垂直分库针对的是一个系统中的不同业务进行拆分,比如用户一个库,商品一个库,订单一个库。一个购物网站对外提供服务时,会同时对用户、商品、订单表进行操作。没拆分之前, 全部都是落到单一的库上的,这会让数据库的单库处理能力成为瓶颈。如果垂直分库后还是将用户、商品、订单放到同一个服务器上,只是分到了不同的库,这样虽然会减少单库的压力,但是随着用户量增大,这会让整个数据库的处理能力成为瓶颈,还有单个服务器的磁盘空间、内存也会受非常大的影响。所以我们要将其拆分到多个服务器上，这样上面的问题都解决了，以后也不会面对单机资源问题。这种做法与”微服务治理”的做法相似，每个微服务使用单独的一个数据库。

【MySQL】MySQL分库分表详解[通俗易懂]

3.2 垂直分表

也就是“大表拆小表”，基于列字段进行的。一般是表中的字段较多，将不常用的，数据较大，长度较长（比如text类型字段）的字段数据拆分到“扩展表“。一般是针对那种几百列的大表，也避免查询时，数据量太大造成的“跨页”问题。MySQL底层是通过数据页存储的，一条记录占用空间过大会导致跨页（页溢出），造成额外的性能开销（IO操作变多）。另外数据库以页为单位将数据加载到内存中，而页中存储的是行数据，页大小固定，一行数据占用空间越小，页中存储的行数据就越多。这样表中字段长度较短且访问频率较高，内存能加载更多的数据，内存命中率更高，减少了磁盘IO，从而提升了数据库性能。

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3.3 垂直拆分的优缺点

优点：

解决业务系统层面的耦合，业务清晰
与微服务的治理类似，也能对不同业务的数据进行分级管理、维护、监控、扩展等
高并发场景下，垂直切分一定程度的提升IO、数据库连接数、单机硬件资源的瓶颈

缺点：

部分表无法join，只能通过接口聚合方式解决，提升了开发的复杂度
单机的ACID被打破，需要引入分布式事务，而分布式事务处理复杂
依然存在单表数据量过大的问题（需要水平切分）
靠外键去进行约束的场景会受到影响

四、水平拆分

当一个应用难以再细粒度的垂直切分，或切分后数据量行数巨大，存在单库读写、存储性能瓶颈，这时候就需要进行水平切分了。

水平切分分为库内分表和分库分表，是根据表内数据内在的逻辑关系，将同一个表按不同的条件分散到多个数据库或多个表中，每个表中只包含一部分数据，从而使得单个表的数据量变小，达到分布式的效果。如图所示：

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4.1 水平分表

和垂直分表有一点类似,不过垂直分表是基于列的,而水平分表是基于全表的。水平拆分可以大大减少单表数据量,提升查询效率。这里的水平分表指的是在一个数据库进行的库内分表。

库内分表只解决了单一表数据量过大的问题，但没有将表分布到不同机器的库上，因此对于减轻MySQL数据库的压力来说，帮助不是很大，大家还是竞争同一个物理机的CPU、内存、网络IO，最好通过分库分表来解决。

4.2 水平分库分表

将单张表的数据切分到多个服务器上去，每个服务器具有相同的库与表，只是表中数据集合不同。水平分库分表能够有效的缓解单机和单库的性能瓶颈和压力，突破IO、连接数、硬件资源等的瓶颈。

4.3 水平拆分的优缺点

优点：

不存在单库数据量过大、高并发的性能瓶颈，提升系统稳定性和负载能力
应用端改造较小，不需要拆分业务模块

缺点：

ACID被打破，跨分片的事务一致性难以保证
跨库的join关联查询性能较差
数据多次扩展难度和维护量极大
靠外键去进行约束的场景会受到影响
依赖单库的自增ID会受到影响

五、几种常用的分库分表的策略

5.1 根据数值范围

按照时间区间或ID区间来切分。例如：按日期将不同月甚至是日的数据分散到不同的库中；将userId为1~9999的记录分到第一个库，10000~20000的分到第二个库，以此类推。某种意义上，某些系统中使用的“冷热数据分离“，将一些使用较少的历史数据迁移到其他库中，业务功能上只提供热点数据的查询，也是类似的实践。

这样的优点在于：

单表大小可控
天然便于水平扩展，后期如果想对整个分片集群扩容时，只需要添加节点即可，无需对其他分片的数据进行迁移
使用分片字段进行范围查找时，连续分片可快速定位分片进行快速查询，有效避免跨分片查询的问题。

缺点：

热点数据成为性能瓶颈。连续分片可能存在数据热点，例如按时间字段分片，有些分片存储最近时间段内的数据，可能会被频繁的读写，而有些分片存储的历史数据，则很少被查询

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5.2 根据数值取模

一般采用hash取模mod的切分方式，例如：将 Customer 表根据 cusno 字段切分到4个库中，余数为0的放到第一个库，余数为1的放到第二个库，以此类推。这样同一个用户的数据会分散到同一个库中，如果查询条件带有cusno字段，则可明确定位到相应库去查询。再比如说有用户表user,将其分成3个表user0,user1,user2.路由规则是对3取模,当uid=1时,对应到的是user1,uid=2时,对应的是user2.

优点：

数据分片相对比较均匀，不容易出现热点和并发访问的瓶颈

缺点：

后期分片集群扩容时，需要迁移旧的数据（使用一致性hash算法能较好的避免这个问题），否则会导致历史数据失效。
容易面临跨分片查询的复杂问题。比如上例中，如果频繁用到的查询条件中不带cusno时，将会导致无法定位数据库，从而需要同时向4个库发起查询，再在内存中合并数据，取最小集返回给应用，分库反而成为拖累。

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5.3 根据地理位置

根据地理位置，将相同地区的放到一张表中，比如华南区一个表,华北一个表。

六、分库分表后带来的问题

分库分表能有效的缓解单机和单库带来的性能瓶颈和压力，突破网络IO、硬件资源、连接数的瓶颈，同时也带来了一些问题。下面将描述这些技术挑战以及对应的解决思路。

6.1 事务一致性问题

6.1.1 分布式事务

当更新内容同时分布在不同库中，不可避免会带来跨库事务问题。跨分片事务也是分布式事务，没有简单的方案，一般可使用“XA协议“和“两阶段提交“处理。

分布式事务的几种解决方案：

使用分布式事务中间件
使用MySQL自带的针对跨库的事务一致性方案(XA),不过性能要比单库的慢10倍左右。
能否避免掉跨库操作(比如将用户和商品放在同一个库中)

分布式事务能最大限度保证了数据库操作的原子性。但在提交事务时需要协调多个节点，推后了提交事务的时间点，延长了事务的执行时间。导致事务在访问共享资源时发生冲突或死锁的概率增高。随着数据库节点的增多，这种趋势会越来越严重，从而成为系统在数据库层面上水平扩展的枷锁。

6.1.2 最终一致性

对于那些性能要求很高，但对一致性要求不高的系统，往往不苛求系统的实时一致性，只要在允许的时间段内达到最终一致性即可，可采用事务补偿的方式。与事务在执行中发生错误后立即回滚的方式不同，事务补偿是一种事后检查补救的措施，一些常见的实现方法有：对数据进行对账检查，基于日志进行对比，定期同标准数据来源进行同步等等。事务补偿还要结合业务系统来考虑。

6.2 跨节点关联查询 join 问题

切分之前，系统中很多列表和详情页所需的数据可以通过sql join来完成。而切分之后，数据可能分布在不同的节点上，此时join带来的问题就比较麻烦了，考虑到性能，尽量避免使用join查询。

解决这个问题的一些方法：

6.2.1 全局表

全局表，也可看做是“数据字典表“，就是系统中所有模块都可能依赖的一些表，为了避免跨库join查询，可以将这类表在每个数据库中都保存一份。这些数据通常很少会进行修改，所以也不担心一致性的问题。

6.2.2 字段冗余

一种典型的反范式设计，利用空间换时间，为了性能而避免join查询。例如：订单表保存userId时候，也将userName冗余保存一份，这样查询订单详情时就不需要再去查询“买家user表“了。

但这种方法适用场景也有限，比较适用于依赖字段比较少的情况。而冗余字段的数据一致性也较难保证，就像上面订单表的例子，买家修改了userName后，是否需要在历史订单中同步更新呢？这也要结合实际业务场景进行考虑。

6.2.3 数据组装

在系统层面，分两次查询，第一次查询的结果集中找出关联数据id，然后根据id发起第二次请求得到关联数据。最后将获得到的数据进行字段拼装。

6.2.4 ER分片

关系型数据库中，如果可以先确定表之间的关联关系，并将那些存在关联关系的表记录存放在同一个分片上，那么就能较好的避免跨分片join问题。在1:1或1:n的情况下，通常按照主表的ID主键切分。如下图所示：

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这样一来，Data Node1上面的order订单表与orderdetail订单详情表就可以通过orderId进行局部的关联查询了，Data Node2上也一样。

6.3 跨节点分页、排序、函数问题

跨节点多库进行查询时，会出现limit分页、order by排序等问题。分页需要按照指定字段进行排序，当排序字段就是分片字段时，通过分片规则就比较容易定位到指定的分片；当排序字段非分片字段时，就变得比较复杂了。需要先在不同的分片节点中将数据进行排序并返回，然后将不同分片返回的结果集进行汇总和再次排序，最终返回给用户。如图所示：

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上图中只是取第一页的数据，对性能影响还不是很大。但是如果取得页数很大，情况则变得复杂很多，因为各分片节点中的数据可能是随机的，为了排序的准确性，需要将所有节点的前N页数据都排序好做合并，最后再进行整体的排序，这样的操作时很耗费CPU和内存资源的，所以页数越大，系统的性能也会越差。

在使用Max、Min、Sum、Count之类的函数进行计算的时候，也需要先在每个分片上执行相应的函数，然后将各个分片的结果集进行汇总和再次计算，最终将结果返回。如图所示：

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总之，因为我们是将数据分散存储到不同的库、表里的,当我们查询指定数据列表时,数据来源于不同的子库或者子表,就必然会引发结果集合并、排序的问题。如果每次查询都需要排序、合并等操作,性能肯定会受非常大的影响。走缓存是一种解决方案。

6.4 全局主键避重问题

在分库分表环境中，由于表中数据同时存在不同数据库中，主键值平时使用的自增长将无用武之地，某个分区数据库自生成的ID无法保证全局唯一。因此需要单独设计全局主键，以避免跨库主键重复问题。有一些常见的主键生成策略：

6.4.1 UUID

UUID标准形式包含32个16进制数字，分为5段，形式为8-4-4-4-12的36个字符，例如：550e8400-e29b-41d4-a716-446655440000

UUID是主键是最简单的方案，本地生成，性能高，没有网络耗时。但缺点也很明显，由于UUID非常长，会占用大量的存储空间；另外，作为主键建立索引和基于索引进行查询时都会存在性能问题，在InnoDB下，UUID的无序性会引起数据位置频繁变动。

6.4.2 结合数据库维护主键ID表

在数据库中建立 sequence 表：


CREATE TABLE `sequence` ( 
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL auto_increment, 
  `stub` char(1) NOT NULL default '', 
  PRIMARY KEY  (`id`), 
  UNIQUE KEY `stub` (`stub`) 
) ENGINE=MyISAM;

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stub字段设置为唯一索引，同一stub值在sequence表中只有一条记录，可以同时为多张表生成全局ID。sequence表的内容，如下所示：


+-------------------+------+  
| id                | stub | 
+-------------------+------+  
| 72157623227190423 |    a | 
+-------------------+------+

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使用 MyISAM 存储引擎而不是 InnoDB，以获取更高的性能。MyISAM使用的是表级别的锁，对表的读写是串行的，所以不用担心在并发时两次读取同一个ID值。

当需要全局唯一的64位ID时，执行：


REPLACE INTO sequence (stub) VALUES ('a');  
SELECT LAST_INSERT_ID();

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这两条语句是Connection级别的，select last_insert_id() 必须与 replace into 在同一数据库连接下才能得到刚刚插入的新ID。

使用replace into代替insert into好处是避免了表行数过大，不需要另外定期清理。

此方案较为简单，但缺点也明显：存在单点问题，强依赖DB，当DB异常时，整个系统都不可用。配置主从可以增加可用性，但当主库挂了，主从切换时，数据一致性在特殊情况下难以保证。另外性能瓶颈限制在单台MySQL的读写性能。

flickr团队使用的一种主键生成策略，与上面的sequence表方案类似，但更好的解决了单点和性能瓶颈的问题。

这一方案的整体思想是：建立2个以上的全局ID生成的服务器，每个服务器上只部署一个数据库，每个库有一张sequence表用于记录当前全局ID。表中ID增长的步长是库的数量，起始值依次错开，这样能将ID的生成散列到各个数据库上。如下图所示：

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由两个数据库服务器生成ID，设置不同的auto_increment值。第一台sequence的起始值为1，每次步长增长2，另一台的sequence起始值为2，每次步长增长也是2。结果第一台生成的ID都是奇数（1, 3, 5, 7 …），第二台生成的ID都是偶数（2, 4, 6, 8 …）。

这种方案将生成ID的压力均匀分布在两台机器上。同时提供了系统容错，第一台出现了错误，可以自动切换到第二台机器上获取ID。但有以下几个缺点：系统添加机器，水平扩展时较复杂；每次获取ID都要读写一次DB，DB的压力还是很大，只能靠堆机器来提升性能。

可以基于flickr的方案继续优化，使用批量的方式降低数据库的写压力，每次获取一段区间的ID号段，用完之后再去数据库获取，可以大大减轻数据库的压力。如下图所示：

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还是使用两台DB保证可用性，数据库中只存储当前的最大ID。ID生成服务每次批量拉取6个ID，先将max_id修改为5，当应用访问ID生成服务时，就不需要访问数据库，从号段缓存中依次派发0~5的ID。当这些ID发完后，再将max_id修改为11，下次就能派发6~11的ID。于是，数据库的压力降低为原来的1/6。

6.4.3 Snowflake分布式自增ID算法

Twitter的snowflake算法解决了分布式系统生成全局ID的需求，生成64位的Long型数字，组成部分：

第一位未使用
接下来41位是毫秒级时间，41位的长度可以表示69年的时间
5位datacenterId，5位workerId。10位的长度最多支持部署1024个节点
最后12位是毫秒内的计数，12位的计数顺序号支持每个节点每毫秒产生4096个ID序列

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这样的好处是：毫秒数在高位，生成的ID整体上按时间趋势递增；不依赖第三方系统，稳定性和效率较高，理论上QPS约为409.6w/s（1000*2^12），并且整个分布式系统内不会产生ID碰撞；可根据自身业务灵活分配bit位。

不足就在于：强依赖机器时钟，如果时钟回拨，则可能导致生成ID重复。

综上

结合数据库和snowflake的唯一ID方案，可以参考业界较为成熟的解法：Leaf——美团点评分布式ID生成系统，并考虑到了高可用、容灾、分布式下时钟等问题。

6.5 数据迁移、扩容问题

当业务高速发展，面临性能和存储的瓶颈时，才会考虑分片设计，此时就不可避免的需要考虑历史数据迁移的问题。一般做法是先读出历史数据，然后按指定的分片规则再将数据写入到各个分片节点中。此外还需要根据当前的数据量和QPS，以及业务发展的速度，进行容量规划，推算出大概需要多少分片（一般建议单个分片上的单表数据量不超过1000W）

如果采用数值范围分片，只需要添加节点就可以进行扩容了，不需要对分片数据迁移。如果采用的是数值取模分片，针对数据量的递增,可能需要动态的增加表，此时因为reHash有可能导致数据迁移问题，则考虑后期的扩容问题就相对比较麻烦。

6.6 外键约束问题

外键约束问题比较难解决，不能完全依赖数据库本身来完成之前的功能。如果需要对分库后的单表做外键约束，就需要分库后每个单库的数据是内聚的，否则就只能靠应用层的判断，容错方式了。

七. 什么时候考虑切分

下面讲述一下什么时候需要考虑做数据切分。

7.1 能不切分尽量不要切分

并不是所有表都需要进行切分，主要还是看数据的增长速度。切分后会在某种程度上提升业务的复杂度，数据库除了承载数据的存储和查询外，协助业务更好的实现需求也是其重要工作之一。

不到万不得已不用轻易使用分库分表这个大招，避免“过度设计“和“过早优化“。分库分表之前，不要为分而分，先尽力去做力所能及的事情，例如：升级硬件、升级网络、读写分离、索引优化等等。当数据量达到单表的瓶颈时候，再考虑分库分表。

7.2 数据量过大，正常运维影响业务访问

这里说的运维，指：

对数据库备份，如果单表太大，备份时需要大量的磁盘IO和网络IO。例如1T的数据，网络传输占50MB时候，需要20000秒才能传输完毕，整个过程的风险都是比较高的
对一个很大的表进行DDL修改时，MySQL会锁住全表，这个时间会很长，这段时间业务不能访问此表，影响很大。如果使用pt-online-schema-change，使用过程中会创建触发器和影子表，也需要很长的时间。在此操作过程中，都算为风险时间。将数据表拆分，总量减少，有助于降低这个风险。
大表会经常访问与更新，就更有可能出现锁等待。将数据切分，用空间换时间，变相降低访问压力

7.3 随着业务发展，需要对某些字段垂直拆分

举个例子，假如项目一开始设计的用户表如下：


id                   bigint             #用户的ID
name                 varchar            #用户的名字
last_login_time      datetime           #最近登录时间
personal_info        text               #私人信息
.....                                   #其他信息字段

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在项目初始阶段，这种设计是满足简单的业务需求的，也方便快速迭代开发。而当业务快速发展时，用户量从10w激增到10亿，用户非常的活跃，每次登录会更新 last_login_name 字段，使得 user 表被不断update，压力很大。而其他字段：id, name, personal_info 是不变的或很少更新的，此时在业务角度，就要将 last_login_time 拆分出去，新建一个 user_time 表。

personal_info 属性是更新和查询频率较低的，并且text字段占据了太多的空间。这时候，就要对此垂直拆分出 user_ext 表了。

7.4 数据量快速增长

随着业务的快速发展，单表中的数据量会持续增长，当性能接近瓶颈时，就需要考虑水平切分，做分库分表了。此时一定要选择合适的切分规则，提前预估好数据容量

7.5 安全性和可用性

鸡蛋不要放在一个篮子里。在业务层面上垂直切分，将不相关的业务的数据库分隔，因为每个业务的数据量、访问量都不同，不能因为一个业务把数据库搞挂而牵连到其他业务。利用垂直切分，一个数据库出现问题，只会影响到部分业务，不会使所有的业务都瘫痪。利用水平切分，当一个数据库出现问题时，不会影响到100%的用户，每个库只承担业务的一部分数据，这样整体的可用性就能提高。

八、案例分析

8.1 用户中心业务场景

用户中心是一个非常常见的业务，主要提供用户注册、登录、查询/修改等功能，其核心表为：


User(uid, login_name, passwd, sex, age, nickname)
uid为用户ID,  主键
login_name, passwd, sex, age, nickname,  用户属性

复制

任何脱离业务的架构设计都是耍流氓，在进行分库分表前，需要对业务场景需求进行梳理：

用户侧：前台访问，访问量较大，需要保证高可用和高一致性。主要有两类需求：
- 用户登录：通过login_name/phone/email查询用户信息，1%请求属于这种类型
- 用户信息查询：登录之后，通过uid来查询用户信息，99%请求属这种类型
运营侧：后台访问，支持运营需求，按照年龄、性别、登陆时间、注册时间等进行分页的查询。是内部系统，访问量较低，对可用性、一致性的要求不高。

8.2 水平切分方法

当数据量越来越大时，需要对数据库进行水平切分，上文描述的切分方法有”根据数值范围”和”根据数值取模”。

“根据数值范围“：以主键uid为划分依据，按uid的范围将数据水平切分到多个数据库上。例如：user-db1存储uid范围为0~1000w的数据，user-db2存储uid范围为1000w~2000wuid数据。

优点是：扩容简单，如果容量不够，只要增加新db即可。
不足是：请求量不均匀，一般新注册的用户活跃度会比较高，所以新的user-db2会比user-db1负载高，导致服务器利用率不平衡

“根据数值取模“：也是以主键uid为划分依据，按uid取模的值将数据水平切分到多个数据库上。例如：user-db1存储uid取模得1的数据，user-db2存储uid取模得0的uid数据。

优点是：数据量和请求量分布均均匀
不足是：扩容麻烦，当容量不够时，新增加db，需要rehash。需要考虑对数据进行平滑的迁移。

8.3 非uid的查询方法

水平切分后，对于按uid查询的需求能很好的满足，可以直接路由到具体数据库。而按非uid的查询，例如login_name，就不知道具体该访问哪个库了，此时需要遍历所有库，性能会降低很多。

对于用户侧，可以采用“建立非uid属性到uid的映射关系“的方案；对于运营侧，可以采用“前台与后台分离“的方案。

8.3.1 建立非uid属性到uid的映射关系

1）映射关系

例如：login_name不能直接定位到数据库，可以建立login_name→uid的映射关系，用索引表或缓存来存储。当访问login_name时，先通过映射表查询出login_name对应的uid，再通过uid定位到具体的库。

映射表只有两列，可以承载很多数据，当数据量过大时，也可以对映射表再做水平切分。这类kv格式的索引结构，可以很好的使用cache来优化查询性能，而且映射关系不会频繁变更，缓存命中率会很高。

2）基因法

分库基因：假如通过uid分库，分为8个库，采用uid%8的方式进行路由，此时是由uid的最后3bit来决定这行User数据具体落到哪个库上，那么这3bit可以看为分库基因。

上面的映射关系的方法需要额外存储映射表，按非uid字段查询时，还需要多一次数据库或cache的访问。如果想要消除多余的存储和查询，可以通过f函数取login_name的基因作为uid的分库基因。生成uid时，参考上文所述的分布式唯一ID生成方案，再加上最后3位bit值=f(login_name)。当查询login_name时，只需计算f(login_name)%8的值，就可以定位到具体的库。不过这样需要提前做好容量规划，预估未来几年的数据量需要分多少库，要预留一定bit的分库基因。

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8.3.2 前台与后台分离

对于用户侧，主要需求是以单行查询为主，需要建立login_name/phone/email到uid的映射关系，可以解决这些字段的查询问题。

而对于运营侧，很多批量分页且条件多样的查询，这类查询计算量大，返回数据量大，对数据库的性能消耗较高。此时，如果和用户侧公用同一批服务或数据库，可能因为后台的少量请求，占用大量数据库资源，而导致用户侧访问性能降低或超时。

这类业务最好采用“前台与后台分离“的方案，运营侧后台业务抽取独立的service和db，解决和前台业务系统的耦合。由于运营侧对可用性、一致性的要求不高，可以不访问实时库，而是通过binlog异步同步数据到运营库进行访问。在数据量很大的情况下，还可以使用ES搜索引擎或Hive来满足后台复杂的查询方式。

九、使用分库分表中间件

站在巨人的肩膀上能省力很多，目前分库分表已经有一些较为成熟的开源解决方案：

简单介绍其中的两个中简介：

Mycat

Mycat发展到现在，适用的场景已经很丰富，而且不断有新用户给出新的创新性的方案，以下是几个典型的应用场景：

单纯的读写分离，此时配置最为简单，支持读写分离，主从切换
分库分表，对于超过1000万的表进行分片，最大支持1000亿的单表分片
多租户应用，每个应用一个库，但应用程序只连接Mycat，从而不改造程序本身，实现多租户化报表系统，借助于Mycat的分表能力，处理大规模报表的统计
替代Hbase，分析大数据作为海量数据实时查询的一种简单有效方案，比如100亿条频繁查询的记录需要在3秒内查询出来结果，除了基于主键的查询，还可能存在范围查询或其他属性查询，此时Mycat可能是最简单有效的选择.

Sharding-JDBC

当当网开发的简单易用、轻量级的中间件。

一些分库分表中间件的简介图：

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