令人惊叹的PostgreSQL可伸缩性

Original 冯若航非法加冯 2024-03-04

Cloudflare是如何用15个PG集群支持55M QPS的
https://newsletter.systemdesign.one/p/postgresql-scalability

2009年7月，美国加州，一个创业团队搞了一个名为 Cloudflare 的内容分发网络（CDN），用于加速请求，让网络访问更稳定且更快捷。他们在发展初期面临着各种挑战，然而其增长速度却十分惊人。

互联网流量全局概览

现在他们承载着 20% 的互联网流量，每秒 5500 万个 HTTP 请求。而他们仅仅使用 15 个 PostgreSQL 集群就做到了这一点。

Cloudflare 使用 PostgreSQL 来存储服务元数据，并处理 OLTP 工作负载。然而在同一个集群支持有着多种不同负载类型的租户是一个难题。一个集群（Cluster）是一组数据库服务器，一个租户（tenant）是特定用户或用户组专用的隔离数据空间。

PostgreSQL的可伸缩性

以下是他们如何将 PostgreSQL 的可伸缩性用到极致的。

1. 争用

大多数客户端都会相互争用 Postgres 连接。但是 Postgres 连接的成本很高，因为每个连接都是操作系统级别的独立进程。而且每个租户都有独特的工作负载类型，所以很难创建一个全局阈值进行限流。

而且，人工限制行为不端的租户是一项巨大的工作。某个租户可能会发起一个开销巨大的查询，因而阻塞邻居租户的查询饿着他们。同时，一旦查询到达数据库服务器这儿，再想隔离它就很难了。

使用 Pgbouncer 进行连接池化

因此他们使用 Pgbouncer 作为 Postgres 前面的连接池。PgBouncer 将充当 TCP 代理，池化 Postgres 连接。租户连接到 PgBouncer ，而不是直连 Postgres。因而限制了 Postgres 连接的数量，也能防止连接饥饿现象。

此外，PgBouncer 还通过使用持久连接来规避了创建和销毁数据库连接的高昂开销，也被用于在运行时限流那些发起高开销查询的租户们。

2. 惊群

当许多客户端同时查询服务器时就会出现惊群（Thundering Herd）的问题，这会导致数据库性能降级。

惊群^[1]

当应用程序被重新部署时，其状态会初始化，应用会一次性创建许多条数据库连接。因而当当租户争抢 Postgres 连接时，就会引起惊群现象，Cloudflare 使用 PgBouncer 来限制特定租户创建的 Postgres 连接数。

3. 性能

Cloudflare 没有在云上运行 PostgreSQL ，而是使用没有任何虚拟化开销的裸金属物理机，以实现最好的性能。

在数据库实例之间对流量做负载均衡

Cloudflare 使用 HAProxy 作为四层负载均衡，Pgbouncer 将查询转发至 HAProxy，而 HAProxy 负载均衡器会在集群主实例与只读副本之间对流量进行负载均衡。

4. 并发

如果有许多租户发起并发（Concurrent）查询，性能会下降。

拥塞控制限流算法

因而 Cloudflare 使用 TCP Vegas 拥塞控制算法 来对租户限流。这个算法的工作原理是，首先采样每个租户的事务往返 Postgres 的响应时间（RTT），然后只要 RTT 不降级就持续调整连接池大小，因而在出现资源枯竭前就能实现限流。

5. 排队

Cloudflare 在 PgBouncer 层面使用队列对查询进行排队。查询在队列中的顺序取决于它们的历史资源使用情况，换句话说，需要更多资源的查询会排在队列的尾部。

使用优先队列排序查询

Cloudflare 只在流量峰时刻启用优先队列以防资源饥饿。换言之在正常流量中，查询不会永远排在队尾。

这种方法改善了绝大多数查询的延迟（Latency），不过在流量峰时发起大开销查询的租户会观察到更高的延迟。

6. 高可用

Cloudflare 使用 Stolon 集群管控负责 Postgres 的高可用.

使用 Stolon 负责数据库高可用

Stolon^[2] 可用于搭建 Postgres 主从复制，并在出现问题时负责选举 Postgres 集群领导者（主库）并进行故障切换。

这里的每个数据库集群都会复制到两个区域，每个区域内有三个实例。写请求会被路由到主要区域中的主库上，然后异步复制到次要区域，读请求会路由到次要区域中处理。

Cloudflare 会进行组件间连通性测试以便主动发现网络分区问题，也会进行混沌测试以优化系统韧性，还会配置冗余的网络交换机与路由器来避免网络分区。

当故障切换结束，主库实例重新上线时，他们会使用 pg_rewind 工具重放错过的写入变更，来让旧主库重新与集群同步。

Cloudflare 的 Postgres 主库实例与从库实例加起来超过 100 台。他们组合使用了操作系统资源管理，排队理论，拥塞控制算法，甚至是 PostgreSQL 统计量来实现 PostgreSQL 的可伸缩性。

评价与讨论

这是一篇系统设计经验分享，主要介绍了如何使用 PgBouncer 以解决 PostgreSQL 的可伸缩性（Scalability）问题。55M QPS + 20% 的互联网流量听上去并不小，但从 PostgreSQL 专家的角度看，这里的实践确实还是有些朴素简陋 —— 甚至可以说大惊小怪。不过，是这篇文章确实抛出来了一个有意义的问题 —— 即 PostgreSQL的 可伸缩性 到底怎么样？

PostgreSQL 的可伸缩性现状

PostgreSQL 在垂直伸缩和水平伸缩能力上享有盛誉。在读请求上，PostgreSQL 没有什么伸缩性问题 —— 因为读写互不阻塞，所以只读查询的吞吐量上限几乎是随投入的资源（CPU）线性增长的，无论是垂直增加 CPU/内存还是水平扩容拖从库，都可以通过加资源解决。

PostgreSQL 在写入上的伸缩性没有读上那么强，高并发单机 WAL 写入/重放速度达到 100 MB/s ～ 300 MB/s 时，就可能会遇到软件瓶颈了 —— 但对于常规生产 OLTP 负载这已经是一个很大的值了（作为参考，探探这样一个两亿用户/千万日活的应用，所有PG的写入加起来也就在 120 MB/s 左右）。

PostgreSQL 社区也正在讨论通过 DIO/AIO 以及并行WAL重放的方式来进一步拓展此瓶颈。用户也可以考虑使用 Citus 或者其他分库分表中间件实现写入的伸缩扩容。—— 《展望PostgreSQL的2024 (Jonathan Katz)》

在容量上，PostgreSQL 的可伸缩性主要取决于磁盘，本身并没有瓶颈。在 NVMe SSD 单卡64TB的当下，配合压缩卡支持百TB级别的数据容量毫无问题，更大的容量也可以使用 RAID 或使用多个表空间的方式进行支持。社区曾经报告过不少百TB量级的PG OLTP 实例案例，也有零星 PB 级实例的案例。巨型 PG 实例的面临的挑战主要是维护上的（例如备份管理）而不是性能上的。

在过去，PostgreSQL 可伸缩性比较为人诟病的一个问题，就是对海量连接的支持（高并发） （在 PostgreSQL 14 后得到显著改善）。PostgreSQL 和 Oracle 默认的模型一样都使用了多进程架构。这种设计有着更好的可靠性，但在面对海量高并发场景时，这种模型的性能就有些拖后腿了。

互联网场景下数据库访问模式主要是海量短连接：一个查询过来就创建一条连接，执行完后就销毁连接 —— PHP 以前就是这么干的，所以和使用线程模型的搭档 MySQL 很配。但对于 PostgreSQL 而言，海量的后端进程与频繁的进程创建销毁会浪费大量的软硬件资源，因而在这种场景的性能表现上就有些力不从心了。

连接池 —— 解决高并发问题

PostgreSQL 推荐默认使用的连接数量约为 CPU 核数的两倍，通常在几十～几百的范围内会比较合适。互联网场景下动辄以千/以万计的客户端连接如果直连 PostgreSQL，就会产生显著的额外负担。

连接池便是为了解决这个问题而出现的 —— 可以说，连接池对于在互联网场景下使用 PostgreSQL 是一个必选项，能够起到化腐朽为神奇的效果。

请注意，PostgreSQL 并非不支持高吞吐，问题的关键在于高并发 —— 在《PG性能有多强》中，我们在 92 vCPU 的服务器上使用约 96 条连接压测出 sysbench 点查吞吐量峰值 233 万。而在超出可用资源后，这一最大吞吐随着并发进一步加大而开始缓慢下降。

使用连接池有一些显著的好处：首先，数万条客户端连接，可以池化缓冲收敛为几条活跃 Server 连接（使用事务级连接池），极大减少了操作系统上的进程数量与开销，也避免了进程创建销毁的开销。第二点，并发争用的情况因为活跃连接数的减少而大大减小，进一步优化了性能。第三点，突然出现的负载峰值会在连接池上排队，而不是直接打爆数据库，降低了雪崩概率，从而提高了系统的稳定性。

性能与瓶颈

我在探探时有很多关于 PgBouncer 的最佳实践，我们有一套核心数据库集群，整个集群有着 50万 QPS，主库上的客户端连接数为两万，写入 TPS 约为 5 万。这样的负载如果直接打到 Postgres 上会立即打爆数据库。因此在应用与数据库之间，还有一个 PgBouncer 连接池中间件。所有两万条客户端连接经过连接池事务池化模式后，总共只需要 5 ～ 8 条活跃服务器连接就支撑起所有的请求，CPU 使用率约为 20%，这是一个非常巨大的性能改善。

PgBouncer 是一个轻量级连接池，可以部署在用户侧或者数据库侧。PgBouncer 本身因为使用了单进程模式，存在一个 QPS / TPS 瓶颈，约为 3 ～ 5 万。因此为了避免 PgBouncer 本身的单点问题与瓶颈，在核心主库上我们使用了 4 个幂等的 PgBouncer 实例，并通过 HAProxy 均匀分发流量给这四个 PgBouncer 连接池池化后，再转交数据库处理。但是对于绝大多数场景而言，单个 PgBouncer 进程的 3万 QPS 的处理能力已经是绰绰有余了。

管理灵活性

PgBouncer 的一个巨大优势是，它可以提供 User / Database / Instance 级别的查询响应时间指标（RT）。这是用于性能衡量的核心指标，对于早些年的 PostgreSQL 老版本，PgBouncer 中的统计值也是获取这类数据的唯一方式。尽管用户可以通过 pg_stat_statements 扩展获取查询组的 RT， PostgreSQL 14 以后也可以获取数据库级别的会话活跃时间来计算事务 RT，新出现的 eBPF 也可以完成这一点。但 PgBouncer 提供的性能监控数据对于数据库管理仍然是非常重要的参考依据。

PgBouncer 连接池不仅提供了性能上的改善，还为精细管理提供了抓手。例如在数据库在线不停机迁移中，如果在线流量完全通过连接池访问，那么你就可以通过简单修改 PgBouncer 配置文件的方式，将旧集群的读写流量丝滑重定向到新集群中，甚至都不需要业务方即时参与改配置重启服务。你也可以像上面 Cloudflare 的例子一样，在连接池修改 Database / User 的参数，实现限流的能力。如果某一个数据库租户表现不良，影响了整个共享集群，管理员可以在 PgBouncer 上轻松实现限流与阻断的能力。

其他替代品

PostgreSQL 生态中还有其他的一些连接池产品。与 PgBouncer 同期的 PGPool-II 也曾经是一个有力竞争者：它提供了更为强大的负载均衡/读写分离等能力，也能充分利用多核的能力，但是对 PostgreSQL 数据库本身有侵入性 —— 需要安装扩展才能用，而且曾经有比较显著的性能折损（30%）。所以在连接池大PK中，简单轻量的 PgBouncer 成为了胜利者，占据了PG连接池的主流生态位。

根据 TimescaleDB 发起的 PG 社区问卷调查，pgBoucner 是PG生态使用率最高的三方工具。除了 PgBouncer 之外，新的 PostgreSQL 连接池项目也在不断出现，比如 Odyssey，pgcat，pgagroal，ZQPool 等。我非常期待能有一个完全兼容 PgBouncer 的高性能/更易用原位替代出现。

此外，许多编程语言标准库的数据库驱动里，都开始内置了连接池，加上 PostgreSQL 14 的改进让多个进程的开销减少。以及硬件性能的指数增长（现在都有 512 vCPU 的服务器了，内存也不是啥稀缺资源了）。所以有时候不用连接池，几千个连接直接干上去也是一个可行选项了。

我能用上 Cloudflare 的实践吗？

随着硬件性能的不断提升，软件架构的不断优化，管理最佳实践的逐渐普及 —— 高可用、高并发、高性能（可伸缩性）对于互联网公司来说属于老生常谈，基本不算什么新鲜技术了。

例如在当下，随便一个初级 DBA / 运维，只要使用 Pigsty 部署一套 PostgreSQL 集群都可以轻松做到这一点，包括 Cloudflare 提到的 Pgbouncer 连接池，以及高可用组件 Stolon 的上位替代 Patroni ，都已经做到开箱即用了。只要硬件达标，轻松处理好海量并发百万请求不是梦。

在本世纪初，一台 Apache 服务器只能处理很可怜的一两百个并发请求。最优秀的软件也很难处理上万的并发 —— 业界有个著名的 C10K 高并发 问题，谁要是能做到几千并发，那就是业界高手。但随着 Epoll 和 Nginx 在 2003/2004 年相继问世，“高并发” 不再是什么难题了 —— 随便一个小白只要学会配置 Nginx，就可以达到前几年大师们做梦都不敢想的程度 —— 瑞典马工《云厂商眼中的客户：又穷又闲又缺爱》

这就跟现在随便哪个新手都可以拿 Nginx 实现以前用 httpd 的大师们想都不敢想的 Web 海量请求与高并发一样。PostgreSQL 的可伸缩性也随着 PgBouncer 和 Pigsty 的普及走入千家万户。

例如，在 Pigsty 中，默认为所有 PostgreSQL 1:1 部署了 PgBouncer 实例，使用事务池化模式，并纳入监控。而默认的 Primary 与 Replica 服务也是通过 PgBouncer 访问 Postgres 数据库的。用户不需要操心太多与 PgBouncer 有关的细节 —— 例如， PgBouncer 的数据库与用户是在通过剧本创建 Postgres 数据库/用户时自动维护的。一些常见的配置注意事项和坑也在预置配置模板中进行了规避，力求做到开箱即用。

当然，对于非互联网场景的应用，PgBouncer 也并非必须品。而且默认的 Transaction Pooling 虽然在性能上非常优秀，但也是以牺牲了一些会话级功能为代价的。所以您也完全可以配置 Primary / Replica 服务直连 Postgres，绕过 PgBouncer；或者使用兼容性最好的 Session Pooling 模式。

总的来说，PgBouncer 确实是一个非常实用的 PostgreSQL 生态工具。如果您的系统对于 PostgreSQL 客户端并发连接数有着较高要求，那么在测试性能时请务必试一试这款中间件。