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PolarDB数据库性能大赛Java选手分享

kiritomoe Kirito的技术分享 2022-09-01
收录于合集 #性能挑战赛 24个

1 前言

国际惯例，先报成绩，熬了无数个夜晚，最后依旧被绝杀出了第一页，最终排名第 21 名。前十名的成绩分布为 413.69~416.94，我最终的耗时是 422.43。成绩虽然不是特别亮眼，但与众多参赛选手使用 C++ 作为参赛语言不同，我使用的是 Java，一方面是我 C++ 的能力早已荒废，另一方面是我想验证一下使用 Java 编写存储引擎是否与 C++ 差距巨大(当然，主要还是前者 QAQ)。所以在本文中，我除了介绍整体的架构之外，还会着重笔墨来探讨 Java 编写存储类型应用的一些最佳实践，文末会给出 github 的开源地址。

2 赛题概览

比赛总体分成了初赛和复赛两个阶段，整体要求实现一个简化、高效的 kv 存储引擎

初赛要求支持 Write、Read 接口。

  1. public abstract void write(byte[] key, byte[] value);

  2. public abstract byte[] read(byte[] key);

复赛在初赛题目基础上，还需要额外实现一个 Range 接口。

  1. public abstract void range(byte[] lower, byte[] upper, AbstractVisitor visitor);

程序评测逻辑 分为2个阶段： 1）Recover 正确性评测： 此阶段评测程序会并发写入特定数据（key 8B、value 4KB）同时进行任意次 kill -9 来模拟进程意外退出（参赛引擎需要保证进程意外退出时数据持久化不丢失），接着重新打开 DB，调用 Read、Range 接口来进行正确性校验

2）性能评测

  • 随机写入：64 个线程并发随机写入，每个线程使用 Write 各写 100 万次随机数据（key 8B、value 4KB）

  • 随机读取：64 个线程并发随机读取，每个线程各使用 Read 读取 100 万次随机数据

  • 顺序读取：64 个线程并发顺序读取，每个线程各使用 Range 有序（增序）遍历全量数据 2 次 注： 2.2 阶段会对所有读取的 kv 校验是否匹配，如不通过则终止，评测失败； 2.3 阶段除了对迭代出来每条的 kv校 验是否匹配外，还会额外校验是否严格字典序递增，如不通过则终止，评测失败。

语言限定：C++ & JAVA，一起排名

3 赛题剖析

关于文件 IO 操作的一些基本常识，我已经在专题文章中进行了介绍，如果你没有浏览那篇文章，建议先行浏览一下：文件IO操作的一些最佳实践。再回归赛题，先对赛题中的几个关键词来进行解读。

3.1 key 8B, value 4kb

key 为固定的 8 字节，因此可使用 long 来表示。

value 为 4kb，这节省了我们很大的工作量，因为 4kb 的整数倍落盘是非常磁盘 IO 友好的。

value 为 4kb 的另一个好处是我们再内存做索引时，可以使用 int 而不是 long，来记录数据的逻辑偏移量：LogicOffset = PhysicalOffset / 4096，可以将 offset 的内存占用量减少一半。

3.2 kill -9 数据不丢失

首先赛题明确表示会进行 kill -9 并验证数据的一致性，这加大了我们在内存中做 write buffer 的难度。但它并没有要求断电不丢失，这间接地阐释了一点：我们可以使用 pageCache 来做写入缓存，在具体代码中我使用了 PageCache 来充当数据和索引的写入缓冲（两者策略不同）。同时这点也限制了参赛选手，不能使用 AIO 这样的异步落盘方式。

3.3 分阶段测评

赛题分为了随机写，随机读，顺序读三个阶段，每个阶段都会重新 open，且不会发生随机写到一半校验随机读这样的行为，所以我们在随机写阶段不需要在内存维护索引，而是直接落盘。随机读和顺序读阶段，磁盘均存在数据，open 阶段需要恢复索引，可以使用多线程并发恢复。

同时，赛题还有存在一些隐性的测评细节没有披露给大家，但通过测试，我们可以得知这些信息。

3.4 清空 PageCache 的耗时

虽然我们可以使用 PageCache，但评测程序在每个阶段之后都使用脚本清空了 PageCache，并且将这部分时间也算进了最终的成绩之中，所以有人感到奇怪：三个阶段的耗时相加比输出出来的成绩要差，其实那几秒便是清空 PageCache 的耗时。

  1. #清理 pagecache (页缓存)

  2. sysctl -w vm.drop_caches=1

  3. #清理 dentries（目录缓存）和 inodes

  4. sysctl -w vm.drop_caches=2

  5. #清理pagecache、dentries和inodes

  6. sysctl -w vm.drop_caches=3

这一点启发我们，不能毫无节制的使用 PageCache，也正是因为这一点，一定程度上使得 Direct IO 这一操作成了本次竞赛的银弹。

3.5 key 的分布

这一个隐性条件可谓是本次比赛的关键，因为它涉及到 Range 部分的架构设计。本次比赛的 key 共计 6400w，但是他们的分布都是均匀的，在《文件IO操作的一些最佳实践》 一文中我们已经提到了数据分区的好处，可以大大减少顺序读写的锁冲突，而 key 的分布均匀这一特性，启发我们在做数据分区时，可以按照 key 的搞 n 位来做 hash，从而确保 key 两个分区之间整体有序(分区内部无序)。实际我尝试了将数据分成 1024、2048 个分区，效果最佳。

3.6 Range 的缓存设计

赛题要求 64 个线程 Range 两次全量的数据，限时 1h，这也启发了我们，如果不对数据进行缓存，想要在 1h 内完成比赛是不可能的，所以，我们的架构设计应该尽量以 Range 为核心，兼顾随机写和随机读。Range 部分也是最容易拉开差距的一个环节。

4 架构详解

首先需要明确的是，随机写指的是 key 的写入是随机的，但我们可以根据 key hash，将随机写转换为对应分区文件的顺序写。

  1. /**

  2. * using high ten bit of the given key to determine which file it hits.

  3. */

  4. public class HighTenPartitioner implements Partitionable {

  5.    @Override

  6.    public int getPartition(byte[] key) {

  7.        return ((key[0] & 0xff) << 2) | ((key[1] & 0xff) >> 6);

  8.    }

  9. }

明确了高位分区的前提再来看整体的架构就变得明朗了

全局视角

分区视角

内存视角

内存中仅仅维护有序的 key[1024][625000] 数组和 offset[1024][625000] 数组。

上述两张图对整体的架构进行了一个很好的诠释，利用数据分布均匀的特性，可以将全局数据 hash 成 1024 个分区，在每个分区中存放两类文件：索引文件和数据文件。在随机写入阶段，根据 key 获得该数据对应分区位置，并按照时序，顺序追加到文件末尾，将全局随机写转换为局部顺序写。利用索引和数据一一对应的特性，我们也不需要将 data 的逻辑偏移量落盘，在 recover 阶段可以按照恢复 key 的次序，反推出 value 的逻辑偏移量。

在 range 阶段，由于我们事先按照 key 的高 10 为做了分区，所以我们可以认定一个事实，patition(N) 中的任何一个数据一定大于 partition(N-1) 中的任何一个数据，于是我们可以采用大块读，将一个 partition 整体读进内存，供 64 个 visit 线程消费。到这儿便奠定了整体的基调：读盘线程负责按分区读盘进入内存，64 个 visit 线程负责消费内存，按照 key 的次序随机访问内存，进行 Visitor 的回调。

5 随机写流程

介绍完了整体架构，我们分阶段来看一下各个阶段的一些细节优化点，有一些优化在各个环节都会出现，未避免重复，第二次出现的同一优化点我就不赘述了，仅一句带过。

使用 pageCache 实现写入缓冲区

主要看数据落盘，后讨论索引落盘。磁盘 IO 类型的比赛，第一步便是测量磁盘的 IOPS 以及多少个线程一次读写多大的缓存能够打满 IO，在固定 64 线程写入的前提下，16kb，64kb 均可以达到最理想 IOPS，所以理所当然的想到，可以为每一个分区分配一个写入缓存，凑齐 4 个 value 落盘。但是此次比赛，要做到 kill -9 不丢失数据，不能简单地在内存中分配一个 ByteBuffer.allocate(4096*4);， 而是可以考虑使用 mmap 内存映射出一片写入缓冲，凑齐 4 个刷盘，这样在 kill -9 之后，PageCache 不会丢失。实测 16kb 落盘比 4kb 落盘要快 6s 左右。

索引文件的落盘则没有太大的争议，由于 key 的数据量为固定的 8B，所以 mmap 可以发挥出它写小数据的优势，将 pageCache 利用起来，实测 mmap 相比 filechannel 写索引要快 3s 左右，相信如果把 polardb 这块盘换做其他普通的 ssd，这个数值还要增加。

写入时不维护内存索引，不写入数据偏移

一开始审题不清，在随机写之后误以为会立刻随机读，实际上每个阶段都是独立的，所以不需要在写入时维护内存索引；其次，之前的架构图中也已经提及，不需要写入连带 key+offset 一起写入文件，recover 阶段可以按照恢复索引的顺序，反推出 data 的逻辑偏移，因为我们的 key 和 data 在同一个分区内的位置是一一对应的。

6 恢复流程

recover 阶段的逻辑实际上包含在程序的 open 接口之中，我们需要再数据库引擎启动时，将索引从数据文件恢复到内存之中，在这之中也存在一些细节优化点。

由于 1024 个分区的存在，我们可以使用 64 个线程 (经验值) 并发地恢复索引，使用快速排序对 key[1024][62500]  数组和 offset[1024][62500]  进行 sort，之后再 compact，对 key 进行去重。需要注意的一点是，不要使用结构体，将 key 和 offset 封装在一起，这会使得排序和之后的二分效率非常低，这之中涉及到 CPU 缓存行的知识点，不了解的读者可以翻阅我之前的博客: 《CPU Cache 与缓存行》

  1. // wrong

  2. public class KeyOffset {

  3.    long key;

  4.    int offset;

  5. }

整个 recover 阶段耗时为 1s，跟 cpp 选手交流后发现恢复流程比之慢了 600ms，这中间让我觉得比较诡异，加载索引和排序不应该这么慢才对，最终也没有优化成功。

7 随机读流程

随机读流程没有太大的优化点，优化空间实在有限，实现思路便是先根据 key 定位到分区，之后在有序的 key 数据中二分查找到 key/offset，拿到 data 的逻辑偏移和分区编号，便可以愉快的随机读了，随机读阶段没有太大的优化点，但仍然比 cpp 选手慢了 2-3s，可能是语言无法越过的差距。

8 顺序读流程

Range 环节是整个比赛的大头，也是拉开差距的分水岭。前面我们已经大概提到了 Range 的整体思路是一个生产者消费者模型，n 个生成者负责从磁盘读数据进入内存（n 作为变量，通过 benchmark 来确定多少合适，最终实测 n 为 4 时效果最佳），64 个消费者负责调用 visit 回调，来验证数据，visit 过程就是随机读内存的过程。在 Range 阶段，剩余的内存还有大概 1G 左右，所以我分配了 4 个堆外缓冲，一个 256M，从而可以缓存 4 个分区的数据，并且，我为每一个分区分配了一个读盘线程，负责 load 数据进入缓存，供 64 个消费者消费。

具体的顺序读架构可以参见下图：

大体来看，便是 4 个 fetch 线程负责读盘，fetch thread n 负责 partitionNo%4==n 编号的分区，完成后通知 visit 消费。这中间充斥着比较多的互斥等待逻辑，并未在图中体现出来，大体如下：

  1. fetch thread 1~4 加载磁盘数据进入缓存是并发的

  2. visit group 1~64 访问同一个 buffer 是并发的

  3. visit group 1~64 访问不同 partition 对应的 buffer 是按照次序来进行的(打到全局有序)

  4. 加载 partitonN 会阻塞 visit bufferN，visit bufferN 会阻塞加载 partitionN+4(相当于复用4块缓存)

大块的加载读进缓存，最大程度复用，是 ReadSeq 部分的关键。顺序读两轮的成绩在 196~198s 左右，相比 C++ 又慢了 4s 左右。

9 魔鬼在细节中

这儿是个分水岭，介绍完了整体架构和四个阶段的细节实现，下面就是介绍下具体的优化点了。

10 Java 实现 Direct IO

由于这次比赛将 drop cache 的时间算进了测评程序之中，所以在不必要的地方应当尽量避免 pageCache，也就是说除了写索引之外，其他阶段不应该出现 pageCache。这对于 Java 选手来说可能是不小的障碍，因为 Java 原生没有提供 Direct IO，需要自己封装一套 JNA 接口，封装这套接口借鉴了开源框架 jaydio 的思路，感谢@尘央的协助，大家可以在文末的代码中看到实现细节。这一点可以说是拦住了一大票 Java 选手。

Direct IO 需要注意的两个细节：

  1. 分配的内存需要对齐，对应 jna 方法：posix_memalign

  2. 写入的数据需要对齐通常是 pageSize 的整数倍，实际使用了 pread 的 O_DIRECT

11 直接内存优于堆内内存

这一点在《文件IO操作的一些最佳实践》中有所提及，堆外内存的两大好处是减少了一份内存拷贝，并且对 gc 友好，在 Direct IO 的实现中，应该配备一套堆外内存的接口，才能发挥出最大的功效。尤其在 Range 阶段，一个缓存区的大小便对应一个 partition 数据分区的大小：256M，大块的内存，更加适合用 DirectByteBuffer 装载。

12 JVM 调优

  1. -server -Xms2560m -Xmx2560m -XX:MaxDirectMemorySize=1024m -XX:NewRatio=4 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC -XX:-UseBiasedLocking

众所周知 newRatio 控制的是 young 区和 old 区大小的比例，官方推荐参数为 -XX:NewRatio=1，很多不注意的 Java 选手可能没有意识去修改它，会在无形中被 gc 拖累。经过和@阿杜的讨论，最终得出的结论：

  1. young 区过大，对象在年轻代待得太久，多次拷贝

  2. old 区过小，会频繁触发 old 区的 cms gc

在比赛中这显得尤为重要， -XX:NewRatio=4 放大老年代可以有效的减少 cms gc 的次数，将 126 次 cms gc，下降到最终的 5 次。

13 池化对象

无论是 apache 的 ObjectPool 还是 Netty 中的 Recycler，还是 RingBuffer 中预先分配的对象，都在传达一种思想，对于那些反复需要 new 出来的东西，都可以池化，分配内存再回收，这也是一笔不小的开销。在此次比赛的场景下，没必要大费周章地动用对象池，直接一个 ThreadLocal 即可搞定，事实上我对 key/value 的写入和读取都进行了 ThreadLocal 的缓存，做到了永远不再循环中分配对象。

14 减少线程切换

无论是网络 IO 还是磁盘 IO，io worker 线程的时间片都显得尤为的可贵，在我的架构中，range 阶段主要分为了两类线程：64 个 visit 线程并发随机读内存，4 个 io 线程并发读磁盘。木桶效应，我们很容易定位到瓶颈在于 4 个 io 线程，在 wait/notify 的模型中，为了尽可能的减少 io 线程的时间片流失，可以考虑使用 while(true) 进行轮询，而 visit 线程则可以 sleep(1us) 避免 cpu 空转带来的整体性能下降，由于评测机拥有 64 core，所以这样的分配算是较为合理的，为此我实现了一个简单粗暴的信号量。

  1. public class LoopQuerySemaphore {

  3.    private volatile boolean permit;

  5.    public LoopQuerySemaphore(boolean permit) {

  6.        this.permit = permit;

  7.    }

  9.    // for 64 visit thread

  10.    public void acquire() throws InterruptedException {

  11.        while (!permit) {

  12.            Thread.sleep(0,1);

  13.        }

  14.        permit = false;

  15.    }

  17.    // for 4 fetch thread

  18.    public void acquireNoSleep() throws InterruptedException {

  19.        while (!permit) {

  20.        }

  21.        permit = false;

  22.    }

  24.    public void release() {

  25.        permit = true;

  26.    }

  28. }

正确的在 IO 中 acquireNoSleep，在 Visit 中 acquire，可以让成绩相比使用普通的阻塞 Semaphore 提升 6s 左右。

15 绑核

线上机器的抖动在所难免，避免 IO 线程的切换也并不仅仅能够用依靠 while(true) 的轮询，一个 CPU 级别的优化便是腾出 4 个核心专门给 IO 线程使用，完全地避免 IO 线程的时间片争用。在 Java 中这也不难实现，依赖万能的 github，我们可以轻松地实现 Affinity。github 传送门：https://github.com/OpenHFT/Java-Thread-Affinity

使用方式：

  1. try (final AffinityLock al2 = AffinityLock.acquireLock()) {

  2.    // do fetch ...

  3. }

这个方式可以让你的代码快 1~2 s，并且保持测评的稳定性。

0 聊聊 FileChannel，MMAP，Direct IO，聊聊比赛

我在最终版本的代码中，几乎完全抛弃了 FileChannel，事实上，在不 Drop Cache 的场景下，它已经可以发挥出它利用 PageCache 的一些优势，并且优秀的 Java 存储引擎都主要使用了 FileChannel 来进行读写，在少量的场景下，使用了 MMAP 作为辅助，毕竟，MMAP 在写小数据量文件时存在其价值。

另外需要注意的一点，在跟@96年的亚普长谈的一个夜晚，发现 FileChannel 中出人意料的一个实现，在分配堆内内存时，它仍然会拷贝一份堆外内存，这对于实际使用 FileChannel 的场景需要额外注意，这部分意料之外分配的内存很容易导致线上的问题（实际上已经遇到了，和 glibc 的 malloc 相关，当 buffer 大于 128k 时，会使用 mmap 分配一块内存作为缓存）

说回 FileChannel，MMAP，最容易想到的是 RocketMQ 之中对两者灵活的运用，不知道在其他 Java 实现的存储引擎之中，是不是可以考虑使用 Direct IO 来提升存储引擎的性能呢？我们可以设想一下，利用有限并且少量的 PageCache 来保证一致性，在主流程中使用 Direct IO 配合顺序读写是不是一种可以配套使用的方案，不仅仅 PolarDB，算作是参加本次比赛给予我的一个启发。

虽然无缘决赛，但使用 Java 取得这样的成绩还算不是特别难过，在 6400w 数据随机写，随机读，顺序读的场景下，Java 可以做到仅仅相差 C++ 不到 10s 的 overhead，我倒是觉得完全是可以接受的，哈哈。还有一些小的优化点就不在此赘述了，欢迎留言与我交流优化点和比赛感悟。

KiritoDB源码：https://github.com/lexburner/kiritoDB

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