学习分享-如何避免 Apache ShardingSphere 中的笛卡尔积现象

前言

Apache ShardingSphere 是一个开源的分布式数据库中间件，旨在通过数据分片、分布式事务、分布式治理等技术，提升数据库系统的性能和可扩展性。然而，最近在使用 ShardingSphere 进行分库分表并多表查询时，出现了笛卡尔积现象。本文将和大家分享介绍我遇到的问题，并提供避免该现象的方法。

什么是笛卡尔积？

笛卡尔积是指在没有适当的连接条件下，将两个或多个表中的所有行进行组合，生成一个包含所有可能行组合的结果集。假设有两个表 A 和 B，A 表有 m 行，B 表有 n 行，那么 A 和 B 的笛卡尔积将生成 m * n 行结果。

示例：
假设表 A 有 3 行，表 B 有 2 行，则 A 和 B 的笛卡尔积如下：

A.col1	B.col1
A1	B1
A1	B2
A2	B1
A2	B2
A3	B1
A3	B2

笛卡尔积在 ShardingSphere 中的表现

在 ShardingSphere 中，执行涉及多个分片表的查询时，如果没有使用绑定表功能，可能会导致出现笛卡尔积现象。假设有两个分片表 orders 和 order_items，它们之间没有绑定关系。如果执行如下 SQL 查询：

SELECT o.order_id, o.order_date, i.item_id, i.quantity
FROM orders o, order_items i
WHERE o.order_id = i.order_id;

如果没有绑定表，ShardingSphere 会在每个分片上分别执行查询，然后将结果集进行组合。因为每个分片上都没有明确的连接关系，这可能会导致生成不必要的大量中间结果，严重影响查询性能。

解决方法：使用绑定表

绑定表（Binding Table）功能允许在多个表之间建立逻辑关联，以优化跨表查询的执行。使用绑定表可以避免笛卡尔积现象，并提高查询性能和数据一致性。

绑定表的配置

在 ShardingSphere 的配置文件中，可以通过以下配置来绑定 orders 和 order_items 表：

shardingRule:tables:orders:actualDataNodes: ds${0..1}.orders${0..1}order_items:actualDataNodes: ds${0..1}.order_items${0..1}bindingTables:- orders, order_items

配置了绑定表后，ShardingSphere 会自动优化跨表查询，避免生成笛卡尔积现象。例如，执行前述的查询时，ShardingSphere 将识别并利用表之间的关联关系，优化查询执行过程。

绑定表的好处

性能优化：绑定表可以显著减少跨表查询时的无效数据扫描和连接操作，提高查询效率。
数据一致性：绑定表有助于确保跨表操作的一致性，特别是在进行复杂的分布式事务时。
简化开发和维护：使用绑定表可以简化 SQL 查询的编写和优化过程，降低开发和维护成本。

示例场景

假设我们有一个电商系统，其中包含订单表（orders）和订单项表（order_items）。这两个表通过 order_id 关联。为了提高查询性能，我们使用 ShardingSphere 进行数据分片，并配置了绑定表。

表结构：

orders 表：
- order_id
- user_id
- order_date
order_items 表：
- item_id
- order_id
- product_id
- quantity

查询示例：

我们希望查询某个订单的详细信息，包括订单日期和每个商品的数量。绑定表配置后，执行如下 SQL 查询将避免笛卡尔积现象：

SELECT o.order_id, o.order_date, i.item_id, i.product_id, i.quantity
FROM orders o
JOIN order_items i ON o.order_id = i.order_id
WHERE o.order_id = '123456';