深入解析 MySQL：基于 Apache ShardingSphere 的高性能架构详解

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深入解析 MySQL：基于 Apache ShardingSphere 的高性能架构详解

1. 理论 - 高性能架构模式

1.1 读写分离

将读操作和写操作分配到不同的数据库节点上，分散数据库读写操作的压力。

单机架构与读写分离架构的区别演示

![架构图]

1.2 数据分片

在关系型数据库中，索引普遍采用 B+ 树结构。随着业务数据不断积累，单表数据量膨胀会导致 B+ 树高度增加，每次查询需要更多的磁盘 I/O，严重拖慢查询效率。此外，集中式数据库在高并发场景下容易成为系统瓶颈。为解决性能与扩展性问题，必须实施数据分片 (Sharding)，将数据分散存储到多个数据库节点。

1.2.1 垂直分片

垂直分片的核心是按业务功能或数据属性进行纵向拆分。它将一个包含多个字段的'宽表'或一个包含多张表的数据库，按照功能模块、访问频率、数据类型等维度，拆分成不同的数据库或表组。

垂直分表

![垂直分表示意图]

垂直分库

![垂直分库示意图]

1.2.2 水平分片

水平分片的核心是按数据记录进行横向拆分。它将单张数据量过大的表，按照某种规则 (如 ID 范围、哈希值、时间等) 将数据行分散存储到多个结构相同的数据库或表中。

水平分库：如果单表切分之后，单台服务器依然无法满足数据库性能要求，那么就需要将多个表分散在不同的数据库服务器上。

![水平分库示意图]

水平分表：将原来一张表中的数据根据某种规则拆分到多个表中，将拆分出的多张表尽量放在同一个数据库，主要是避免跨库事务。水平分表后会有效降低 B+ 树高度，从而减少磁盘 I/O。

![水平分表示意图]

1.3 读写分离和数据分片

![组合架构图]

2. 实践方式 - 高性能架构模式

2.1 代码封装

![代码封装图]

代码侵入性强：分片逻辑与业务代码深度耦合
维护困难：分片逻辑散落在代码各处，难以统一管理。变更分片策略需要修改代码并重新发布

2.2 中间件封装

![中间件封装图]

3. Apache ShardingSphere

Apache ShardingSphere 是一款开源的分布式数据库解决方案，旨在不替换底层数据库的前提下，通过插件化架构增强其数据处理与治理能力。截止 2026 年 1 月，它一共推出 ShardingSphere-JDBC 和 ShardingSphere-Proxy 两款产品，分别面向不同的部署与使用场景。

3.1 ShardingSphere-JDBC(了解)

定位为轻量级 Java 框架，在 Java 的 JDBC 层提供的额外服务。

![JDBC 架构图]

3.2 ShardingSphere-Proxy

定位为独立的透明化数据库代理服务。它通过原生实现数据库二进制网络协议，屏蔽了后端数据库集群的复杂性，为所有客户端提供一个统一的、标准的数据库访问入口 (支持多种语言)。简单来说，可以将 ShardingSphere-Proxy 理解为一个'数据库网关'。应用程序和 DBA 像操作一个普通的、单点的 MySQL 服务器一样去操作它，而背后所有的数据分片、路由等分布式逻辑，则由 Proxy 完全在内部处理并隐藏。

![Proxy 架构图]

工作原理：

客户端发送 SQL 语句到 ShardingSphere-proxy。
ShardingSphere-proxy 接收 SQL 语句并解析操作类型，如 select，insert，update，delete。
基于操作类型、分片规则等条件，路由引擎会进行精准计算，确定该条 SQL 需要访问的具体物理分片 (转发到底层真实的数据库节点)。
底层真实数据库节点执行 SQL 语句，并将结果返回给 ShardingSphere-proxy。
ShardingSphere-proxy 合并不同数据节点返回的数据，并将最终结果返回给客户端。

![工作流程图]

3.3 Docker 安装 ShardingSphere-Proxy

3.3.1 创建 Docker 容器

# JVM_OPTS="-Xms256m -Xmx256m -Xmn128m"
docker run -d \
-p 3307:3307 \
-v /org/shardingsphere/proxy/conf:/opt/shardingsphere-proxy/conf \
-v /org/shardingsphere/proxy/ext-lib:/opt/shardingsphere-proxy/ext-lib \
-v /org/shardingsphere/proxy/logs:/opt/shardingsphere-proxy/logs \
-e JVM_OPTS="-Xms256m -Xmx256m -Xmn128m" \
--name ss-proxy \
apache/shardingsphere-proxy:5.3.2

创建容器后还需要在 conf 和 ext-lib 目录下添加配置文件 (yaml) 和驱动程序 (jar)。可以从 Apache ShardingSphere 官网下载二进制包，然后提取出配置文件，避免手动创建配置文件。

3.3.2 配置 server.yaml

在 conf 目录下配置 server.yaml。

mode:
  type: Standalone # 单机模式
authority:
  users:
    - user: root@% # 配置一个用户，用户名为 root@%
      password: 123456 # 为用户指定密码
  privilege:
    type: ALL_PERMITTED # 授予用户所有权限
props:
  sql-show: true # 显示执行的 SQL 语句
  proxy-mysql-default-version: 8.0.44 # MySQL 版本号

3.3.3 上传 MySQL 驱动

ShardingSphere-Proxy 数据库代理服务连接 MySQL 数据库时，需要把 MySQL 驱动包放入宿主机映射扩展目录 /ext-lib 中。

3.3.4 日志配置

在 conf 目录下配置 logback.xml。

<?xml version="1.0"?>
<configuration>
  <!-- 日志输入到文件 -->
  <appender name="SHARDING_FILE" class="ch.qos.logback.core.rolling.RollingFileAppender">
    <!-- 日志路径 -->
    <file>./logs/shardingsphere.log</file>
    <encoder>
      <!-- 日志输入的样式 -->
      <pattern>[%-5level] %d{yyyy-MM-dd HH:mm:ss.SSS} [%thread] %-5level %logger{36} - %msg%n</pattern>
    </encoder>
    <rollingPolicy class="ch.qos.logback.core.rolling.TimeBasedRollingPolicy">
      <fileNamePattern>shardingsphere.%d{yyyy-MMdd}.%i.log</fileNamePattern>
      <timeBasedFileNamingAndTriggeringPolicy class="ch.qos.logback.core.rolling.SizeAndTimeBasedFNATP">
        <maxFileSize>100MB</maxFileSize>
      </timeBasedFileNamingAndTriggeringPolicy>
    </rollingPolicy>
  </appender>
  <root level="INFO">
    <appender-ref ref="SHARDING_FILE"/>

3.3.5 测试连接

# 重新启动容器
docker restart ss-proxy
# 查看状态，启动成功
docker ps
# 指定主机和端口号进行连接
mysql -h 127.0.0.1 -P 3307 -u root -p123456

4. 实践 - 读写分离

4.1 架构图

![读写分离架构图]

4.2 服务器规划

数据库服务器	容器名	端口号
主服务器	org-mysql-master	53306
从服务器 1	org-mysql-slave1	53307
从服务器 2	org-mysql-slave2	53308

4.3 创建数据库服务器

创建一个主服务器和两个从服务器，并开启主从复制。

4.4 配置读写分离

在 /org/shardingsphere/proxy/conf 目录下配置 config-readwrite-splitting.yaml 文件。

databaseName: org_proxy_db # shardingsphere 中代理的库名
dataSources:
  write_ds: # 主节点，写服务器
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:53306/org_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456
    connectionTimeoutMilliseconds: 30000
    idleTimeoutMilliseconds: 60000
    maxLifetimeMilliseconds: 1800000
    maxPoolSize: 50
    minPoolSize: 1
  read_ds_0: # 从节点，读服务器
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:53306/org_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456
    connectionTimeoutMilliseconds: 30000
    idleTimeoutMilliseconds: 60000
    maxLifetimeMilliseconds: 1800000
    maxPoolSize: 50
    minPoolSize: 1
  read_ds_1: # 从节点，读服务器
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:53306/org_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456

4.5 启动 ShardingSphere

# 启动容器
docker start ss-proxy
# 查看容器是否启动成功
docker ps
# 连接 ShardingSphere
mysql -h 127.0.0.1 -P 3307 -u root -p

4.6 测试

# 进入容器
docker exec -it ss-proxy env LANG=C.UTF-8 /bin/bash
# 查看 ShardingSphere 的实时日志，以实际目录和文件名为准
tail -f /opt/shardingsphere-proxy/logs/shardingsphere.log

查看日志。

如果在事务中查询数据，所有的 SQL 操作都会被路由到主服务器，避免跨库事务。

操作数据库：

mysql> use org_proxy_db;
Database changed
mysql> INSERT INTO t_user VALUES (1,'张三'),(2,'李四'),(3,'王五');
Query OK, 3 rows affected (0.01 sec)
mysql> SELECT * FROM t_user;
+----+--------+
| id | name   |
+----+--------+
| 1  | 张三   |
| 2  | 李四   |
| 3  | 王五   |
+----+--------+
3 rows in set (0.01 sec)
mysql> SELECT * FROM t_user;
+----+--------+
| id | name   |
+----+--------+
| 1  | 张三   |
    李四   
    王五   

    ( sec)

5. 实践 - 垂直分片

5.1 架构图

![垂直分片架构图]

5.2 服务器规划

数据库服务器	容器名	端口号
用户服务器	server-user	53310
订单服务器	server-order	53311

5.3 创建 server-user 容器

创建数据库：

CREATE DATABASE IF NOT EXISTS user_db CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_0900_ai_ci;
USE user_db;
CREATE TABLE IF NOT EXISTS t_user (
  id BIGINT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  name VARCHAR(20)
);

进入 Docker 容器：

# 进入 Docker 容器
docker exec -it server-user env LANG=C.UTF-8 /bin/bash
# 运行 Mysql 客户端
mysql -uroot -p

# 修改密码
SET PASSWORD = '123456';

创建 server-user 容器：

docker run -d \
-p 53310:3306 \
-v /org/mysql/user/conf:/etc/mysql/conf.d \
-v /org/mysql/user/mysql:/var/lib/mysql \
-e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123456 \
--name server-user \
mysql:8.0.44

5.4 创建 server-order 容器

创建数据库：

CREATE DATABASE IF NOT EXISTS order_db CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_0900_ai_ci;
USE order_db;
CREATE TABLE IF NOT EXISTS t_order (
  id BIGINT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
  order_no VARCHAR(30) COMMENT '订单号',
  amount DECIMAL(12,2) COMMENT '订单金额',
  user_id BIGINT COMMENT '用户编号'
);

进入 Docker 容器：

# 进入 Docker 容器
docker exec -it server-order env LANG=C.UTF-8 /bin/bash
# 运行 Mysql 客户端
mysql -uroot -p

# 修改密码
SET PASSWORD = '123456';

创建 server-order 容器：

docker run -d \
-p 53311:3306 \
-v /org/mysql/order/conf:/etc/mysql/conf.d \
-v /org/mysql/order/mysql:/var/lib/mysql \
-e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123456 \
--name server-order \
mysql:8.0.44

5.5 垂直分库配置

在 /org/shardingsphere/proxy/conf 目录下配置 config-sharding.yaml 文件。

databaseName: sharding_db
dataSources:
  server_user:
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:53310/user_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456
    connectionTimeoutMilliseconds: 30000
    idleTimeoutMilliseconds: 60000
    maxLifetimeMilliseconds: 1800000
    maxPoolSize: 50
    minPoolSize: 1
  server_order:
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:53311/order_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456
    connectionTimeoutMilliseconds: 30000
    idleTimeoutMilliseconds: 60000
    maxLifetimeMilliseconds: 1800000
    maxPoolSize: 50
    minPoolSize: 1
rules:
  - !SHARDING
    tables:
      t_user:
        actualDataNodes: server_user.t_user
      t_order:
        actualDataNodes: server_order.t_order

5.6 启动 ShardingSphere

# 启动容器
docker start ss-proxy
# 查看容器是否启动成功
docker ps
# 连接 ShardingSphere
mysql -h 127.0.0.1 -P 3307 -u root -p

6. 实践 - 水平分片

6.1 架构图

水平分库 + 水平分表

![水平分片架构图]

6.2 服务器规划

数据库服务器	容器名	端口号
订单服务器	server-order0	63310
订单服务器	server-order1	63311

6.3 创建 server-order 容器

# 创建 server-order0
docker run -d \
-p 63310:3306 \
-v /org/mysql/order0/conf:/etc/mysql/conf.d \
-v /org/mysql/order0/mysql:/var/lib/mysql \
-e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123456 \
--name server-order0 \
--restart always \
mysql:8.0.44

# 创建 server-order1
docker run -d \
-p 63311:3306 \
-v /org/mysql/order1/conf:/etc/mysql/conf.d \
-v /org/mysql/order1/mysql:/var/lib/mysql \
-e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123456 \
--name server-order1 \
--restart always \
mysql:8.0.44

6.4 进入 Docker 容器

# 进入 Docker 容器
docker exec -it server-order0 env LANG=C.UTF-8 /bin/bash
# docker exec -it server-order1 env LANG=C.UTF-8 /bin/bash
# 运行 Mysql 客户端
mysql -uroot -p

# 修改 root 用户密码
SET PASSWORD = '123456';

6.5 创建数据库

-- 在两个 Docker 容器都执行相同的 SQL 语句
CREATE DATABASE IF NOT EXISTS order_db CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_0900_ai_ci;
USE order_db;

-- 创建订单表 t_order0
CREATE TABLE IF NOT EXISTS t_order0 (
  id BIGINT PRIMARY KEY,
  order_no VARCHAR(30) COMMENT '订单号',
  amount DECIMAL(12,2) COMMENT '订单金额',
  user_id BIGINT COMMENT '用户编号'
);

-- 创建订单表 t_order1
CREATE TABLE IF NOT EXISTS t_order1 (
  id BIGINT PRIMARY KEY,
  order_no VARCHAR(30) COMMENT '订单号',
  amount DECIMAL(12,2) COMMENT '订单金额',
  user_id BIGINT COMMENT '用户编号'
);

6.6 水平分片配置

databaseName: sharding_db
dataSources:
  server_order0:
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:63310/order_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456
    connectionTimeoutMilliseconds: 30000
    idleTimeoutMilliseconds: 60000
    maxLifetimeMilliseconds: 1800000
    maxPoolSize: 50
    minPoolSize: 1
  server_order1:
    url: jdbc:mysql://YOUR_IP_ADDRESS:63311/order_db?characterEncoding=utf8&serverTimezone=Asia/Shanghai&allowPublicKeyRetrieval=true&useSSL=false
    username: root
    password: 123456
    connectionTimeoutMilliseconds: 30000
    idleTimeoutMilliseconds: 60000
    maxLifetimeMilliseconds: 1800000
    maxPoolSize: 50
    minPoolSize: 1
rules:
  - !SHARDING
    tables:
      t_order:
        actualDataNodes: server_order${0..1}.t_order${0..1}
    databaseStrategy:
      # 分库策略
      standard:
        shardingColumn: user_id

6.7 启动 ShardingSphere

# 启动容器
docker start ss-proxy
# 查看容器是否启动成功
docker ps
# 连接 ShardingSphere
mysql -h 127.0.0.1 -P 3307 -u root -p

6.8 测试

# 进入容器
docker exec -it ss-proxy env LANG=C.UTF-8 /bin/bash
# 查看 ShardingSphere 的实时日志，以实际目录和文件名为准
tail -f /opt/shardingsphere-proxy/logs/shardingsphere.log

-- 路由到 server-order1
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (1,'BIT001',1,20.00);
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (2,'BIT002',1,20.00);
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (3,'BIT003',1,20.00);
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (4,'BIT004',1,20.00);

-- 路由到 server-order0
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (1,'BIT001',2,20.00);
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (2,'BIT002',2,20.00);
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (3,'BIT003',2,20.00);
INSERT INTO t_order (id, order_no, user_id, amount) VALUES (4,'BIT004',2,20.00);

-- 验证数据分布
SELECT   t_order;

至此，基于 ShardingSphere 的水平分片读写测试完成。

深入解析 MySQL：基于 Apache ShardingSphere 的高性能架构详解