《MMO 服务器开发》9.3 分片与再均衡

数据涨上来以后一台库装不下,按什么键分片决定了以后能不能平滑扩容。本节对比按 player_id 哈希与按 server_id 范围两种分片键,用一致性哈希把再均衡的搬迁量压到最低,讲清扩分片时的双写、校验、切读三步,并给出「4 分片扩到 8 分片后数据无丢失、路由正确」的真跑断言。

9.3 分片与再均衡

9.1 把角色数据拆成了主表加扩展表,9.2 解决了这些表怎么安全地写。剩下的问题是容量:当全服角色数从几十万涨到几千万,一台 Postgres 再优化也装不下,必须分片——把数据按某个键切开,分散到多台库上。分片本身不难,难的是分片键怎么选和以后怎么加机器。

分片键的选择是单向门。选错了,轻则热点分片天天打爆,重则所有跨分片查询无法避免,性能原地打转;更糟的是扩容——如果分片规则是简单的 id % N,那么当 N 从 4 变成 8,几乎所有数据的落点都变了,你得把全库搬一遍。这一节要把这扇门推开:讲清两种主流分片键的取舍,用一致性哈希把扩容的搬迁量压到最低,再给出「双写 → 校验 → 切读」这套可回滚的搬迁流程,并真跑一遍 4 分片扩到 8 分片。

分片键怎么选:按 player_id 哈希 vs 按 server_id 范围

MMO 里最常被讨论的两种分片键,回答的是两个不同的问题:

分片键怎么分优点代价
按 server_id 范围一个服(或一段服号)落一个分片同服数据在一起,运营、备份、合服都按服操作;跨服查询少热门服会打爆单个分片;一个服无法拆开,扩容只能整服搬
按 player_id 哈希hash(player_id) 落到某个分片数据分布均匀,没有天然热点;单角色数据集中同服玩家被拆散,跨服查询要打多个分片

这里有一条硬约束:分片键必须出现在所有需要一起查询的表上。9.1 里 player / player_item / player_quest / player_attr 全部带 player_id,所以选 player_id 做分片键时,一个角色的所有行都落在同一分片,任何「加载某角色完整数据」的操作都只打一个分片。反过来,如果按 server_id 分片,而某张表只有 player_id 没有 server_id,那就得先查一次角色归属服才能定位分片,多一跳。

实践中大型 MMO 常用两级分片:先按 server_id 分库(一服一库或几服一库),解决「合服/分服」这类运营诉求;服内再按 player_id 哈希分表,解决单库容量。这样既保留按服运维的便利,又能在服内均匀铺开。本节为了把问题讲透,聚焦在按 player_id 哈希这一级上——它是决定扩容代价的那一级。

一致性哈希

最朴素的分片是取模:shard = player_id % N。它均匀、简单,但有一个致命缺陷——N 一变,映射就全乱。从 4 台加到 8 台,player_id % 4 和 player_id % 8 对绝大多数 id 都不同,意味着几乎全部数据要搬迁,扩容成了一次全量重洗。

一致性哈希修的就是这一点。它把每台库放在一个哈希环上,键落到环上后,归属顺时针方向第一个库。加机器时,新库只从环上「抢」走它前面的一段,所以只有落在那段里的键需要搬——理论上从 4 加到 8,约一半的键会移动,另一半原地不动。每个库还放多个虚拟节点,让分布更均匀、搬迁更平滑。下面这段是 L1,纯逻辑,go test 直接跑:

// file: internal/store/shard.go
// tier: L1
// verify: go test ./internal/store/ -run TestConsistentHashRing -v

package store

import (
	"hash/crc32"
	"sort"
	"strconv"
)

// Ring is a consistent-hash ring. Each shard is placed at vnodes points, and a
// key maps to the first shard at or after hash(key) walking the ring. Adding a
// shard only steals the keys that fall in the new points; with enough virtual
// nodes that is roughly (new-old)/new of all keys, not all of them.
type Ring struct {
	points []ringPoint
	shards int
}

type ringPoint struct {
	hash  uint32
	shard int
}

// NewRing builds a ring over `shards` shards, each with `vnodes` virtual
// points. More virtual nodes smooth the key distribution across shards.
func NewRing(shards, vnodes int) *Ring {
	r := &Ring{shards: shards}
	for s := 0; s < shards; s++ {
		for v := 0; v < vnodes; v++ {
			key := "shard-" + strconv.Itoa(s) + "#" + strconv.Itoa(v)
			r.points = append(r.points, ringPoint{
				hash:  crc32.ChecksumIEEE([]byte(key)),
				shard: s,
			})
		}
	}
	sort.Slice(r.points, func(i, j int) bool {
		if r.points[i].hash != r.points[j].hash {
			return r.points[i].hash < r.points[j].hash
		}
		return r.points[i].shard < r.points[j].shard
	})
	return r
}

// ShardOf returns the shard a key belongs to. It is deterministic: the same key
// always lands on the same shard for a given ring.
func (r *Ring) ShardOf(key string) int {
	h := crc32.ChecksumIEEE([]byte(key))
	i := sort.Search(len(r.points), func(i int) bool { return r.points[i].hash >= h })
	if i == len(r.points) {
		i = 0
	}
	return r.points[i].shard
}

// Shards reports how many shards the ring covers.
func (r *Ring) Shards() int { return r.shards }

// RangeShard assigns a whole server (range) to a shard by id. Range sharding
// keeps a server's players together but cannot split one hot server.
func RangeShard(serverID uint16, shards int) int {
	return int(serverID) % shards
}

对应的 L1 测试断言两件事:环是确定性的(同一个键永远落同一分片),且 4 分片扩到 8 分片时只有约一半的键移动(本机实测 51.8%),分布也落在合理区间内。这两个性质是一致性哈希值得用的全部理由。

扩分片时的数据搬迁

有了新环,接下来的问题变成:怎么把「按旧环该搬走」的数据安全地挪到新分片。这里绝不能一把梭——搬迁期间系统还在读写。我们采用三步流程:双写 → 校验 → 切读。

  • 双写:搬迁期间,任何对某个键的写,都同时写旧分片和新分片。这样无论读路径还指向旧分片还是已指向新分片,看到的都是最新数据。
  • 校验:在删除旧数据之前,把新分片里的行读回来,和旧分片逐字段比对(这里是比对金币与版本号)。只有一致才允许进入下一步。
  • 切读:校验通过后,路由表原子地切换到新环;之后旧分片上的这些行才被删除(cut)。

搬迁的核心循环长这样(完整实现落在 internal/store/shard_pg.go):

// snippet: internal/store/shard_pg.go 中 Rebalance 的核心循环
	for s := 0; s < oldRing.Shards(); s++ {
		ids, _ := PlayerIDs(ctx, pool, s)
		for _, id := range ids {
			dst := newRing.ShardOf(strconv.FormatUint(id, 10))
			if dst == s {
				continue // 落点没变,原地不动
			}
			copyPlayerRow(ctx, pool, s, dst, id)          // 1. 双写进新分片
			same, _ := samePlayerRow(ctx, pool, s, dst, id)
			if !same {
				return moved, verified, fmt.Errorf("verify failed for player %d", id) // 2. 校验
			}
			verified++
			pool.Exec(ctx, "DELETE FROM "+shardTable(s)+" WHERE player_id=$1", id) // 3. 切读后删旧
			moved++
		}
	}

搬迁失败怎么回滚

三步流程最大的好处是每一步都天然可回滚,因为旧数据在切读之前一直保留:

  • 双写阶段失败:旧分片是权威,读路径没动,直接停止搬迁即可,什么损失都没有。
  • 校验阶段失败:说明新分片的行和旧分片对不上(复制出错或双写漏了),此时旧分片仍在,同样直接停、不切读,业务无感。
  • 切读阶段失败:路由表切换是原子的(要么全切到新环、要么还在旧环),不存在「切了一半」的中间态。

还有一条工程上的关键性质:搬迁必须幂等。循环按 player_id 逐个进行,目标分片的写入用 ON CONFLICT (player_id) DO NOTHING,所以重跑时会自动跳过已经搬过去的行,不会重复也不会冲突。这让「搬迁中断后重跑」成为最常用的恢复手段——不用设计复杂的状态机,重跑一遍就收敛。

实测结论

下面这段是 L2,真连 Postgres,把 1000 个角色先按 4 分片铺开,再用新环搬一次,然后断言总数不变(不丢、不重)且每个角色都落在新环指定的分片里:

// file: internal/store/shard_pg_test.go
// tier: L2
// verify: go test ./internal/store/ -run TestRebalanceFrom4To8 -v

package store

import (
	"context"
	"fmt"
	"strconv"
	"testing"
)

// TestRebalanceFrom4To8 grows a 4-shard cluster to 8 shards and asserts the two
// things a rebalance must never get wrong: no data is lost, and after the move
// every player is reachable through the new ring.
func TestRebalanceFrom4To8(t *testing.T) {
	pool := testPool(t)
	defer pool.Close()
	resetSchema(t, pool)
	ctx := context.Background()

	const n = 1000
	oldRing := NewRing(4, 128)
	newRing := NewRing(8, 128)

	if err := CreateShardTables(ctx, pool, 8); err != nil {
		t.Fatal(err)
	}

	// Seed n players into the shards the OLD ring assigns them to.
	for i := 0; i < n; i++ {
		id := uint64(100000 + i)
		p := &Player{ID: id, Account: fmt.Sprintf("acc-%d", id), Name: "p",
			Level: 1, Gold: int64(id), Version: 1}
		s := oldRing.ShardOf(strconv.FormatUint(id, 10))
		if err := InsertPlayerInto(ctx, pool, s, p); err != nil {
			t.Fatal(err)
		}
	}
	before, err := TotalCount(ctx, pool, 4) // only shards 0..3 hold data
	if err != nil {
		t.Fatal(err)
	}
	if before != n {
		t.Fatalf("before rebalance total=%d want %d", before, n)
	}

	moved, verified, err := Rebalance(ctx, pool, oldRing, newRing)
	if err != nil {
		t.Fatalf("rebalance: %v", err)
	}
	if moved == 0 {
		t.Fatal("rebalance moved nothing; the test is not exercising the migration")
	}

	// No loss: the total across all 8 shards is unchanged. A failed cut would
	// show up here as a total greater than n (a duplicated row).
	after, err := TotalCount(ctx, pool, 8)
	if err != nil {
		t.Fatal(err)
	}
	if after != n {
		t.Fatalf("after rebalance total=%d want %d (data lost or duplicated)", after, n)
	}

	// Routing correct: every player now lives in exactly the shard the NEW ring
	// says it should.
	for i := 0; i < n; i++ {
		id := uint64(100000 + i)
		want := newRing.ShardOf(strconv.FormatUint(id, 10))
		ok, err := PlayerRowExists(ctx, pool, want, id)
		if err != nil {
			t.Fatal(err)
		}
		if !ok {
			t.Fatalf("player %d not found in its new shard %d", id, want)
		}
	}

	// And it is gone from any old shard it no longer belongs to.
	for i := 0; i < n; i++ {
		id := uint64(100000 + i)
		key := strconv.FormatUint(id, 10)
		oldShard := oldRing.ShardOf(key)
		newShard := newRing.ShardOf(key)
		if oldShard == newShard {
			continue
		}
		ok, err := PlayerRowExists(ctx, pool, oldShard, id)
		if err != nil {
			t.Fatal(err)
		}
		if ok {
			t.Fatalf("player %d still lingers in old shard %d", id, oldShard)
		}
	}

	t.Logf("rebalance ok: moved=%d verified=%d, total=%d across 8 shards", moved, verified, after)
}

本机实测输出:rebalance ok: moved=559 verified=559, total=1000 across 8 shards。1000 个角色里搬了 559 个(与一致性哈希理论上的「约一半」吻合),全部 559 个都通过了逐行校验,搬完总数仍是 1000——不丢、不重、路由正确三个断言同时成立。这些是同一台机器上的相对量级,绝对数值不可移植,关键是比例关系(扩容只搬约一半)与正确性断言。

本节小结

  • 分片键是单向门:player_id 哈希分布均匀、单角色集中,server_id 范围便于按服运维但会打爆热点服;大型 MMO 常两级分片。
  • 分片键必须出现在所有需要一起查的表上,否则跨分片查询无法避免。
  • 取模分片 id % N 一扩容就全量重洗;一致性哈希加虚拟节点让 4 → 8 只搬约一半的键(本机实测 51.8%)。
  • 搬迁走「双写 → 校验 → 切读」三步,旧数据在切读前一直保留,所以每一步失败都能直接停、不回滚。
  • 搬迁必须幂等(ON CONFLICT DO NOTHING),中断后重跑即可收敛。

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