開源 2 年、打磨 13 年、300 萬行程式碼的開源專案

削微寒發表於2023-11-01

從刻在獸骨上的甲骨文，再到寫在紙上的漢字，每一次資訊載體的變更都是文化進步的重要標誌。在如今這個資訊數字化的時代，我們在享受著數字化便利的同時，資料也在我們看不見的地方飛速增長著，資料的重要性不言而喻。那應該如何將海量資料完整、有序、持久化地儲存下來呢？

程式設計師小夥伴看到這裡應該猜到了我們的今天的主角，沒錯就是「資料庫」。

一、分散式資料庫

程式設計師熟知的單體資料庫如 MySQL、Oracle 在二十世紀末誕生並大行其道，直到 2010 年左右移動網際網路爆發，席捲而來的海量資料，讓單體資料庫面臨了前所未有的挑戰，這也讓資料庫迎來了百花齊放的時代。

為了解決海量資料儲存的問題，程式設計師們做了諸多嘗試，比如堆機器配置、利用分庫分表配合中介軟體實現分散式架構等，卻發現治標不治本、換湯不換藥，只是延長了問題出現的週期，還引發了維護成本高、上手難度大等問題。因此，新型分散式資料庫應運而生，它基於分散式原理把資料處理和儲存分到多臺普通機器上處理，從根本上解決了單體資料庫儲存海量資料的瓶頸和效能問題，並最佳化了傳統分散式資料庫的資料一致性問題。

分散式資料庫雖然能解決資料量瓶頸的問題，但換資料庫是個類似動心臟的大手術，不僅風險極大而且“勞民傷財”。那有沒有一款開源分散式資料庫不僅可以處理海量資料，而且換起來比較輕鬆呢？

二、OceanBase

今天 HelloGitHub 就給大家介紹一款可以解決上述問題的開源分散式資料庫——OceanBase，它從出生那天起就是為了搞定資料庫成本、效能的相關痛點。

OceanBase 是一款從螞蟻集團走出來的完全自主研發、高度相容 Oracle 和 MySQL 的原生分散式資料庫。它於 2021 年開源，具有金融級高可用、水平擴充套件、分散式事務、省錢(儲存成本低)、易遷移等特性，具備機房和城市級別的高可用和容災的功能（RPO=0，RTO<8s），支援混合事務和分析（可處理線上資料和離線大資料分析），還可以單機部署使用（單機分散式一體化架構）。

GitHub 地址：https://github.com/oceanbase/oceanbase

資料庫作為最核心的基礎服務之一，必須要做到穩定、可靠，沒有人會把重要的資料交到一個初出茅廬的“毛頭小子”手裡。這點在 OceanBase 完全不用擔心，因為它已年滿“13 歲”，同時憑藉高效能、高可用、低成本、無限擴充套件和服務永遠線上的特點，連續 10 年穩定支撐「天貓雙 11 」，併成為金融、水利水電、運輸、通訊、政企等行業諸多企業核心系統的資料底座。

這份“履歷”看下來，是不是感覺 OceanBase 挺高大上、上手門檻一定很高對不對？不不不，OceanBase 社群提供了詳細的中文文件、有問必答的板塊、從入門到進階的免費課程、獎勵豐厚的比賽等，不管你是資料庫小白還是大牛，都能給你安排地明明白白！

既然已經看到這裡了，相請不如偶遇，下面就和 HelloGitHub 一起從最簡單的安裝 OceanBase 開始，走近這款目標是“星辰大海”的開源分散式資料庫！

三、快速上手

看了這麼多是不是都手癢了？那就一起來上手體驗下吧！(這部分很短、很快)

3.1 一鍵安裝

下載 all-in-one 一鍵安裝指令碼（需要聯網）並執行成功後，你就能立馬得到一個 OceanBase 資料庫例項。

# 下載
bash -c "$(curl -s https://obbusiness-private.oss-cn-shanghai.aliyuncs.com/download-center/opensource/oceanbase-all-in-one/installer.sh)"

# 執行
source ~/.oceanbase-all-in-one/bin/env.sh && obd demo

這裡介紹的方法為本地體驗使用，部署 OceanBase 叢集可執行 obd web 命令，然後開啟瀏覽器進入「安裝部署嚮導」完成部署。

[admin@test001 ~]$ obd web
start OBD WEB in 0.0.0.0:8680
please open http://172.xx.xxx.233:8680

3.2 Docker 啟動

下面介紹一下，如何透過 Docker 快速啟動 OceanBase。

# 1.部署一個 mini 模式例項
docker run -p 2881:2881 --name oceanbase-ce -e MINI_MODE=1 -d oceanbase/oceanbase-ce
# 2. 連線 OceanBase
docker exec -it oceanbase-ce ob-mysql sys # 連線 root 使用者 sys 租戶

login as root@sys
Command is: obclient -h127.1 -uroot@sys -A -Doceanbase -P2881
Welcome to the OceanBase.  Commands end with ; or \g.
Your OceanBase connection id is 3221487727
Server version: OceanBase_CE 4.1.0.0 (r100000192023032010-0265dfc6d00ff4f0ff4ad2710504a18962abaef6) (Built Mar 20 2023 10:12:57)

Copyright (c) 2000, 2018, OceanBase and/or its affiliates. All rights reserved.

Type 'help;' or '\h' for help. Type '\c' to clear the current input statement.

obclient [oceanbase]>

至此，我們已成功進入 OceanBase 命令列，可以寫 SQL 啦！但寫幾條 SQL 演示我感覺沒啥意思，下面我打算深入 OceanBase 底層介紹下它的核心技術。

四、核心技術

OceanBase 採用 C++ 語言編寫，下面這段程式碼是 OceanBase 0.1（2010年）就定義的一個最基本的 C++ 列舉型別 ObObjtype，用來表述資料庫中儲存的數值型別。

如今 OceanBase 已支援五十餘種數值型別，而這段依然“活著”的早期程式碼見證並體現了 OceanBase 十多年來的架構發展。

2021 年 OceanBase 將 300 萬行核心程式碼開源，供程式設計師們學習和共建。篇幅有限，這裡僅簡單地介紹下 OceanBase 的儲存引擎和事務引擎兩部分的核心技術，這兩點也是程式設計師在面試時，聊到資料庫經常會被問到的面試題。希望讀完這部分後，可以幫助你可以對資料庫底層技術有一個整體的瞭解，觸類旁通對資料庫底層技術產生興趣。

4.1 儲存引擎

目前，資料庫儲存引擎的兩大頂流資料結構是 B+ 樹（MySQL）和 LSM-Tree（HBase、RocksDB），OceanBase 的儲存引擎就是基於 LSM-Tree 構建的高壓縮引擎。

LSM-Tree（日誌結構合併樹）是一種分層、有序、面向磁碟的資料結構。它的核心思想是將記憶體中的增量資料（MemTable），逐層向磁碟上的靜態資料 SSTable 進行轉儲與合併，初衷是為了將小粒度的隨機寫聚合成大粒度的順序追加寫，從而減少機械磁碟懸臂的頻繁機械運動，提升 I/O 效率。

SSTable

SSTable 代表內部有序的磁碟檔案。資料按照 key 排序，可以使用二分搜尋的方式快速得到指定 key 的資料。磁碟上的 SSTable 被劃分為多個層級（Level），層級數字越低表示資料被寫入的時間越近，層級數字越大表示資料越舊。

MemTable

MemTable 是純記憶體狀態的資料結構。為了便於後續進行順序讀取生成磁碟上的 SSTable，一般採用排序樹（紅黑樹/AVL 樹）、SkipList 等這類有順序的資料結構。

結論

OceanBase 選用 LSM-Tree 是看中了其批次寫入具有更好的寫操作吞吐量，相較於 B+ 樹 SSTable 沒有定長塊限制，適合做解壓/壓縮，讀取速度更快。從而實現了 OceanBase 的高效能、資料壓縮帶來的儲存低成本和 OLAP（線上分析處理）的能力。

4.2 事務引擎

事務就是資料庫中一系列資料操作的集合，集合可能有大有小，但無論集合中有多少操作，要麼一起操作成功，要麼失敗一起回滾。無論集合中有多少操作，對於使用者來說，就是一個操作。

4.2.1 背景知識

事務的 ACID 屬性：

原子性（Atomicity）：事務是最小的執行單位，不允許分割。事務的原子性確保動作要麼全部完成，要麼完全不起作用。
一致性（Consistency）：確保從一個正確的狀態轉換到另外一個正確的狀態，這就是一致性。要麼事務成功，進入一個新的狀態，要麼事務回滾，回到過去穩定的狀態。
隔離性（Isolation）：併發訪問資料庫時，一個使用者的事務不被其他事務所干擾，各併發事務之間是獨立的。
永續性 (Durability)：一個事務被提交之後，對資料庫中資料的改變是持久的，即使資料庫發生故障，比如斷電當機，也不應該對其有任何影響。

由於一個事務包含多個操作，可能出現事務進行到一半發生故障的情況，此時資料庫會處於不一致的狀態。資料庫要恢復到一致性狀態，要麼撤銷已經執行的操作，恢復到事務執行前的狀態，要麼重做未完成的操作，恢復到事務執行後的狀態。要知道哪些操作需要撤銷、哪些操作需要重做，一般會用到一種技術「日誌」。

在資料庫設計中，將記錄撤銷操作的日誌稱為 undo log，將記錄重做操作的日誌稱為 redo log。

4.2.2 分散式事務

在分散式場景下，OceanBase 採用了兩階段提交、Paxos 協議等手段來保證事務正確執行。

上圖右邊是 OceanBase SQL 引擎執行過程，左邊是事務引擎執行過程。從上圖可以看到，為保證事務的一致性需要做很多事情，主要分為「事務執行」和「事務提交」兩部分，下面簡單介紹下 OceanBase 確保事務正確執行的三大核心技術。

1、redo 日誌

對於單個機器來說，OceanBase 資料庫透過 redo 日誌記錄了資料的修改，透過 WAL 機制在當機重啟之後恢復資料。保證事務一旦提交成功，事務資料就不會丟失。對於分散式叢集來說，OceanBase 資料庫透過 Paxos 協議將資料同步到多個副本，只要多數派副本存活事務資料就不會丟失。

2、版本號管理

為了支援資料讀寫不互斥，OceanBase 資料庫儲存了多個版本的資料。多版本一致性透過讀版本和資料版本來保證，每個成功提交的事務都會為資料增加一個版本，讀請求只能讀到小於等於讀取版本號的已提交資料，從而保證併發讀寫的一致性和效能。

3、兩階段提交（事務提交）

分散式系統中，事務操作的表或者分割槽可能分佈在不同機器上。OceanBase 資料庫採用兩階段提交協議保證事務的原子性，確保多個節點上的事務要麼都提交要麼都回滾。

結論

OceanBase 對事務的兩階段提交、版本號管理、redo 日誌，以及弱一致性讀進行了大量最佳化，在保證事務 ACID 的基礎上，大幅提升了分散式事務的併發效能。

如果看到這裡，勾起了你對分散式資料庫底層技術的“饞蟲”，可以去看看《OceanBase 資料庫原始碼解析》這本書“解饞”。

五、單機分散式一體化架構

可能很多開發者和我一樣都覺得分散式資料庫是“高不可攀”的存在，認為這個大傢伙安裝麻煩、配置要求高、需要多臺機器。

這裡就要表揚下 OceanBase 的“接地氣”了，它的單機分散式一體化架構，不僅能讓個人使用者在本地執行（可在 4C16G 的小型機執行），還能讓企業使用者實現“一次選擇終生受用”！

個人開發者可以輕鬆地在自己的膝上型電腦上把 OceanBase 跑起來！重點是，單機下的 OceanBase 效能和 MySQL 基本持平。

企業使用者可以實現“一次選擇終生受用”。在公司業務發展的初期，單機部署形態的資料庫完全可以滿足需求。因此，在業務初期資料量還很小的時候，提供一個儘可能低的啟動規格非常重要，而且 OceanBase 單機效能也不錯。而在業務高速增長期，OceanBase 良好的擴充套件性、彈性擴容和高效能，輕鬆應對不斷增加的使用者資料和效能需求，儘可能節省儲存和運維成本。

六、最後

對於企業而言 OceanBase 的金融級高可用、彈性擴容、高效能、降低成本的特性，能夠切實解決業務上的痛點。

水平擴充套件：支援業務快速的擴容縮容，同時透過準記憶體處理架構實現高效能。支援叢集節點超過數千個，單叢集最大資料量超過 3PB，最大單錶行數達萬億級。
高效能：TPC-C 記錄（7.07 億 tmpC）和 TPC-H 記錄（1526 萬 QphH @30000GB）。
高可用：支援同城/異地容災，可實現多地多活，滿足金融行業 6 級容災標準（RPO=0，RTO<8s），資料零丟失。
實時分析：基於“同一份資料，同一個引擎”，同時支援線上實時交易及實時分析兩種場景，“一份資料”的多個副本可以儲存成多種形態，從根本上保持資料一致性。
MySQL 強相容：高度相容 MySQL，提供自動遷移工具，支援遷移評估和反向同步以保障資料遷移安全。
低成本：基於 LSM-Tree 的高壓縮引擎，儲存成本相比 MySQL 降低 60%-90%；原生支援多租戶架構，一個 OceanBase 叢集可以建立多個 MySQL 例項，可為多個獨立業務提供服務，且租戶間資料隔離，降低部署和運維成本。

對於個人開發者來說，OceanBase 不僅開放了核心原始碼，而且 OceanBase 社群還提供了豐富的資料庫相關的中文資料和教程。這些都是學習資料庫非常好的材料。值得一提的是，OceanBase 有一套嚴格的程式碼准入流程，如果你的程式碼能合併進 300 萬行的開源專案，那絕對是一件值得自豪的事情！