MySQL 可擴(kuò)展設(shè)計的基本原則
隨著信息量的飛速增加,硬件設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)慢慢的無法跟上應(yīng)用系統(tǒng)對處理能力的要求了。此時,我們?nèi)绾蝸斫鉀Q系統(tǒng)對性能的要求?
只有一個辦法,那就是通過改造系統(tǒng)的架構(gòu)體系,提升系統(tǒng)的擴(kuò)展能力,通過組合多個低處理能力的硬件設(shè)備來達(dá)到一個高處理能力的系統(tǒng),也就是說,我們必須進(jìn)行可擴(kuò)展設(shè)計。
一、什么是可擴(kuò)展性在討論可擴(kuò)展性之前,可能很多朋有會問:常聽人說起某某網(wǎng)站某某系統(tǒng)在可擴(kuò)展性方面設(shè)計的如何如何好,架構(gòu)如何如何出色,到底什么是擴(kuò)展?怎樣算是可擴(kuò)展?什么又是可擴(kuò)展性呢?其實也就是大家常聽到的 Scale,Scalable 和 Scalability 這三個詞。
從數(shù)據(jù)庫的角度來說,Scale(擴(kuò)展)就是讓我們的數(shù)據(jù)庫能夠提供更強(qiáng)的服務(wù)能力,更強(qiáng)的處理能力。而 Scalable(可擴(kuò)展)則是表明數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在通過相應(yīng)升級(包括增加單機(jī)處理能力或者增加服務(wù)器數(shù)量)之后能夠達(dá)到提供更強(qiáng)處理能力。在理論能上來說,任何數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)都是 Scalable 的,只不過是所需要的實現(xiàn)方式不一樣而已。
最后, Scalability(擴(kuò)展性)則是指一個數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)通過相應(yīng)的升級之后所帶來處理能力提升的難以程度。雖然理論上任何系統(tǒng)都可以通過相應(yīng)的升級來達(dá)到處理能力的提升,但是不同的系統(tǒng)提升相同的處理能力所需要的升級成本(資金和人力)是不一樣的,這也就是我們所說的各個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)的 Scalability 存在很大的差異。
在這里,我所說的不同數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)并不是指數(shù)據(jù)庫軟件本身的不同(雖然數(shù)據(jù)庫軟件不同也會存在 Scalability 的差異),而是指相同數(shù)據(jù)庫軟件的不同應(yīng)用架構(gòu)設(shè)計。
首先,我們需要清楚一個數(shù)據(jù)庫據(jù)系統(tǒng)的擴(kuò)展性實際上是主要體現(xiàn)在兩個方面,一個是橫向擴(kuò)展,另一個則是縱向擴(kuò)展,也就是我們常說的 Scale Out 和 Scale Up。
Scale Out 就是指橫向的擴(kuò)展,向外擴(kuò)展,也就是通過增加處理節(jié)點(diǎn)的方式來提高整體處理能力,說的更實際一點(diǎn)就是通過增加機(jī)器來增加整體的處理能力。
Scale Up 則是指縱向的擴(kuò)展,向上擴(kuò)展,也就是通過增加當(dāng)前處理節(jié)點(diǎn)的處理能力來提高整體的處理能力,說白了就是通過升級現(xiàn)有服務(wù)器的配置,如增加內(nèi)存,增加 CPU,增加存儲系統(tǒng)的硬件配置,或者是直接更換為處理能力更強(qiáng)的服務(wù)器和更為高端的存儲系統(tǒng)。
通過比較兩種 Scale 方式,我們很容易看出各自的優(yōu)缺點(diǎn)。
Scale Out 優(yōu)點(diǎn): 成本低,很容易通過價格低廉的 PC Server 搭建出一個處理能力非常強(qiáng)大的計算集群; 不太容易遇到瓶頸,因為很容易通過添加主機(jī)來增加處理能力; 單個節(jié)點(diǎn)故障對系統(tǒng)整體影響較小;也存在缺點(diǎn),更多的計算節(jié)點(diǎn),大部分時候都是服務(wù)器主機(jī),這自然會帶來整個系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜性的提高,在某些方面肯定會增加維護(hù)成本,而且對應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)要求也會比 Scale Up 更高,需要集群管理軟件的配合。 Scale Out 缺點(diǎn): 處理節(jié)點(diǎn)多,造成系統(tǒng)架構(gòu)整體復(fù)雜度提高,應(yīng)用程序復(fù)雜度提高; 集群維護(hù)難以程度更高,維護(hù)成本更大;Scale Up 優(yōu)點(diǎn): 處理節(jié)點(diǎn)少,維護(hù)相對簡單; 所有數(shù)據(jù)都集中在一起,應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)簡單,開發(fā)相對容易; Scale Up 缺點(diǎn):高端設(shè)備成本高,且競爭少,容易受到廠家限制;受到硬件設(shè)備發(fā)展速度限制,單臺主機(jī)的處理能力總是有極限的,容易遇到最終無法解決的性能瓶頸;設(shè)備和數(shù)據(jù)集中,發(fā)生故障后的影響較大;從短期來看,Scale Up 會有更大的優(yōu)勢,因為可以簡化運(yùn)維成本,簡化系統(tǒng)架構(gòu)和應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),對技術(shù)方面的要求要會更簡單一些。
但是,從長遠(yuǎn)影響來看,Scale Out 會有更大的優(yōu)勢,而且也是系統(tǒng)達(dá)到一個規(guī)模之后的必然趨勢。因為不管怎樣,單臺機(jī)器的處理能力總是會受到硬件技術(shù)的限制,而硬件技術(shù)的發(fā)展速度總是有限的,很多時候很難跟得上業(yè)務(wù)發(fā)展的速度。而且越是高處理能力的高端設(shè)備,其性價比總是會越差。所以通過多臺廉價的 PC Server 構(gòu)建高處理能力的分布式集群,總是會成為各個公司節(jié)約成本,提高整體處理能力的一個目標(biāo)。雖然在實現(xiàn)這個目標(biāo)的時候可能會遇到各種各樣的技術(shù)問題,但總是值得去研究實踐的。
后面的內(nèi)容,我們將重點(diǎn)針對 Scale Out 方面來進(jìn)行分析設(shè)計。要能夠很好的 Scale Out,勢必需要進(jìn)行分布式的系統(tǒng)設(shè)計。對于數(shù)據(jù)庫,要想較好的 Scale Out,我們只有兩個方向,一個是通過數(shù)據(jù)的不斷復(fù)制來實現(xiàn)很多個完全一樣的數(shù)據(jù)源來進(jìn)行擴(kuò)展,另一個就是通過將一個集中的數(shù)據(jù)源切分成很多個數(shù)據(jù)源來實現(xiàn)擴(kuò)展。
下面我們先看看在設(shè)計一個具有很好的 Scalability 的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)方面,需要遵循一些什么樣的原則。
二、事務(wù)相關(guān)性最小化原則搭建分布式數(shù)據(jù)庫集群的時候,很多人都會比較關(guān)心事務(wù)的問題。畢竟事務(wù)是數(shù)據(jù)庫中非常核心的一個功能。
在傳統(tǒng)的集中式數(shù)據(jù)庫架構(gòu)中,事務(wù)的問題非常好解決,可以完全依賴數(shù)據(jù)庫本身非常成熟的事務(wù)機(jī)制來保證。但是一旦我們的數(shù)據(jù)庫作為分布式的架構(gòu)之后,很多原來在單一數(shù)據(jù)庫中所完成的事務(wù)現(xiàn)在可能需要跨多個數(shù)據(jù)庫主機(jī),這樣原來單機(jī)事務(wù)可能就需要引入分布式事務(wù)的概念。
但是大家肯定也有一些了解,分布式事務(wù)本身就是一個非常復(fù)雜的機(jī)制,不管是商業(yè)的大型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)還是各開源數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),雖然大多數(shù)數(shù)據(jù)庫廠家基本上都實現(xiàn)了這個功能,但或多或少都存在各種各樣的限制。而且也存在一些 Bug,可能造成某些事務(wù)并不能很好的保證,或者是不能順利的完成。
這時候,我們可能就需要尋求其他的替代方案來解決這個問題,畢竟事務(wù)是不可忽視的 ,不關(guān)我們?nèi)绾稳崿F(xiàn),總是需要實現(xiàn)的。
就目前來說,主要存在的一些解決方案主要有以下三種:
第一、進(jìn)行 Scale Out 設(shè)計的時候合理設(shè)計切分規(guī)則,盡可能保證事務(wù)所需數(shù)據(jù)在同一個 MySQL Server 上,避免分布式事務(wù)。如果可以在設(shè)計數(shù)據(jù)切分規(guī)則的時候就做到所有事務(wù)都能夠在單個 MySQL Server 上面完成,我們的業(yè)務(wù)需求就可以比較容易的實現(xiàn),應(yīng)用程序就可以做到通過最少的調(diào)整來滿足架構(gòu)的改動,使整體成本大大減少。畢竟,數(shù)據(jù)庫架構(gòu)改造并不僅僅只是 DBA 的事情,還需要很多外圍的配合與支持。即使是在設(shè)計一個全新系統(tǒng)的時候,我們同樣要考慮到各個環(huán)境各項工作的整體投入,既要考慮數(shù)據(jù)庫本身的成本投入,同時也要考慮到相應(yīng)的開發(fā)代價。如果各環(huán)節(jié)之間出現(xiàn)“利益”沖突,那我們就必須要作出一個基于后續(xù)擴(kuò)展以及總體成本的權(quán)衡,尋找出一個最適合當(dāng)前階段平衡點(diǎn)。
不過,即使我們的切分規(guī)則設(shè)計的再高明,也很難讓所有的事務(wù)所需的數(shù)據(jù)都在同一個 MySQL Server 上。所以,雖然這種解決方案所需要付出的成本最小,但大多數(shù)時候也只能兼顧到一些大部分的核心事務(wù),也不是一個很完美的解決方案。
第二、大事務(wù)切分成多個小事務(wù),數(shù)據(jù)庫保證各個小事務(wù)的完整性,應(yīng)用控制各個小事務(wù)之間的整體事務(wù)完整性。和上一個方案相比,這個方案所帶來的應(yīng)用改造就會更多,對應(yīng)用的要求也會更為苛刻 。應(yīng)用不僅需要分拆原來的很多大事務(wù),同時還需要保證各個小事務(wù)的之間的完整性。也就是說,應(yīng)用程序自己需要具有一定的事務(wù)能力,這無疑會增加應(yīng)用程序的技術(shù)難度。
但是,這個方案也有不少自己的優(yōu)勢。首先我們的數(shù)據(jù)的切分規(guī)則就會更為簡單,很難遇到限制。而且更簡單,就意味著維護(hù)成本更低。其次,沒有數(shù)據(jù)切分規(guī)則的太多限制,數(shù)據(jù)庫方面的可擴(kuò)展性也會更高,不會受到太多的約束,當(dāng)出現(xiàn)性能瓶頸的時候可以快速進(jìn)行進(jìn)一步拆分現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫。最后,數(shù)據(jù)庫做到離實際業(yè)務(wù)邏輯更遠(yuǎn),對后續(xù)架構(gòu)擴(kuò)展也就更為有利。
第三、結(jié)合上述兩種解決方案,整合各自的優(yōu)勢,避免各自的弊端。前面兩種解決方案都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn),而且基本上都是相互對立的,我們完全可以利用兩者各自的優(yōu)勢,調(diào)整兩個方案的設(shè)計原則,在整個架構(gòu)設(shè)計中做一個平衡。比如我們可以在保證部分核心事務(wù)所需數(shù)據(jù)在同一個 MySQL Server 上,而其他并不是特別重要的事務(wù),則通過分拆成小事務(wù)和應(yīng)用系統(tǒng)結(jié)合來保證。而且,對于有些并不是特別重要的事務(wù),我們也可以通過深入分析,看是否不可避免一定需要使用事務(wù)。
通過這樣相互平衡設(shè)計的原則,我們既可以避免應(yīng)用程序需要處理太多的小事務(wù)來保證其整體的完整性,同時也能夠避免拆分規(guī)則太多復(fù)雜而帶來后期維護(hù)難度的增加及擴(kuò)展性受阻的情況。
當(dāng)然,并不是所有的應(yīng)用場景都非要結(jié)合以上兩種方案來解決。比如對于那些對事務(wù)要求并不是特別嚴(yán)格,或者事務(wù)本身就非常簡單的應(yīng)用,就完全可以通過稍加設(shè)計的拆分規(guī)則就可滿足相關(guān)要求,我們完全可以僅僅使用第一種方案,就可以避免還需要應(yīng)用程序來維護(hù)某些小事務(wù)的整體完整性的支持。這在很大程度上面可以降低應(yīng)用程序的復(fù)雜度。
而對于那些事務(wù)關(guān)系非常復(fù)雜,數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度非常高的應(yīng)用,我們也就沒有必要為了保持事務(wù)數(shù)據(jù)能夠集中而努力設(shè)計,因為不管我們?nèi)绾闻Γ己茈y滿足要求,大都是遇到顧此失彼的情景。對于這種情況,我們還不如讓數(shù)據(jù)庫方面盡可能保持簡潔,而讓應(yīng)用程序做出一些犧牲。
在當(dāng)前很多大型的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,不論是上面哪一種解決方案的使用案例都有,如大家所熟知的 Ebay,在很大程度上就是第三種結(jié)合的方案。在結(jié)合過程中以第二種方案為主,第一種方案為輔。選擇這樣的架構(gòu),除了他們應(yīng)用場景的需求之外,其較強(qiáng)的技術(shù)實力也為開發(fā)足夠強(qiáng)壯的應(yīng)用系統(tǒng)提供了保證。又如某國內(nèi)大型的 BBS 應(yīng)用系統(tǒng)(不便公開其真實名稱),其事務(wù)關(guān)聯(lián)性并不是特別的復(fù)雜,各個功能模塊之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性并不是特別的高,就是完全采用第一種解決方案,完全通過合理設(shè)計數(shù)據(jù)拆分的規(guī)則來避免事務(wù)的數(shù)據(jù)源跨多個 MySQL Server。
最后,我們還需要明白一個觀點(diǎn),那就是事務(wù)并不是越多越好,而是越少越好越小越好 。不論我們使用何種解決方案,那就是在我們設(shè)計應(yīng)用程序的時候,都需要盡可能做到讓數(shù)據(jù)的事務(wù)相關(guān)性更小,甚至是不需要事務(wù)相關(guān)性。當(dāng)然,這只是相對的,也肯定只有部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠做到。但可能就是某部分?jǐn)?shù)據(jù)做到了無事務(wù)相關(guān)性之后,系統(tǒng)整體復(fù)雜度就會降低很大一個層次,應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)兩方面都可能少付出很多的代價。
三、數(shù)據(jù)一致性原則不論是 Scale Up 還是 Scale Out,不論我們?nèi)绾卧O(shè)計自己的架構(gòu),保證數(shù)據(jù)的最終一致性都是絕對不能違背的原則,保證這個原則的重要性我想各位讀者肯定也都是非常明白清楚的。
而且,數(shù)據(jù)一致性的保證就像事務(wù)完整性一樣,在我們對系統(tǒng)進(jìn)行 Scale Out 設(shè)計的時候,也可能會遇到一些問題。當(dāng)然,如果是 Scale Up,可能就很少會遇到這類麻煩了。當(dāng)然,在很多人眼中,數(shù)據(jù)的一致性在某種程度上面也是屬于事務(wù)完整性的范疇。不過這里為了突出其重要性和相關(guān)特性,我還是將他單獨(dú)提出來分析。
那我們又如何在 Scale Out 的同時又較好的保證數(shù)據(jù)一致性呢?很多時候這個問題和保證事務(wù)完整性一樣讓我們頭疼,也同樣受到了很多架構(gòu)師的關(guān)注。經(jīng)過很多人的實踐,大家最后總結(jié)出了 BASE 模型。即:基本可用,柔性狀態(tài),基本一致和最終一致。 這幾個詞看著挺復(fù)雜挺深奧,其實大家可以簡單的理解為非實時的一致性原則。
也就是說,應(yīng)用系統(tǒng)通過相關(guān)的技術(shù)實現(xiàn),讓整個系統(tǒng)在滿足用戶使用的基礎(chǔ)上,允許數(shù)據(jù)短時間內(nèi)處于非實時狀態(tài),而通過后續(xù)技術(shù)來保證數(shù)據(jù)在最終保證處于一致狀態(tài)。這個理論模型說起來確實聽簡單,但實際實現(xiàn)過程中我們也會遇到不少難題。
首先,第一個問題就是我們需要讓所有數(shù)據(jù)都是非實時一致嗎?我想大多數(shù)讀者朋友肯定是投反對票的。那如果不是所有的數(shù)據(jù)都是非實時一致,那我們又該如何來確定哪些數(shù)據(jù)需要實時一致哪些數(shù)據(jù)又只需要非實時的最終一致呢?其實這基本可以說是一個各模塊業(yè)務(wù)優(yōu)先級的劃分,對于優(yōu)先級高的自然是規(guī)屬于保證數(shù)據(jù)實時一致性的陣營,而優(yōu)先級略低的應(yīng)用,則可以考慮劃分到允許短時間端內(nèi)不一致而最終一致的陣營。這是一個非常棘手的問題。我們不能隨便拍腦袋就決定,而是需要通過非常詳細(xì)的分析和仔細(xì)的評估才能作出決定。因為不是所有數(shù)據(jù)都可以出現(xiàn)在系統(tǒng)能不短時間段內(nèi)不一致狀態(tài),也不是所有數(shù)據(jù)都可以通過后期處理的使數(shù)據(jù)最終達(dá)到一致的狀態(tài),所以之少這兩類數(shù)據(jù)就是需要實時一致的。而如何區(qū)分出這兩類數(shù)據(jù),就必須經(jīng)過詳細(xì)的分析業(yè)務(wù)場景商業(yè)需求后進(jìn)行充分的評估才能得出結(jié)論。
其次,如何讓系統(tǒng)中的不一致數(shù)據(jù)達(dá)到最終一致?一般來說,我們必須將這類數(shù)據(jù)所設(shè)計到的業(yè)務(wù)模塊和需要實時一致數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)模塊明確的劃分開來。然后通過相關(guān)的異步機(jī)制技術(shù),利用相應(yīng)的后臺進(jìn)程,通過系統(tǒng)中的數(shù)據(jù),日志等信息將當(dāng)前并不一致的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步處理,使最終數(shù)據(jù)處于完全一致狀態(tài)。對于不同的模塊,使用不同的后臺進(jìn)程,既可以避免數(shù)據(jù)出現(xiàn)紊亂,也可以并發(fā)執(zhí)行,提高處理效率。如對用戶的消息通知之類的信息,就沒有必要做到嚴(yán)格的實時一致性,只需要現(xiàn)記錄下需要處理的消息,然后讓后臺的處理進(jìn)程依次處理,避免造成前臺業(yè)務(wù)的擁塞。
最后,避免實時一致與最終一致兩類數(shù)據(jù)的前臺在線交互。由于兩類數(shù)據(jù)狀態(tài)的不一致性,很可能會導(dǎo)致兩類數(shù)據(jù)在交互過程中出現(xiàn)紊亂,應(yīng)該盡量讓所有非實時一致的數(shù)據(jù)和實時一致數(shù)據(jù)在應(yīng)用程序中得到有效的隔離。甚至在有些特別的場景下,記錄在不同的 MySQL Server 中來進(jìn)行物理隔離都是有必要的。
四、高可用及數(shù)據(jù)安全原則除了上面兩個原則之外,我還想提一下系統(tǒng)高可用及數(shù)據(jù)安這兩方面。經(jīng)過我們的 Scale Out 設(shè)計之后,系統(tǒng)整體可擴(kuò)展性確實是會得到很大的提高,整體性能自然也很容易得到較大的改善。但是,系統(tǒng)整體的可用性維護(hù)方面卻是變得比以前更為困難。因為系統(tǒng)整體架構(gòu)復(fù)雜了,不論是應(yīng)用程序還是數(shù)據(jù)庫環(huán)境方面都會比原來更為龐大,更為復(fù)雜。這樣所帶來的最直接影響就是維護(hù)難度更大,系統(tǒng)監(jiān)控更難。
如果這樣的設(shè)計改造所帶來的結(jié)果是我們系統(tǒng)經(jīng)常性的 Crash,經(jīng)常性的出現(xiàn) Down 機(jī)事故,我想大家肯定是無法接受的,所以我們必須通過各種技術(shù)手段來保證系統(tǒng)的可用性不會降低,甚至在整體上有所提高。
所以,這里很自然就引出了我們在進(jìn)行 Scale Out 設(shè)計過程中另一個原則,也就是高可用性的原則。不論如何調(diào)整設(shè)計系統(tǒng)的架構(gòu),系統(tǒng)的整體可用性不能被降低。
其實在討論系統(tǒng)可用性的同時,還會很自然的引出另外一個與之密切相關(guān)的原則,那就是數(shù)據(jù)安全原則。要想達(dá)到高可用,數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)就必須是足夠安全的。這里所指的安全并不針對惡意攻擊或者竊取方面來說,而是針對異常丟失。也就是說,我們必須保證在出現(xiàn) 軟/硬件故障 的時候,能夠保證我們的數(shù)據(jù)不會出現(xiàn)丟失。數(shù)據(jù)一旦丟失,根本就無可用性可言了。而且,數(shù)據(jù)本身就是數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)最核心的資源,絕對不能丟失這一原則也是毋庸置疑的。
要確保高可用及數(shù)據(jù)安全原則,最好的辦法就是通過冗余機(jī)制來保證。所有軟硬件設(shè)備都去除單點(diǎn)隱患,所有數(shù)據(jù)都存在多份拷貝。這樣才能夠較好的確保這一原則。在技術(shù)方面 ,我們可以通過 MySQL Replication,MySQL Cluster 等技術(shù)來實現(xiàn)。
總結(jié)不論我們?nèi)绾卧O(shè)計架構(gòu),不管我們的可擴(kuò)展性如何變化,本章中所提到的一些原則都是非常重要的。不論是解決某些問題的原則,還是保證性的原則,不論是保證可用性的原則,還是保證數(shù)據(jù)安全的原則,我們都應(yīng)該在設(shè)計中時時刻刻都關(guān)注,謹(jǐn)記。
MySQL 數(shù)據(jù)庫之所以在互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)如此火爆,除了其開源的特性,使用簡單之外,還有一個非常重要的因素就是在擴(kuò)展性方面有較大的優(yōu)勢。其不同存儲引擎各自所擁有的特性可以應(yīng)對各種不同的應(yīng)用場景。其 Replication 以及 Cluster 等特性更是提升擴(kuò)展性非常有效的手段。
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