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# 第二部分：分散式資料
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> 一個成功的技術，現實的優先順序必須高於公關，你可以糊弄別人，但糊弄不了自然規律。
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> ——羅傑斯委員會報告（1986）
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在本書的[第一部分](part-i.md)中，我們討論了資料系統的各個方面，但僅限於資料儲存在單臺機器上的情況。現在我們到了[第二部分](part-ii.md)，進入更高的層次，並提出一個問題：如果**多臺機器**參與資料的儲存和檢索，會發生什麼？
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你可能會出於各種各樣的原因，希望將資料庫分佈到多臺機器上：
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***可伸縮性***
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如果你的資料量、讀取負載、寫入負載超出單臺機器的處理能力，可以將負載分散到多臺計算機上。
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***容錯/高可用性***
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如果你的應用需要在單臺機器（或多臺機器，網路或整個資料中心）出現故障的情況下仍然能繼續工作，則可使用多臺機器，以提供冗餘。一臺故障時，另一臺可以接管。
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***延遲***
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如果在世界各地都有使用者，你也許會考慮在全球範圍部署多個伺服器，從而每個使用者可以從地理上最近的資料中心獲取服務，避免了等待網路資料包穿越半個世界。
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### 伸縮至更高的載荷
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如果你需要的只是伸縮至更高的**載荷（load）**，最簡單的方法就是購買更強大的機器（有時稱為**垂直伸縮（vertical scaling）**或**向上伸縮（scale up）**）。許多處理器，記憶體和磁碟可以在同一個作業系統下相互連線，快速的相互連線允許任意處理器訪問記憶體或磁碟的任意部分。在這種 **共享記憶體架構（shared-memory architecture）** 中，所有的元件都可以看作一臺單獨的機器[^i]。
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[^i]: 在大型機中，儘管任意處理器都可以訪問記憶體的任意部分，但總有一些記憶體區域與一些處理器更接近（稱為**非均勻記憶體訪問（nonuniform memory access, NUMA）**【1】）。 為了有效利用這種架構特性，需要對處理進行細分，以便每個處理器主要訪問臨近的記憶體，這意味著即使表面上看起來只有一臺機器在執行，**分割槽（partitioning）**仍然是必要的。
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共享記憶體方法的問題在於，成本增長速度快於線性增長：一臺有著雙倍處理器數量，雙倍記憶體大小，雙倍磁碟容量的機器，通常成本會遠遠超過原來的兩倍。而且可能因為存在瓶頸，並不足以處理雙倍的載荷。
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共享記憶體架構可以提供有限的容錯能力，高階機器可以使用熱插拔的元件（不關機更換磁碟，記憶體模組，甚至處理器）——但它必然囿於單個地理位置的桎梏。
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另一種方法是**共享磁碟架構（shared-disk architecture）**，它使用多臺具有獨立處理器和記憶體的機器，但將資料儲存在機器之間共享的磁碟陣列上，這些磁碟透過快速網路連線[^ii]。這種架構用於某些資料倉庫，但競爭和鎖定的開銷限制了共享磁碟方法的可伸縮性【2】。
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[^ii]: 網路附屬儲存（Network Attached Storage, NAS），或**儲存區網路（Storage Area Network, SAN）**
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#### 無共享架構
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相比之下，**無共享架構（shared-nothing architecture）**（有時稱為**水平伸縮（horizontal scale）** 或**向外伸縮（scale out）**）已經相當普及。在這種架構中，執行資料庫軟體的每臺機器/虛擬機器都稱為**節點（node）**。每個節點只使用各自的處理器，記憶體和磁碟。節點之間的任何協調，都是在軟體層面使用傳統網路實現的。
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無共享系統不需要使用特殊的硬體，所以你可以用任意機器——比如價效比最好的機器。你也許可以跨多個地理區域分佈資料從而減少使用者延遲，或者在損失一整個資料中心的情況下倖免於難。隨著雲端虛擬機器部署的出現，即使是小公司，現在無需Google級別的運維，也可以實現異地分散式架構。
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在這一部分裡，我們將重點放在無共享架構上。它不見得是所有場景的最佳選擇，但它是最需要你謹慎從事的架構。如果你的資料分佈在多個節點上，你需要意識到這樣一個分散式系統中約束和權衡 ——資料庫並不能魔術般地把這些東西隱藏起來。
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雖然分散式無共享架構有許多優點，但它通常也會給應用帶來額外的複雜度，有時也會限制你可用資料模型的表達力。在某些情況下，一個簡單的單執行緒程式可以比一個擁有超過100個CPU核的叢集表現得更好【4】。另一方面，無共享系統可以非常強大。接下來的幾章，將詳細討論分散式資料會帶來的問題。
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### 複製 vs 分割槽
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資料分佈在多個節點上有兩種常見的方式：
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***複製（Replication）***
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在幾個不同的節點上儲存資料的相同副本，可能放在不同的位置。 複製提供了冗餘：如果一些節點不可用，剩餘的節點仍然可以提供資料服務。 複製也有助於改善效能。 [第五章](ch5.md)將討論複製。
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***分割槽 (Partitioning)***
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將一個大型資料庫拆分成較小的子集（稱為**分割槽（partitions）**），從而不同的分割槽可以指派給不同的**節點（node）**（亦稱**分片（shard）**）。 [第六章](ch6.md)將討論分割槽。
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複製和分割槽是不同的機制，但它們經常同時使用。如[圖II-1](../img/figii-1.png)所示。
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**圖II-1 一個數據庫切分為兩個分割槽，每個分割槽都有兩個副本**
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理解了這些概念，就可以開始討論在分散式系統中需要做出的困難抉擇。[第七章](ch7.md)將討論**事務(Transaction)**，這對於瞭解資料系統中可能出現的各種問題，以及我們可以做些什麼很有幫助。[第八章](ch8.md)和[第九章](ch9.md)將討論分散式系統的根本侷限性。
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在本書的[第三部分](part-iii.md)中，將討論如何將多個（可能是分散式的）資料儲存整合為一個更大的系統，以滿足複雜的應用需求。 但首先，我們來聊聊分散式的資料。
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## 索引
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5. [複製](ch5.md)
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6. [分片](ch6.md)
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7. [事務](ch7.md)
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8. [分散式系統的麻煩](ch8.md)
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9. [一致性與共識](ch9.md)
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## 參考文獻
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1. Ulrich Drepper: “[What Every Programmer Should Know About Memory](https://people.freebsd.org/~lstewart/articles/cpumemory.pdf),” akka‐dia.org, November 21, 2007.
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2. Ben Stopford: “[Shared Nothing vs. Shared Disk Architectures: An Independent View](http://www.benstopford.com/2009/11/24/understanding-the-shared-nothing-architecture/),” benstopford.com, November 24, 2009.
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3. Michael Stonebraker: “[The Case for Shared Nothing](http://db.cs.berkeley.edu/papers/hpts85-nothing.pdf),” IEEE Database EngineeringBulletin, volume 9, number 1, pages 4–9, March 1986.
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4. Frank McSherry, Michael Isard, and Derek G. Murray: “[Scalability! But at What COST?](http://www.frankmcsherry.org/assets/COST.pdf),” at 15th USENIX Workshop on Hot Topics in Operating Systems (HotOS),May 2015.
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