MyCAT – Distributed database middleware based on MySQL

作者：禅与计算机程序设计艺术

1.简介

MyCAT是一个开源的分布式数据库中间件系统，基于MySQL数据库，由纯Java开发而成，其最初目的是为了解决MySQL单点问题、支持高并发场景下的海量数据访问等需求。 MyCAT作为一个开源项目，任何人都可以免费下载、安装、部署并且对其进行改进。其支持分布式架构，具备高可用特性，支持读写分离及负载均衡，同时通过一套完善的管理工具来监控和管理整个集群。

本文将介绍MyCAT的设计原理、系统架构以及高可用特性，并结合实践案例对MyCAT进行详细的介绍。

2.背景介绍

随着互联网业务的发展，网站用户数量越来越多，网站的负载量也在不断上升，传统的关系型数据库已无法承受如此大的并发访问，需要一些分布式数据库中间件系统来解决这个问题。

目前市面上的分布式数据库中间件系统有Hadoop、Cassandra、Redis等，它们都基于不同的数据存储技术，但目的都是为了解决海量数据的存储和查询问题。比如Hadoop用于分布式计算，Cassandra用于NoSQL数据存储，Redis用于缓存。这些系统存在共同的问题，那就是它们只能提供简单的查询功能，不能实现复杂的事务处理、数据分析等高级功能。另外，由于各自独特的存储机制和接口，它们之间难以互通，无法实现真正意义上的“跨平台”。

因此，业界提出了基于MySQL数据库之上的分布式数据库中间件系统的需求。MyCAT作为一种开源产品，完全兼容MySQL协议，因此可以在不修改源代码的前提下直接部署到现有的MySQL服务器上，方便应用程序快速迁移到分布式数据库中间件系统。而且，MyCAT提供了丰富的扩展插件，可以集成各种第三方组件，并通过插件形式支持各种应用场景，从而让MyCAT更加全面、灵活。

3.基本概念术语说明

3.1.分布式数据库中间件系统

分布式数据库中间件系统，简称为DDBMS，它是指将数据库中的数据存储和访问工作分布到多个节点上，形成一个独立的分布式系统，从而使得整个数据库系统具有更好的性能、可靠性和可伸缩性。

分布式数据库中间件系统通常由三大模块组成：连接池管理器（Connection Pool Manager）、路由管理器（Routing Manager）、分布式事务管理器（Distributed Transaction Coordinator）。连接池管理器主要用于连接管理、资源分配；路由管理器则用于数据的路由、调度；分布式事务管理器则用于保证数据的一致性和隔离性。

3.2.数据库集群

数据库集群是指一组数据库服务器按照一定规则组合起来的一个逻辑结构体。数据库集群通常由主库、从库或双向数据同步的两个节点组成。主库用于写入，由至少三个节点构成，一般采用半数以上节点的结构，包括物理服务器、虚拟机或容器等；从库用于读取，一般也有两三个节点，通常与主库放在不同的机房或区域。双向数据同步则是在两个节点之间进行实时同步，确保数据的一致性。

3.3.数据库节点

数据库节点即运行数据库软件的服务器或虚拟机，它是分布式数据库系统中最小的计算和存储单元。

每个数据库节点通常包含多个数据库实例，每一个实例对应于数据库的一个实际文件，它存储着该节点的所有数据。一个节点可同时服务多个客户端，它可通过网络连接到其他节点，提供更高的性能和可靠性。

3.4.分布式事务

分布式事务是指事务的参与者、支持事务的服务器、资源服务器以及事务管理器分别位于不同的分布式节点之上，因而能够以一种ACID的方式对一组操作提供强一致性。

分布式事务必须满足四个特性：原子性（Atomicity）、一致性（Consistency）、隔离性（Isolation）、持久性（Durability），简称ACID属性。要实现分布式事务，需要协调各个节点上的资源服务器，用分布式事务管理器确保数据的一致性和持久性。

3.5.X分片模式

X分片模式（Sharding Pattern）是将数据按照某种规则拆分为若干片段（Shard），分别存储在不同的节点上。这种模式的好处是增加了系统的可伸缩性，并且可以通过水平拓展来提升整体性能。

在X分片模式中，可以将数据根据分片键（Sharding Key）划分为若干片段，每个片段存放一部分数据。分片键通常是业务主键或者时间戳，这样可以将数据平均分散到不同的数据库实例或机器上。当需要查询某个范围内的数据时，只需将请求转发给相应的片段即可完成，降低了查询压力。

3.6.MyCAT

MyCAT是一个开源的分布式数据库中间件系统，主要用于解决MySQL单点问题、支持高并发场景下的海量数据访问等需求。它是一个纯Java开发的项目，没有使用任何中间件代理层，所有的请求都直接穿透到后端的MySQL数据库中执行。

MyCAT具有以下优点：

• 支持读写分离及负载均衡，在读写比例不高的情况下，降低主库的压力，提升吞吐量。
• 提供自动故障切换、主备容错、读写分离及负载均衡等功能，在出现节点故障或失效时，MyCAT可自动切换到正常节点继续提供服务，避免影响线上业务。
• 具备高可用特性，可部署多主节点，节点间的数据同步保证数据的一致性。
• 支持XA协议，确保分布式事务的ACID特性。
• 可以集成多种外部组件，例如Spark、HBase、MongoDB等，提升性能和易用性。

4.核心算法原理和具体操作步骤

4.1.主从模式的实现

MyCAT是分布式数据库中间件系统，它支持读写分离、负载均衡、主备容错等功能，因此其必然包含主从模式的概念。主从模式是一种常用的数据库架构，它将数据库服务器分为两类，主服务器负责处理写入请求，从服务器负责处理读取请求。

在主从模式下，主服务器处理所有写请求，从服务器仅用于查询和复制。当从服务器发生故障时，系统会自动把其中一个节点升级为新的主服务器。当主服务器发生故障时，系统会自动检测到主服务器失效，把其中一个从服务器升级为新的主服务器。

为了实现主从模式的功能，MyCAT采取两台物理服务器上的数据库节点为例。MyCAT的配置文件如下：

    server.1=192.168.0.1:8066:master1:mycat1:mysql://root:123456@localhost:3306/mytestdb?useServerPrepStmts=true\&rewriteBatchedStatements=true
    server.2=192.168.0.2:8066:slave1:mycat2:mysql://root:123456@localhost:3306/mytestdb?useServerPrepStmts=true\&rewriteBatchedStatements=true
    
      
    
    代码解读

配置中定义了两个节点，第一个节点指定为主服务器，第二个节点指定为从服务器。通过配置项的开头"server."指定每个节点的编号，编号后面的值依次表示节点IP地址、端口号、角色名、节点名称、数据库URL。其中，数据库URL部分指定了数据库类型为MySQL，用户名为root，密码为 ，数据库地址为localhost，端口号为3306，使用的数据库为mytestdb。

当启动MyCAT时，默认情况下，MyCAT节点都会先注册到Zookeeper注册中心，并自动选举出一台作为主服务器，另一台作为从服务器。

4.2.读写分离的实现

读写分离是指将数据操作请求分为读和写两种，读请求仅查询数据，不做更新；写请求既写入数据又会更新数据。在MyCAT系统中，读写分离的实现非常简单。

在配置文件中，通过设置"balance="参数的值为0，MyCAT节点才会启动负载均衡功能，并将读请求和写请求分别路由到不同的节点上。

    # 配置读写分离，开启负载均衡
    balance=0
    
      
    
    代码解读

当某个请求经过负载均衡之后，如果是读请求，MyCAT节点会选择其中一个从服务器作为数据源，然后将查询请求发送到从服务器上执行。如果是写请求，MyCAT节点会选择主服务器作为数据源，然后将写请求发送到主服务器上执行。

4.3.主备容错的实现

主备容错是指数据库服务器出现故障时的异常处理方式。通常有两种容错模式：一是允许一定的时间延迟，让系统保持正常状态；二是立即切除某一台数据库服务器，停止对外服务，待问题得到解决之后，再加入到系统中。

MyCAT使用两台物理服务器上的数据库节点为例，在其配置文件中，通过配置"heartbeat="参数来实现主备容错。

    # 配置主备容错，等待时间为180秒
    heartbeat=180
    
      
    
    代码解读

如果一段时间内，某一台数据库节点的心跳信息没有更新，MyCAT就会认为该节点出现故障，并将该节点上的读请求和写请求转移到另一台服务器上。同时，MyCAT还会自动清除掉故障节点，从系统中剔除出去。

4.4.分布式事务的实现

分布式事务是指事务的参与者、支持事务的服务器、资源服务器以及事务管理器分别位于不同的分布式节点之上，因而能够以一种ACID的方式对一组操作提供强一致性。

MyCAT实现了MySQL的XA协议，因此具备分布式事务的能力。对于一个分布式事务，MyCAT的处理过程如下：

1. 客户端向MyCat节点发送Begin语句，请求启动一个分布式事务。
2. MyCat节点收到Begin命令，首先向事务管理器注册一个全局事务id，并记录当前事务的唯一标识和事务状态。
3. 当事务管理器接收到注册请求成功消息后，MyCat节点向所有参与者发出准备消息，要求他们提交或回滚事务。
4. 参与者确认收到了准备消息，MyCat节点再向事务管理器发出提交或回滚请求。
5. 如果所有参与者都确认提交事务，事务管理器将通知所有参与者提交事务；否则，事务管理器将通知所有参与者回滚事务，并返回失败信息。
6. 如果参与者提交成功，事务管理器将通知所有参与者告知提交成功。
7. 所有参与者收到提交成功消息后，执行事务提交。如果其中一个参与者提交失败，事务管理器将通知所有参与者回滚事务。
8. 所有参与者确认提交或回滚成功，事务管理器发送通知消息，并结束分布式事务。
9. 如果在超时时间内，事务管理器没有收到所有参与者的确认消息，MyCat节点将终止分布式事务，并返回失败信息。

4.5.X分片模式的实现

X分片模式（Sharding Pattern）是将数据按照某种规则拆分为若干片段（Shard），分别存储在不同的节点上。这种模式的好处是增加了系统的可伸缩性，并且可以通过水平拓展来提升整体性能。

MyCat的X分片模式的实现比较简单，首先，在配置文件中，通过设置"schemas="参数，声明要分片的表的名称和分片列。

    # 配置分片表，shardkey为order_id
    schema=test:order_id
    
      
    
    代码解读

声明了分片表的名称为test，分片列为order_id。然后，在SQL语句中，在select和update等语句后添加hint关键字，明确指定使用哪个分片表。

    SELECT * FROM test WHERE order_id =? /*T(order_id)*/
    UPDATE test SET column = value where id =? /*T(test)*/
    DELETE FROM test WHERE order_id =? /*T(order_id)*/
    INSERT INTO test (column1, column2,...) VALUES (...) /*T(test)*/
    
      
      
      
    
    代码解读

其中，/T(table name) /为hint关键字，指定要使用的分片表。当一条SQL语句被发送到MyCat节点时，MyCat节点会解析hint关键字，找到对应的分片表，然后把该条SQL请求发送到对应的数据库节点上执行。

MyCat提供了一种直观的管理界面，便于管理和维护分片集群。管理员可以查看集群的状态、监控每个分片节点的健康状况，并动态地调整分片策略、增加或减少分片节点。

5.代码实例和解释说明

在代码示例中，我们可以看见如何插入、删除和更新数据，以及如何配置MyCat节点：

    // 插入数据
    String insertSql = "insert into my_table values (?,?,?)";
    PreparedStatement statement = connection.prepareStatement(insertSql);
    statement.setString(1, "a");
    statement.setInt(2, 1);
    statement.setDouble(3, 2.0);
    int count = statement.executeUpdate();
    
    // 删除数据
    String deleteSql = "delete from my_table where id=?";
    PreparedStatement statement = connection.prepareStatement(deleteSql);
    statement.setInt(1, 1);
    count = statement.executeUpdate();
    
    // 更新数据
    String updateSql = "update my_table set price=? where id=?";
    PreparedStatement statement = connection.prepareStatement(updateSql);
    statement.setDouble(1, 3.0);
    statement.setInt(2, 2);
    count = statement.executeUpdate();
    
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
      
    
    代码解读

配置文件示例如下：

    server.1=192.168.0.1:8066:master1:mycat1:mysql://root:123456@localhost:3306/mytestdb?useServerPrepStmts=true\&rewriteBatchedStatements=true
    server.2=192.168.0.2:8066:slave1:mycat2:mysql://root:123456@localhost:3306/mytestdb?useServerPrepStmts=true\&rewriteBatchedStatements=true
    
      
    
    代码解读

在这里，我们设置两个MyCat节点，第一个节点指定为主服务器，第二个节点指定为从服务器。

    # 开启读写分离，开启负载均衡
    balance=0
    # 配置主备容错，等待时间为180秒
    heartbeat=180
    
      
      
      
    
    代码解读

在这里，我们设置MyCat节点之间的读写分离及主备容错。

6.未来发展趋势与挑战

6.1.X分片模式的扩展

目前，MyCat的X分片模式只能实现简单的数据拆分，不能实现更复杂的规则拆分，例如按日期、地域、用户维度等。为实现更复杂的分片规则，MyCat提供了RangeShard、HashShard和TimeWindowShard等扩展。

6.2.MyCat的实时数据接入

当前，MyCat只能消费存储在MySQL中的静态数据，对于实时数据的接入，需要借助其他开源框架如Storm等。通过Storm等框架，MyCat可以消费Kafka或Flume等数据源，实时导入MySQL。

6.3.MyCat的性能优化

MyCat目前的性能仍然较弱，尤其在高并发情况下。因此，MyCat仍然需要进一步优化。

• 使用Java NIO替换传统BIO，提升网络请求处理速度。
• 优化数据库连接池管理器，减少内存消耗，提升系统稳定性。
• 优化SQL编译器，支持更多的高级功能，提升系统性能。
• 使用JIT编译器，优化MyCat内部代码，提升系统性能。

6.4.MyCat的其他功能

除了上面提到的几项功能，MyCat还提供了以下功能：

• SQL审核、SQL慢日志、数据库监控、异常统计、健康检查等管理工具。
• JDBC驱动，方便与非Java语言结合使用。
• RESTful API，支持HTTP调用API。
• ProxySQL适配插件，支持ProxySQL转发请求。