數(shù)據(jù)庫不使用外鍵的原因是什么

當我們想要持久化地存儲數(shù)據(jù)時，使用關系型數(shù)據(jù)庫往往都是最穩(wěn)妥的選擇，這不僅因為今天的關系型數(shù)據(jù)庫種類非常豐富并且穩(wěn)定，還因為不同社區(qū)對關系型數(shù)據(jù)庫的支持都非常完備。我們在前面的文章中曾經(jīng)分析過 為什么 MySQL 的自增主鍵不單調(diào)也不連續(xù)，這篇文章我們來分析關系型數(shù)據(jù)庫中另一個重要的概念 — 外鍵（Foreign Key）。

在關系型數(shù)據(jù)庫中，外鍵也被稱為關系鍵，它是關系型數(shù)據(jù)庫中提供關系表之間連接的多個列[^1]，這一組數(shù)據(jù)列是當前關系表中的外鍵，也必須是另一個關系表中的候選鍵（Candidate Key），我們可以通過候選鍵在當前表中找到唯一的元素[^2]。在通常情況下，我們都會使用關系表中的主鍵作為其他表中的外鍵，這樣才可以滿足關系型數(shù)據(jù)庫對外鍵的約束。

圖 1 - 關系型數(shù)據(jù)庫與外鍵

外鍵不僅僅是數(shù)據(jù)庫表中的一個整數(shù)，它還提供了額外的一致性保證。因為數(shù)據(jù)庫往往是整個系統(tǒng)的真理之源（Source of Truth），所以保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性非常重要，關系型數(shù)據(jù)庫雖然提供了外鍵、觸發(fā)器等特性保證一致性，但是在今天的生產(chǎn)環(huán)境中卻很少被使用。

引用完整性（Referential Integrity）是數(shù)據(jù)的屬性，如果數(shù)據(jù)擁有該屬性，那么數(shù)據(jù)中所有的引用都是合法的，在關系型數(shù)據(jù)庫的上下文中，這就意味著關系型數(shù)據(jù)庫中引用另一個表中的值必須存在[^3]。

ALTER TABLE postsADD CONSTRAINT FOREIGN KEY (author_id)REFERENCES authors(id);

上述 SQL 語句可以向關系表中增加外鍵約束，該 SQL 語句的執(zhí)行前提是posts表中存在author_id字段。從 SQL 語句中的CONSTRAINT關鍵字我們也能推測出外鍵不是一種數(shù)據(jù)類型，它是不同關系表之間的約束。

圖 2 - 無狀態(tài)服務與數(shù)據(jù)庫

不使用外鍵的原因其實很簡單，MySQL、PostgreSQL 等關系型數(shù)據(jù)庫很難水平擴容，但是無狀態(tài)的服務往往都可以很容易地擴容。由于外鍵等特性需要數(shù)據(jù)庫執(zhí)行額外的工作，而這些操作會占用數(shù)據(jù)庫的計算資源，所以我們可以將大部分的需求都遷移到無狀態(tài)的服務中完成以降低數(shù)據(jù)庫的工作負載。

根據(jù)更新和刪除時的行為不同，我們可以將外鍵分成RESTRICT、CASCADE和SET NULL等幾種[^4]，當我們?yōu)殛P系表中的字段增加外鍵約束時，需要指定外鍵的類型，最常見的也就是RESTRICT和CASCADE兩種，其中RESTRICT為外鍵的默認類型，不同類型的外鍵會帶來不同的額外開銷，而這些額外開銷就是我們不使用外鍵的理由：

使用RESTRICT會在更新或者刪除記錄時對外鍵對應的記錄是否存在進行一致性檢查；

使用CASCADE會在更新或者刪除記錄時觸發(fā)級聯(lián)更新或者刪除操作；

注意：MySQL 中的NO ACTION和RESTRICT具有相同的語義[^5]。

接下來我們會詳細介紹關系型數(shù)據(jù)庫如何處理上述兩種不同類型的外鍵，而我們應該如何在應用中模擬這些功能。

一致性檢查

當我們使用默認的外鍵類型RESTRICT時，在創(chuàng)建、修改或者刪除記錄時都會檢查引用的合法性。想要在 MySQL 等數(shù)據(jù)庫中觸發(fā)外鍵的一致性檢查其實非常容易，假設我們的數(shù)據(jù)庫中包含posts(id, author_id, content)和authors(id, name)兩張表，在執(zhí)行如下所示的操作時都會觸發(fā)數(shù)據(jù)庫對外鍵的檢查：

向posts表中插入數(shù)據(jù)時，檢查author_id是否在authors表中存在；

修改posts表中的數(shù)據(jù)時，檢查author_id是否在authors表中存在；

刪除authors表中的數(shù)據(jù)時，檢查posts中是否存在引用當前記錄的外鍵；

作為專門用于管理數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫與應用服務相比能夠更好地保證完整性，而上述的這些操作都是引入外鍵帶來的額外工作，不過這也是數(shù)據(jù)庫保證數(shù)據(jù)完整性的必要代價。上述的這些分析都是理論上的定性分析，我們其實可以簡單的定量分析一下引入外鍵對性能的影響。

在這里我們在數(shù)據(jù)庫中同時創(chuàng)建authors、posts和foreign_key_posts三種表，如下所示，其中posts和foreign_key_posts兩個表中的列完全相同，只是foreign_key_posts表為author_id字段增加了RESTRICT類型的外鍵約束：

圖 3 - 外鍵性能測試關系圖

我們先在authors表中插入一條記錄，隨后分別在posts和foreign_key_posts中插入多條新數(shù)據(jù)列引用該條記錄，前者不會檢查外鍵的合法性，而后者會做額外的檢查。你可以在 這里 找到作者用來測試外鍵額外開銷的 Go 語言代碼[^6]，經(jīng)過多次基準測試，我們可以得到如下所示的結果：

BenchmarkBaseline-8 3770 309503 ns/opBenchmarkForeignKey-8 3331 317162 ns/op BenchmarkBaseline-8 3192 315506 ns/opBenchmarkForeignKey-8 3381 315577 ns/op BenchmarkBaseline-8 3298 312761 ns/opBenchmarkForeignKey-8 3829 345342 ns/op BenchmarkBaseline-8 3753 291642 ns/opBenchmarkForeignKey-8 3948 325239 ns/op

作者執(zhí)行了 4 次外鍵的基準測試，雖然 4 次測試的結果不是特別穩(wěn)定，但是使用外鍵的用例在每次測試中都明顯弱于不使用外鍵的用例，外鍵帶來的額外開銷分別為 ~2.47%、~0.02%、~10.41% 和 ~11.52%。這里的基準測試只是一個比較簡單的定量分析，但是我們也可以從結果中看到大概的趨勢 — 外鍵的完整性檢查確實會帶來額外的性能開銷，而這些開銷在高并發(fā)的服務中需要慎重考慮。

想要在應用程序中模擬數(shù)據(jù)庫外鍵的功能其實比較容易，我們只需要遵循以下的幾個準則：

向表中插入數(shù)據(jù)或者修改表中的數(shù)據(jù)時，都應該執(zhí)行額外的SELECT語句確保它引用的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中存在；

在刪除數(shù)據(jù)之前需要執(zhí)行額外的SELECT語句檢查是否存在當前記錄的引用；

需要注意的是為了保證一致性，我們需要在事務中執(zhí)行上述的查詢和修改語句，這樣才能完整模擬外鍵的功能；當我們向posts表中插入或者修改數(shù)據(jù)時，需要的處理相對比較簡單，我們只需要執(zhí)行有限的SELECT語句并按照如下所示的模式執(zhí)行對應的操作就可以了：

BEGINSELECT * FROM authors WHERE id = FOR UPDATE;-- INSERT INTO posts ... / UPDATE posts ...END

但是如果我們要刪除authors表中的數(shù)據(jù)，就需要查詢所有引用authors數(shù)據(jù)的表；如果有 10 個表都有指向authors表的外鍵，我們就需要在 10 個表中查詢是否存在對應的記錄，這個過程相對比較麻煩，不過也是為了實現(xiàn)完整性的必要代價，不過這種模擬外鍵方法其實遠比使用外鍵更消耗資源，它不僅需要查詢關聯(lián)數(shù)據(jù)，還要通過網(wǎng)絡發(fā)送更多的數(shù)據(jù)包。

級聯(lián)操作

當我們在關系型數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建外鍵約束時，如果使用如下所示的 SQL 語句指定更新或者刪除記錄時使用CASCADE行為，那么在客戶端更新或者刪除數(shù)據(jù)時就會觸發(fā)級聯(lián)操作：

ALTER TABLE postsADD CONSTRAINT FOREIGN KEY (author_id)REFERENCES authors(id)ON UPDATE CASCADEON DELETE CASCADE;

當客戶端更新authors表中記錄的主鍵時，數(shù)據(jù)庫會同時更新posts表中所有引用該記錄的外鍵；

當客戶端刪除authors表中的記錄時，數(shù)據(jù)庫會刪除所有與authors表關聯(lián)的記錄；

不過無論是執(zhí)行更新還是刪除操作，數(shù)據(jù)庫都可以保證各個關系表之間引用的一致性和合法性不會出現(xiàn)引用到不存在記錄的情況，與RESTRICT行為一樣，所有外鍵的更新和刪除行為都可以通過執(zhí)行額外的檢查和操作保證數(shù)據(jù)的一致。

圖 4 - 復雜的級聯(lián)操作

雖然級聯(lián)刪除的出發(fā)點也是保證數(shù)據(jù)的完整性，但是在設計關系表之間的不同關系時，我們也需要注意級聯(lián)刪除引起的數(shù)據(jù)大規(guī)模刪除的問題。如上圖所示，當客戶端想要在數(shù)據(jù)庫中刪除authos表中的數(shù)據(jù)時，如果我們同時在authors和posts中指定了級聯(lián)刪除的行為，那么數(shù)據(jù)庫會同時刪除所有關聯(lián)的posts記錄以及與posts表關聯(lián)的comments數(shù)據(jù)。

這種涉及多級的級聯(lián)刪除行為在數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)庫中不會導致問題，但是在數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)庫中刪除關鍵數(shù)據(jù)可能會引起雪崩，一條記錄的刪除可能會被放大到幾十倍甚至上百倍，這些對磁盤的隨機讀寫會帶來巨大的開銷，是我們想要盡可能避免的情況。如果我們能夠較好地設計各個表之間的關系并且慎用CASCADE行為，這對于保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的合法性有著很重要的意義，使用該特性可以避免數(shù)據(jù)庫中出現(xiàn)過期的、不合法的數(shù)據(jù)，但是在使用時也要合理預估可能造成的最壞情況。

手動實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的級聯(lián)刪除操作是可行的，如果我們在一個事務中按照順序刪除所有的數(shù)據(jù)，確實可以保證數(shù)據(jù)的一致性，但是這與外鍵的級聯(lián)刪除功能沒有太大的區(qū)別，反而會有更差的表現(xiàn)。如果我們能夠接受在一個時間窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)不一致，就可以將一個大號的刪除任務拆成多個子任務分批執(zhí)行，降低對數(shù)據(jù)庫影響的峰值。

DELETE FROM posts WHERE author_id = 1 LIMIT 100;DELETE FROM posts WHERE author_id = 1 LIMIT 100;...DELETE FROM authors WHERE id = 1;

與數(shù)據(jù)庫外鍵的CASCADE相比，這種方式會帶來更大的額外開銷，只是我們能降低對數(shù)據(jù)庫性能的瞬時影響。

總結

外鍵提供的幾種在更新和刪除時的不同行為都可以幫助我們保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性和引用合法性，但是外鍵的使用也需要數(shù)據(jù)庫承擔額外的開銷，在大多數(shù)服務都可以水平擴容的今天，高并發(fā)場景中使用外鍵確實會影響服務的吞吐量上限。在數(shù)據(jù)庫之外手動實現(xiàn)外鍵的功能是可能的，但是卻會帶來很多維護上的成本或者需要我們在數(shù)據(jù)一致性上做出一些妥協(xié)。我們可以從可用性、一致性幾個方面分析使用外鍵、模擬外鍵以及不使用外鍵的差異：

不使用外鍵犧牲了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性，但是卻能夠減少數(shù)據(jù)庫的負載；

模擬外鍵將一部分工作移到了數(shù)據(jù)庫之外，我們可能需要放棄一部分一致性以獲得更高的可用性，但是為了這部分可用性，我們會付出更多的研發(fā)與維護成本，也增加了與數(shù)據(jù)庫之間的網(wǎng)絡通信次數(shù)；

使用外鍵保證了數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的一致性，也將全部的計算任務全部交給了數(shù)據(jù)庫；

在大多數(shù)不需要高并發(fā)或者對一致性有較強要求的系統(tǒng)中，我們可以直接使用數(shù)據(jù)庫提供的外鍵幫助我們對數(shù)據(jù)進行校驗，但是在對一致性要求不高的、復雜的場景或者大規(guī)模的團隊中，不使用外鍵也確實可以為數(shù)據(jù)庫減負，而大團隊也有更多的時間和精力去設計其他的方案，例如：分布式的關系型數(shù)據(jù)庫。

當我們考慮應不應該在數(shù)據(jù)庫中使用外鍵時，需要關注的核心我們的數(shù)據(jù)庫承擔這部分計算任務后會不會影響系統(tǒng)的可用性，在使用時也不應該一刀切的決定用或者不用外鍵，應該根據(jù)具體的場景做決策，我們在這里介紹了兩個使用外鍵時可能遇到的問題：

RESTRICT外鍵會在更新和刪除關系表中的數(shù)據(jù)時對外鍵約束的合法性進行檢查，保證外鍵不會引用到不存在的記錄；

CASCADE外鍵會在更新和刪除關系表中的數(shù)據(jù)時觸發(fā)對關聯(lián)記錄的更新和刪除，在數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)庫中可能會有數(shù)量級的放大效果；

我們在很多時候其實并不能選擇是否使用外鍵，大多數(shù)公司的 DBA 都會對數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的使用有比較明確的規(guī)定，但是我們要清楚做出使用外鍵和不使用外鍵這一抉擇的原因。到最后，我們還是來看一些比較開放的相關問題，有興趣的讀者可以仔細思考一下下面的問題：

數(shù)據(jù)庫中還有哪些特性是我們在生產(chǎn)環(huán)境中不會使用的？為什么？

分布式的關系型數(shù)據(jù)庫與 MySQL 等傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫有哪些區(qū)別？

責任編輯人：CC