Kylin 4 云上性能优化：本地缓存与软亲和性调度
一、背景介绍
日前，Apache Kylin 社区发布了全新架构的 Kylin 4.0。Kylin 4.0 的架构支持存储和计算分离，这使得 Kylin 用户可以采取更加灵活、计算资源可以弹性伸缩的云上部署方式来运行 Kylin 4.0。借助云上的基础设施，用户可以选择使用便宜且可靠的对象存储来储存 cube 数据，比如 S3 等。不过在存储与计算分离的架构下，我们需要考虑到，计算节点通过网络从远端存储读取数据仍然是一个代价较大的操作，往往会带来性能的损耗。
为了提高 Kylin 4.0 在使用云上对象存储作为存储时的查询性能，我们尝试在 Kylin 4.0 的查询引擎中引入本地缓存（Local Cache）机制，在执行查询时，将经常使用的数据缓存在本地磁盘，减小从远程对象存储中拉取数据带来的延迟，实现更快的查询响应；除此之外，为了避免同样的数据在大量 spark executor 上同时缓存浪费磁盘空间，并且计算节点可以更多的从本地缓存读取所需数据，我们引入了 软亲和性（Soft Affinity ）的调度策略，所谓软亲和性策略，就是通过某种方法在 spark executor 和数据文件之间建立对应关系，使得同样的数据在大部分情况下能够总是在同一个 executor 上面读取，从而提高缓存的命中率。
二、实现原理
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本地缓存
在 Kylin 4.0 执行查询时，主要经过以下几个阶段，其中用虚线标注出了可以使用本地缓存来提升性能的阶段：
File list cache：在 spark driver 端对 file status 进行缓存。在执行查询时，spark driver 需要读取文件列表，获取一些文件信息进行后续的调度执行，这里会将 file status 信息缓存到本地避免频繁读取远程文件目录。
Data cache：在 spark executor 端对数据进行缓存。用户可以设置将数据缓存到内存或是磁盘，若设置为缓存到内存，则需要适当调大 executor memory，保证 executor 有足够的内存可以进行数据缓存；若是缓存到磁盘，需要用户设置数据缓存目录，最好设置为 SSD 磁盘目录。除此之外，缓存数据的最大容量、备份数量等均可由用户配置调整。
基于以上设计，在 Kylin 4.0 的查询引擎 sparder 的 driver 端和 executor 端分别做不同类型的缓存，基本架构如下：
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软亲和性调度
在 executor 端做 data cache 时，如果在所有的 executor 上都缓存全部的数据，那么缓存数据的大小将会非常可观，极大的浪费磁盘空间，同时也容易导致缓存数据被频繁清理。为了最大化 spark executor 的缓存命中率，spark driver 需要将同一文件的 task 在资源条件满足的情况下尽可能调度到同样的 executor，这样可以保证相同文件的数据能够缓存在特定的某个或者某几个 executor 上，再次读取时便可以通过缓存读取数据。
为此，我们采取根据文件名计算 hash 之后再与 executors num 取模的结果来计算目标 executor 列表，在多少个 executor 上面做缓存由用户配置的缓存备份数量决定，一般情况下，缓存备份数量越大，击中缓存的概率越高。当目标 executor 均不可达或者没有资源供调度时，调度程序将回退到 spark 的随机调度机制上。这种调度方式便称为软亲和性调度策略，它虽然不能保证 100% 击中缓存，但能够有效提高缓存命中率，在尽量不损失性能的前提下避免 full cache 浪费大量磁盘空间。
三、相关配置
根据以上原理，我们在 Kylin 4.0 中实现了本地缓存+软亲和性调度的基础功能，并分别基于 SSB 数据集和 TPCH 数据集做了查询性能测试。
这里列出几个比较重要的配置项供用户了解，实际使用的配置将在结尾链接中给出：
是否开启软亲和性调度策略：kylin.query.spark-conf.spark.kylin.soft-affinity.enabled
是否开启本地缓存：kylin.query.spark-conf.spark.hadoop.spark.kylin.local-cache.enabled
Data cache 的备份数量，即在多少个 executor 上对同一数据文件进行缓存：kylin.query.spark-conf.spark.kylin.soft-affinity.replications.num
缓存到内存中还是本地目录，缓存到内存设置为 BUFF，缓存到本地设置为 LOCAL：kylin.query.spark-conf.spark.hadoop.alluxio.user.client.cache.store.type
最大缓存容量：kylin.query.spark-conf.spark.hadoop.alluxio.user.client.cache.size
四、性能对比
我们在 AWS EMR 环境下进行了 3 种场景的性能测试，在 scale factor = 10的情况下，对 SSB 数据集进行单并发查询测试、TPCH 数据集进行单并发查询以及 4 并发查询测试，实验组和对照组均配置 S3 作为存储，在实验组中开启本地缓存和软亲和性调度，对照组则不开启。除此之外，我们还将实验组结果与相同环境下 HDFS 作为存储时的结果进行对比，以便用户可以直观的感受到 本地缓存+软亲和性调度 对云上部署 Kylin 4.0 使用对象存储作为存储场景下的优化效果。
从以上结果可以看出：
在 SSB 10 数据集单并发场景下，使用 S3 作为存储时，开启本地缓存和软亲和性调度能够获得3倍左右的性能提升，可以达到与 HDFS 作为存储时的相同性能甚至还有 5% 左右的提升。
在 TPCH 10 数据集下，使用 S3 作为存储时，无论是单并发查询还是多并发查询，开启本地缓存和软亲和性调度后，基本在所有查询中都能够获得大幅度的性能提升。
不过在 TPCH 10 数据集的 4 并发测试下的 Q21 的对比结果中，我们观察到，开启本地缓存和软亲和性调度的结果反而比单独使用 S3 作为存储时有所下降，这里可能是由于某种原因导致没有通过缓存读取数据，深层原因在此次测试中没有进行进一步的分析，在后续的优化过程中我们会逐步改进。由于 TPCH 的查询比较复杂且 SQL 类型各异，与 HDFS 作为存储时的结果相比，仍然有部分 SQL 的性能略有不足，不过总体来说已经与 HDFS 的结果比较接近。
本次性能测试的结果是一次对 本地缓存+软亲和性调度 性能提升效果的初步验证，从总体上来看，本地缓存+软亲和性调度 无论对于简单查询还是复杂查询都能够获得明显的性能提升，但是在高并发查询下相比单并发查询存在一定的性能损失。
如果用户使用云上对象存储作为 Kylin 4.0 的存储，在开启 本地缓存+ 软亲和性调度的情况下，是可以获得很好的性能体验的，这为 Kylin 4.0 在云上使用计算和存储分离架构提供了性能保障。
五、代码实现
由于目前的代码实现还处于比较基础的阶段，还有许多细节需要完善，比如实现一致性哈希、当 executor 数量发生变化时如何处理已有 cache 等，所以作者还未向社区代码库提交 PR，想要提前预览的开发者可以通过下面的链接查看源码：
https://github.com/apache/kylin/commit/4e75b7fa4059dd2eaed24061fda7797fecaf2e35
相关链接
想要了解更多详情，可通过链接查阅性能测试结果数据和 kylin.properties：
https://github.com/Kyligence/kylin-tpch/issues/9
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