量打到另一个库。但是 VIP 无法跨机房，为未来的异地多活设计埋下绕不过去的坎。VIP 下面一层是读写分离代理，我们公司使用的是 360 的 Atlas。Atlas 通过将 SQL 解析为 DML（Data Modify Language）和 DQL（Data Query Language），DML 的请求全部发到主库，DQL 根据配置比例分发到读库（读库包括主库和从库）。使用 Atlas 有以下不足：

  • Altas 不再维护更新，现存一些 bug，bug 网上很多描述；
  • Altas 中没有具体应用请求 IP 与具体数据库 IP 之间的映射数据，所以无法准确查到访问DB的请求是来自哪个应用；
  • Altas 控制的粒度是 SQL 语句，只能指定某条查询 SQL 语句走主库，不能根据场景指定；
  • DB 在自动关闭某个与 Altas 之间的连接时，Altas 不会刷新，它仍有可能把这个失效的连接给下次请求的应用使用；
  • 使用 Altas，对后期增加其他功能模会比较麻烦。

基于 Atlas 以上问题，以及我们需要将数据库账号和连接配置集中管控。我们设计了下面这套方案：

图片

通过在客户端做读写分离可以解决 Atlas 上面存在的不足。整个流程如下图所示：

图片

二、Robustdb 原理

1、读写分离设计核心点——路由支持每条 SQL 按照 DML、DQL 类型的默认路由。需求描述目前公司采用读写分离的方案来增强数据库的性能，所有的 DML（insert、updata、delete）操作在主库，通过 MySQL 的 binlog 同步，将数据同步到多个读库。所有的 DQL（select） 操作主库或从库，从而增强数据的读能力。支持方法级别的指定路由需求描述在 Service 中指定方法中所有 DB 操作方法操作同一个数据库（主要是主库），保证方法中的 DB 读写都操作主库，避免数据同步延迟导致读从库数据异常。从而保证整个方法的事务属性。解决思路我们将获取真实数据库（主库还是哪个从库）放到需要建立连接时的地方，为此我们创建了 BackendConnection（传统是先连接数据库，然后再创建连接）。在获取数据库连接时，通过对请求的 SQL 进行解析和类型判别，识别为 DML 和 DQL。如果是 DML，则在线程的单 SQL 线程本地变量上设置为 master，DQL 则设置为 slave，为后续选择数据库提供选择参考。如果要支持方法级别的事务（也就是整个方法的 SQL 请求都发送到主库），需要借助拦截器，我们采用的是 AspectJ 方式的拦截器。会拦截所有带有类型为 dataSourceType 的 annotation 的方法。在执行方法前，在线程的多 SQL 线程本地变量上设置 dataSourceType 的 name 值（name 值为 master 代表走主库，name 值为 slave 代表走从库）。线程的多 SQL 线程本地变量为后续选择数据库提供选择参考。在方法执行完后，清理本地线程变量。多 SQL 线程本地变量的优先级高于单 SQL 线程本地变量的优先级。

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图片

注意点本地线程变量要使用阿里包装的 Ttl，防止用户在方法内部启动线程池，导致普通的线程本地变量丢失，从而导致选库异常。使用 Ttl 之后，需要在公司的 JVM 启动参数中增加

-javaagent:/{Path}/transmittable-thread-local-2.6.0-SNAPSHOT.jar

原理就是在 JVM 启动时，加载 transmittable-thread-local 中的类替换逻辑，将以后的 Runnable、Callable、ExecuteService 等线程池相关类替换成增强后的 TtlRunnable、TtlCallable、TtlExecuteService 等。下面展示一下时序图中类的核心代码，仅供参考：DataSoueceAspect

@Aspect
@Component
public class DataSourceAspect{
 @Around("execution(* *(..)) && @annotation(dataSourceType)")
 public Object aroundMethod(ProceedingJoinPoint pjd, DataSourceType dataSourceType) throws Throwable { DataSourceContextHolder.setMultiSqlDataSourceType(dataSourceType.name());
 Object result = pjd.proceed();
 DataSourceContextHolder.clearMultiSqlDataSourceType();
return result;
 }
}

BackendConnection

public final class BackendConnection extends AbstractConnectionAdapter {

 private AbstractRoutingDataSource abstractRoutingDataSource;

 //用于缓存一条sql（可能对应多个statement）或者一次事务中的连接
 private final Map<String, Connection> connectionMap = new HashMap<String, Connection>();

 //构造函数
 public BackendConnection(AbstractRoutingDataSource abstractRoutingDataSource) {
 this.abstractRoutingDataSource = abstractRoutingDataSource;
 }

 @Override
 public PreparedStatement prepareStatement(String sql) throws SQLException {
return getConnectionInternal(sql).prepareStatement(sql);
 }

 @Override
 public DatabaseMetaData getMetaData() throws SQLException {
if(connectionMap == || connectionMap.isEmpty()){
return abstractRoutingDataSource.getResolvedDefaultDataSource().getConnection().getMetaData();
 }
return fetchCachedConnection(connectionMap.keySet().iterator().next().toString()).get().getMetaData();
 }

 @Override
 public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency)
 throws SQLException {
return getConnectionInternal(sql).prepareStatement(sql,resultSetType,resultSetConcurrency);
 }

 @Override
 public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int resultSetType, int resultSetConcurrency,
 int resultSetHoldability) throws SQLException {
return getConnectionInternal(sql).prepareStatement(sql, resultSetType, resultSetConcurrency, resultSetHoldability);
 }

 @Override
 public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int autoGeneratedKeys) throws SQLException {
return getConnectionInternal(sql).prepareStatement(sql, autoGeneratedKeys);
 }

 @Override
 public PreparedStatement prepareStatement(String sql, int[] columnIndexes) throws SQLException {
return getConnectionInternal(sql).prepareStatement(sql, columnIndexes);
 }

 @Override
 public PreparedStatement prepareStatement(String sql, String[] columnNames) throws SQLException {
return getConnectionInternal(sql).prepareStatement(sql, columnNames);
 }

 @Override
 protected Collection<Connection> getConnections() {
return connectionMap.values();
 }

 /**
 * 根据sql获取连接，对连接进行缓存
 * @param sql
 * @return
 * @throws SQLException
 */
 private Connection getConnectionInternal(final String sql) throws SQLException {
 //设置线程环境遍历
if (ExecutionEventUtil.isDML(sql)) {
 DataSourceContextHolder.setSingleSqlDataSourceType(DataSourceType.MASTER);
 } elseif (ExecutionEventUtil.isDQL(sql)) {
 DataSourceContextHolder.setSingleSqlDataSourceType(DataSourceType.SLAVE);
 }
 //根据上面设置的环境变量，选择相应的数据源
 Object dataSourceKey = abstractRoutingDataSource.determineCurrentLookupKey();
 String dataSourceName = dataSourceKey.toString();

 //看缓存中是否已经含有相应数据源的连接
 Optional<Connection> connectionOptional = fetchCachedConnection(dataSourceName);
if (connectionOptional.isPresent()) {
return connectionOptional.get();
 }
 //缓存中没有相应连接，建立相应连接，并放入缓存
 Connection connection = abstractRoutingDataSource.getTargetDataSource(dataSourceKey).getConnection();
 connection.setAutoCommit(super.getAutoCommit());
 connection.setTransactionIsolation(super.getTransactionIsolation());

 connectionMap.put(dataSourceKey.toString(), connection);

return connection;
 }

 /**
 * 从缓存中取数据源
 * @param dataSourceName
 * @return
 */
 private Optional<Connection> fetchCachedConnection(final String dataSourceName) {
if (connectionMap.containsKey(dataSourceName)) {
return Optional.of(connectionMap.get(dataSourceName));
 }
return Optional.absent();
 }

}

AbstractRoutingDataSource

/**
 *
 * @Type AbstractRoutingDataSource
 * @Desc 数据源路由器（spring的AbstractRoutingDataSource将resolvedDataSources的注入放在bean初始化）
 * @Version V1.0
 */
public abstract class AbstractRoutingDataSource extends AbstractDataSource {

 private boolean lenientFallback = true;

 private Map<Object, Object> targetDataSources;

 private Object defaultTargetDataSource;

 private Map<Object, DataSource> resolvedDataSources = new HashMap<Object, DataSource>();

 private DataSource resolvedDefaultDataSource;

 private Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AbstractRoutingDataSource.class);


 public BackendConnection getConnection() throws SQLException {
return new BackendConnection(this);
 }

 public BackendConnection getConnection(String username, String password)
 throws SQLException {
return new BackendConnection(this);

 }

 public void afterPropertiesSet() {
if (this.targetDataSources == ) {
 throw new IllegalArgumentException("Property 'targetDataSources' is required");
 }
 this.resolvedDataSources = new HashMap<Object, DataSource>(this.targetDataSources.size());
for (Map.Entry entry : this.targetDataSources.entrySet()) {
 Object lookupKey = resolveSpecifiedLookupKey(entry.getKey());
 DataSource dataSource = resolveSpecifiedDataSource(entry.getValue());
 this.resolvedDataSources.put(lookupKey, dataSource);
 }
if (this.defaultTargetDataSource != ) {
 this.resolvedDefaultDataSource = resolveSpecifiedDataSource(this.defaultTargetDataSource);
 }
 }

 public void putNewDataSource(Object key, DataSource dataSource){
if(this.resolvedDataSources == ){
 this.resolvedDataSources = new HashMap<Object, DataSource>();
 }
if(this.resolvedDataSources.containsKey(key)){
 this.resolvedDataSources.remove(key);
 logger.info("remove old key:" + key);
 }
 logger.info("add key:" + key + ", value=" + dataSource);
 this.resolvedDataSources.put(key, dataSource);
 }

 /**
 * 数据源选择逻辑
 */
 public DataSource determineTargetDataSource() {
 Assert.not(this.resolvedDataSources, "DataSource router not initialized");

 Object lookupKey = determineCurrentLookupKey();
 DataSourceContextHolder.clearSingleSqlDataSourceType();

 int index = 0;
for (Entry<Object, DataSource> element : resolvedDataSources.entrySet()) {
 logger.debug("myAbstractDS, index:" + index + ", key:" + element.getKey() + ", value:" + element.getValue().toString());
 index++;
 }
 DataSource dataSource = this.resolvedDataSources.get(lookupKey);
if (dataSource == && (this.lenientFallback || lookupKey == )) {
 dataSource = this.resolvedDefaultDataSource;
 }
if (dataSource == ) {
 throw new IllegalStateException("Cannot determine target DataSource for lookup key [" + lookupKey + "]");
 }
 logger.debug("myAbstractDS, hit DS is " + dataSource.toString());
return dataSource;
 }

 public DataSource getTargetDataSource(Object lookupKey) {
 Assert.not(this.resolvedDataSources, "DataSource router not initialized");

if(lookupKey == ){
 lookupKey = determineCurrentLookupKey();
 }
 DataSourceContextHolder.clearSingleSqlDataSourceType();

 int index = 0;
for (Entry<Object, DataSource> element : resolvedDataSources.entrySet()) {
 logger.debug("myAbstractDS, index:" + index + ", key:" + element.getKey() + ", value:" + element.getValue().toString());
 index++;
 }
 DataSource dataSource = this.resolvedDataSources.get(lookupKey);
if (dataSource == && (this.lenientFallback || lookupKey == )) {
 dataSource = this.resolvedDefaultDataSource;
 }
if (dataSource == ) {
 throw new IllegalStateException("Cannot determine target DataSource for lookup key [" + lookupKey + "]");
 }
 logger.debug("myAbstractDS, hit DS is " + dataSource.toString());
return dataSource;
 }

 public abstract Object determineCurrentLookupKey();

 public abstract Object getCurrentSlaveKey();

 @Override
 public boolean isWrapperFor(Class<?> iface) throws SQLException {
return (iface.isInstance(this) || determineTargetDataSource().isWrapperFor(iface));
 }

 @SuppressWarnings("unchecked")
 @Override
 public <T> T unwrap(Class<T> iface) throws SQLException {
if (iface.isInstance(this)){
return (T) this;
 }
return determineTargetDataSource().unwrap(iface);
 }

 protected Object resolveSpecifiedLookupKey(Object lookupKey) {
return lookupKey;
 }

 protected DataSource resolveSpecifiedDataSource(Object dataSource) throws IllegalArgumentException {
if (dataSource instanceof DataSource) {
return (DataSource) dataSource;
 }
else {
 throw new IllegalArgumentException(
"Illegal data source value - only [javax.sql.DataSource] and String supported: " + dataSource);
 }
 }
 //get set方法省略
}

DataSourceContextHolder

public class DataSourceContextHolder {

 private static final TransmittableThreadLocal<String> singleSqlContextHolder = new TransmittableThreadLocal<String>();

 private static final TransmittableThreadLocal<String> multiSqlContextHolder = new TransmittableThreadLocal<String>();

 /**
 * @Description: 设置单条sql数据源类型
 * @param dataSourceType 数据库类型
 * @return void
 * @throws
 */
 public static void setSingleSqlDataSourceType(String dataSourceType) {
 singleSqlContextHolder.set(dataSourceType);
 }

 /**
 * @Description: 获取单条sql数据源类型
 * @param
 * @return String
 * @throws
 */
 public static String getSingleSqlDataSourceType() {
return singleSqlContextHolder.get();
 }

 /**
 * @Description: 清除单条sql数据源类型
 * @param
 * @return void
 * @throws
 */
 public static void clearSingleSqlDataSourceType() {
 singleSqlContextHolder.remove();
 }

 /**
 * @Description: 设置多条sql数据源类型
 * @param dataSourceType 数据库类型
 * @return void
 * @throws
 */
 public static void setMultiSqlDataSourceType(String dataSourceType) {
 multiSqlContextHolder.set(dataSourceType);
 }

 /**
 * @Description: 获取多条sql数据源类型
 * @param
 * @return String
 * @throws
 */
 public static String getMultiSqlDataSourceType() {
return multiSqlContextHolder.get();
 }

 /**
 * @Description: 清除多条sql数据源类型
 * @param
 * @return void
 * @throws
 */
 public static void clearMultiSqlDataSourceType() {
 multiSqlContextHolder.remove();
 }

 /**
 * 判断当前线程是否为使用从库为数据源. 最外层service有slave的aop标签 或者 service没有aop标签且单条sql为DQL
 *
 * @return
 */
 public static boolean isSlave() {
return"slave".equals(multiSqlContextHolder.get()) || (multiSqlContextHolder.get()== && "slave".equals(singleSqlContextHolder.get())) ;
 }

}

DynamicDataSource

public class DynamicDataSource extends AbstractRoutingDataSource implements InitializingBean{

 private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(DynamicDataSource.class);

 private Integer slaveCount = 0;

 // 轮询计数,初始为-1,AtomicInteger是线程安全的 
 private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(-1);

 // 记录读库的key 
 private List<Object> slaveDataSources = new ArrayList<Object>(0);

 // slave库的权重
 private Map<Object,Integer> slaveDataSourcesWeight;

 private Object currentSlaveKey;

 public DynamicDataSource() {
 super();
 }

 /**
 * 构造函数
 * @param defaultTargetDataSource
 * @param targetDataSources
 * @param slaveDataSourcesWeight
 */
 public DynamicDataSource(Object defaultTargetDataSource, Map<Object,Object> targetDataSources, Map<Object,Integer> slaveDataSourcesWeight) {
 this.setResolvedDataSources(new HashMap<Object, DataSource>(targetDataSources.size()));
for (Map.Entry<Object, Object> entry : targetDataSources.entrySet()) {
 DataSource dataSource = resolveSpecifiedDataSource(entry.getValue());
 this.putNewDataSource(entry.getKey(), dataSource);
 }
if (defaultTargetDataSource != ) {
 this.setResolvedDefaultDataSource(resolveSpecifiedDataSource(defaultTargetDataSource));
 }
 this.setSlaveDataSourcesWeight(slaveDataSourcesWeight);
 this.afterPropertiesSet();
 }

 @Override
 public Object determineCurrentLookupKey() {
 // 使用DataSourceContextHolder保证线程安全，并且得到当前线程中的数据源key 
if (DataSourceContextHolder.isSlave()) {
 currentSlaveKey = getSlaveKey();
return currentSlaveKey;
 }
 //TODO
 Object key = "master";
return key;
 }


 @Override
 public void afterPropertiesSet() {
 try {
 super.afterPropertiesSet();
 Map<Object, DataSource> resolvedDataSources = this.getResolvedDataSources();
 //清空从库节点，重新生成
 slaveDataSources.clear();
 slaveCount = 0;
for (Map.Entry<Object, DataSource> entry : resolvedDataSources.entrySet()) {
if(slaveDataSourcesWeight.get(entry.getKey())==){
continue;
 }
for(int i=0; i<slaveDataSourcesWeight.get(entry.getKey());i++){
 slaveDataSources.add(entry.getKey());
 slaveCount++;
 }
 }
 } catch (Exception e) {
 logger.error("afterPropertiesSet error! ", e);
 }
 }

 /**
 * 轮询算法实现 
 *
 * @return
 */
 public Object getSlaveKey() {
if(slaveCount <= 0 || slaveDataSources == || slaveDataSources.size() <= 0){
return ;
 }
 Integer index = counter.incrementAndGet() % slaveCount;
if (counter.get() > 9999) { // 以免超出Integer范围 
 counter.set(-1); // 还原 
 }
return slaveDataSources.get(index);
 }

 public Map<Object, Integer> getSlaveDataSourcesWeight() {
return slaveDataSourcesWeight;
 }

 public void setSlaveDataSourcesWeight(Map<Object, Integer> slaveDataSourcesWeight) {
 this.slaveDataSourcesWeight = slaveDataSourcesWeight;
 }

 public Object getCurrentSlaveKey() {
return currentSlaveKey;
 }
}

2、读库流量分配策略设计我们所有的数据库连接都是管控起来的，包括每个库的流量配置都是支持动态分配的。支持读库按不同比例承接读请求。通过配置页面动态调整应用的数据库连接以及比例，支持随机或者顺序的方式将流量分配到相应的读库中去。这里我们使用的配置管理下发中心是我们公司自己开发的 gconfig，当然替换成开源的 diamond 或者 applo 也是可以的。当接收到配管中心的调整指令，会动态更新应用数据源连接，然后更新 beanFactory 中的 datasource。核心函数如下：

/**
 * 更新beanFactory
 * @param properties
 */
public void refreshDataSource(String properties) {
 YamlDynamicDataSource dataSource;
 try {
 dataSource = new YamlDynamicDataSource(properties);
 } catch (IOException e) {
 throw new RuntimeException("convert datasource config failed!");
 }

 // 验证必须字段是否存在
if (dataSource == && dataSource.getResolvedDataSources() == 
 || dataSource.getResolvedDefaultDataSource() == || dataSource.getSlaveDataSourcesWeight() == ) {
 throw new RuntimeException("datasource config error!");
 }
 ConcurrentHashMap<Object, DataSource> newDataSource = new ConcurrentHashMap<Object, DataSource>(
 dataSource.getResolvedDataSources());

 //更新数据源的bean
 DynamicDataSource dynamicDataSource = (DynamicDataSource) ((DefaultListableBeanFactory) beanFactory)
 .getBean(dataSourceName);
 dynamicDataSource.setResolvedDefaultDataSource(dataSource.getResolvedDefaultDataSource());
 dynamicDataSource.setResolvedDataSources(new HashMap<Object, DataSource>());//将数据源清空，重新添加
for (Entry<Object, DataSource> element : newDataSource.entrySet()) {
 dynamicDataSource.putNewDataSource(element.getKey(), element.getValue());
 }
 dynamicDataSource.setSlaveDataSourcesWeight(dataSource.getSlaveDataSourcesWeight());
 dynamicDataSource.afterPropertiesSet();

 }

三、性能

我们经过性能测试，发现 Robustdb 的性能在一定层度上比 Atlas 性能更好。压测结果如下：

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