用 DynamoDB 实现多级人物关系之数据结构与建模

业务场景

客户业务当前已部署在亚马逊云科技上，主要面向 2C 以及 2B 的客户，期望建立基于用户之间关系，并将构建好的人物关系用于游戏推荐，广告投递等场景。

在数据库选型之初，首选并非是 DynamoDB，因传统上 DynamoDB 被视为非关系型数据库的代表，在一个需要存储和处理关系的场景下，很容易被忽视，但在调研了不同数据库之后，首先对于可扩展性，当业务需要扩展到 TB 级以上的数据，DynamoDB 不会降低性能，DynamoDB 可以在水平扩展中实现任何规模下提供一致的性能。例如一些 DynamoDB 用户在生产环境下数据量不断扩展，超过 100TB 时，性能与建表之初依然可以保持一致，因此，DynamoDB 能满足业务方对于数据库端个位数 ms 响应的核心诉求；其次，DynamoDB 是一款完全托管的无服务器 NoSQL 数据库，无需用户处理服务器都管理、运维、升级等任务。基于以上两点诉求，客户开始尝试使用 DynamoDB 并最终应用在生产环境。

用户的业务场景主要是基于人物关系，进行相关的游戏，以及广告推荐，且需要实时在线查询。该项目的场景，DynamoDB 作为下游数据库，只需要针对上游的请求，返回至多到 1-2 级人物关系，例如人物 A-B-C 之间的关系即可。对于 DynamoDB 来说，需要将人物关系 A-B-C 拆分成 A-B 的关系以及 B-C 的关系，分别写入 DynamoDB 作为一级任务关系写入。在某些场景下，需要查询 A 的朋友的朋友有哪些，只需要查询 A 的好友，在获取 A 好友列表之后，通过 batch 查询获取 B 的好友列表返回给业务方即可。 本文重点在于使用 DynamoDB 进行一级好友关系建模，我们以 A-B 关系的建立为例，设计 DynamoDB 数据模型。B-C 关系以此类推。

ER Modeling 设计

在 SQL 传统数据库建模时，针对关系类，会通过创建 ER 图，来创建以下几个表格，其中涉及的实体包括：

1. 用户表：用户（user_id），例如上文提到的人物 A 以及 A 的属性，包括 A 的用户名、性别、地点、用户等级（是否是会员等）。
2. 关系表：Relevant（Relevantuser_id），例如代表人物 A 的人物关系，包括 Type（type_id）关系类型、create_time 关系创建的时间、update_time 关系更新时间、status 关系状态。
3. RelationType 表：用户关系类型，用户可以与另一个关系之间有不同种类之间的关系。
4. Level 表：用户等级，例如订阅用户、免费用户。

ER Modeling 转换成 DynamoDB 建模

在对关系型数据库建模时，会根据 ER Modeling 的实体关系创建多个表格，但是在创建 DynamoDB 的数据库表结构时，通常针对一项业务，只创建一张表，需要将上述不同实体、属性，设计到一张表内。本次多级人物关系，使用 DynamoDB  来说，需要将人物关系 A-B-C 拆分成 A-B 的关系以及 B-C 的关系，分别写入 DynamoDB。在 DynamoDB 数据库的设计中，主要包含 Base 表（基表）与本地索引以及全局二级索引。

DynamoDB 主键与核心属性如下

• Partition Key：Userid 需要具有唯一性，也是 DynamoDB 中最重要的分区键，会通过分区键，将数据分散在不同的分区。
• Sort key：Sort key 可以通过合并一些属性来提高 query 快速检索的速度，如在 relevant_id 前添加了 prefix type_id 这样代表关系类型 +user_id 来组成。例如可以通过搜索 user01 的全部好友并通过 prefix 来排序筛选出 user01 用户代表#1 好友的关系人。
• 属性 Attributes：type_id 关系类型，例如 1 代表好友，2 代表点赞，3 代表拉黑。

在设计之初需要规划好并在未来的生产环境可进一步规划，其中注意到以下几点：

1. 基表与本地索引共用同一个存储分区。因此本地索引只可以在表格创建之初创建，并且最多创建 5 个本地索引。
2. 全局二级索引可以在表格创建之后，根据需要来创建，最多可以创建 20 个全局二级索引。
3. DynamoDB 的主键有两种：a）简单主键只有分区键来作为主键；b）复合主键，由分区键+排序键构成。在较为复杂的查询情况下，使用复合主键，本文使用复合主键，这样可以通过 query 进行范围查询，一次返回某个用户的全部关系。
4. 可以在排序键中加入前缀以 # 开头，通过 ScanIndexForward 的属性将排序键通过正排或者倒排的方式进行排列，例如 PK = UserId，SK = #Metadata#UserID，这样实现 UserId 的 Metadata 保持在 Query 查询的第一条记录，也可以通过 Limit 1 的方式获取到这条记录。

访问模式实现设计（Access Patten Design）

在 DynamoDB 中，访问模式（Access Patterns）指对数据库进行读取和写入操作的方式和模式，它描述了应用程序如何访问和操作 DynamoDB 中存储的数据。访问模式决定了如何组织和设计 DynamoDB 表格以支持特定的查询和数据访问需求。根据应用程序的需求，可以选择不同的访问模式来优化数据访问和查询性能。

1. 创建关系-createRelevant
2. 过滤查找指定用户在指定区域/指定性别的好友列表-getFilteredRelevant
3. 更新关系-updateRelevent
4. 删除关系-deleteRelevant

使用 Workbench for Amazon DynamoDB 进行数据建模与创建表格

对于初次使用 DynamoDB 的用户，推荐大家使用 NoSQL Workbench 来进行数据建模，可以选择左侧直接构建新数据模型，根据现有模型设计符合应用程序数据访问模式的模型，您还可以在过程结束时导入和导出设计的数据模型。

可以从官方下载安装：https://docs.aws.amazon.com/amazondynamodb/latest/developerguide/workbench.settingup.html。

选择左侧创建新模型，并输入新模型名字，选择 Create 进行创建。

进入到模型创建界面，可以在此页面，快速清晰地填写表格名称、Partition Key 分区键、Sort Key 主键（不是必须），并通过点击添加属性来创建 DynamoDB 的属性值。

根据以上信息，创建如下表格，基表名字（base table）：UserRelevantTable

全局二级索引：typeIndex

除了使用 Workbench 建模之外，还可以通过可视化的方式，查看已经创立的 DynamoDB 表格，并可以点击 Commit to Amazon DynamoDB 的方式，将创建的模型以及 GSI 表直接一键传输到您在亚马逊云科技的账号内。选择想要部署的区域，以及填写账号的密钥即可通过一键部署，创建出 DynamoDB 表格。

此时，可以到亚马逊云科技的控制台进行查看。以上可以通过使用 NoSQL Workbench 来快速建模，此外，NoSQL Workbench 可以帮助用户快速生成示例数据，在可视化看板中展示，并能够在接近生产环境的条件下测试应用程序访问模式，推荐大家使用。

访问模式实现设计（Access Patten Design）

在创建好数据库模型之后，开始考虑使用 API 的方式来修改数据以及查询数据。DynamoDB 数据库有三种主要的 API 查询方式：

1. Single item API（单个项目查询）：针对单个数据进行修改， GetItem，PutItem，UpdateItem，DeleteItem 这四种，下文创建关系就是使用单个 API 的方式。
2. Query API（检索 API 查询）：主要是通过获取同一个分区键的方式，来返回数据，每次返回数据量最大为 1MB。
3. Scan API（扫描 API 查询）：这种方式在 DynamoDB 的查询场景下，建议尽量避免使用，因每次查询会扫描整张表格，适用于非常小的表格，以及表格迁移的场景。

1. 创建关系-createRelevant 

创建关系，是通过前文提到的单个项目查询 API 方式，通过 PutItem 的方式，插入数据。

item = dynamodbclient.put_item(
    TableName='UserRelevantTable',
    Item = {
            "update_time": {"S": cur_time},
            "create_time": {"S": cur_time},
            "delete_status": {"BOOL": False},
            "tag":{'L':insertinfo['tag']},
            "relevantContent":{'S':insertinfo['relevantContent']},
            "relevant_gender":{'S':insertinfo['relevant_gender']},
            "type_id":{'S':insertinfo['type_id']},
            "user_id":{'S':user_id},
            "relevant_id":{'S':relevant_id}
    }
)

2. 查找指定用户在指定性别的关系列表

items=dynamodbclient.query(
       TableName='UserRelevantTable',
       KeyConditionExpression="#u=:u",
       ConditionExpression:"delete_status=false" 
      FilterExpression="#relevant_gender=:relevant_gender",
       ExpressionAttributeNames={
          "#u":"user_id",
          "#relevant_gender":"relevant_gender"
       },
       ExpressionAttributeValues={
          ":u":{"S":user01},
          ":relevant_gender":{"S":male}
       }
) 

查询使用的是上述第二种 Query API， 并使用了三种表达式（参考下图）：

• 通过使用 KeyCondition 表达式来查询哪一条数据合集被返回（one item collection）作为返回值。下图中，黄线的部分，为表达式数值为 user01 的一条 item collection。KeyCondtion 的作用区紧在主键中。
• 使用 Filter 表达式，通过下图，可以清晰地看到，Filter 的查询功能主要作用在属性值内，通过 Query 查询一条数据返回中，过滤出需要最终返回的数值。查询用户 user01 的所有男性用户用户。
• ConditionExpression 作为条件筛选出 delete_status 为否的关系并未删除的数据。例代码中井号 # 为属性名字，冒号 : 后边代表属性数值。

3. 更新关系-updateRelevent 

是通过单个项目查询 API 方式，通过 UpdateItem 的方式，插入数据。基于主键更新 ReleventContent 相关内容的属性值。

result = dynamodbclient.update_item(
       TableName='UserRelevantTable',
       Key={
             "user_id":{"S":user_id},
              "relevant_id":{"S":relevant_id}
            },
            
       UpdateExpression="SET #relevantContent=:relevantContent,#update_time=:update_time",
       
       ExpressionAttributeNames={
                    "#relevantContent":'relevantContent',
                    "#update_time":'update_time',
       },
       ExpressionAttributeValues={
                    ":relevantContent":{"S":designer},
                    ":update_time":{"S":update_time}
                    
       }
)

4. 删除关系-deleteRelevant

result = dynamodbclient.update_item(
       TableName='UserRelevantTable',
       Key={
             "user_id":{"S":user_id},
              "relevant_id":{"S":relevant_id}
            },
            
       UpdateExpression="SET #delete_status=:delete_status,#update_time=:update_time",
                Key={
                    "user_id":{"S":user_id},
                    "relevant_id":{"S":relevant_id}
                },
       ExpressionAttributeNames={
                    "#delete_status":'delete_status',
                    "#update_time":'update_time',
       },
       ExpressionAttributeValues={
                    ":delete_status":{"BOOL":True},
                    ":update_time":{"S":update_time}
                    
       }
)

参考链接

Lambda Python 代码：https://github.com/Summer1208/Samplecode/blob/main/DynamoDB_UserRelevant

总结

本文通过使用 DynamoDB 来创建人物关系，并实现毫秒级响应速度，满足客户业务需求，对响应速度有要求的客户，可以参考 Lambda github 实例代码进行快速验证。

本篇作者