PolarDB 資料庫效能大賽 Java 分享
國際慣例，先報成績，熬了無數個夜晚，最後依舊被絕殺出了第一頁，最終排名第 21 名。前十名的成績分佈為 413.69~416.94，我最終的耗時是 422.43。成績雖然不是特別亮眼，但與眾多參賽選手使用 C++ 作為參賽語言不同，我使用的是 Java，一方面是我 C++ 的能力早已荒廢，另一方面是我想驗證一下使用 Java 編寫儲存引擎是否與 C++ 差距巨大(當然，主要還是前者 QAQ)。所以在本文中，我除了介紹整體的架構之外，還會著重筆墨來探討 Java 編寫儲存型別應用的一些最佳實踐，文末會給出 github 的開源地址。
2 賽題概覽
比賽總體分成了初賽和複賽兩個階段，整體要求實現一個簡化、高效的 kv 儲存引擎
初賽要求支援 Write、Read 介面。
public abstract void write(byte[] key, byte[] value); public abstract byte[] read(byte[] key); 複製程式碼
複賽在初賽題目基礎上，還需要額外實現一個 Range 介面。
public abstract void range(byte[] lower, byte[] upper, AbstractVisitor visitor); 複製程式碼
程式評測邏輯 分為2個階段： 1）Recover 正確性評測： 此階段評測程式會併發寫入特定資料（key 8B、value 4KB）同時進行任意次 kill -9 來模擬程序意外退出（參賽引擎需要保證程序意外退出時資料持久化不丟失），接著重新開啟 DB，呼叫 Read、Range 介面來進行正確性校驗
2）效能評測
- 隨機寫入：64 個執行緒併發隨機寫入，每個執行緒使用 Write 各寫 100 萬次隨機資料（key 8B、value 4KB）
- 隨機讀取：64 個執行緒併發隨機讀取，每個執行緒各使用 Read 讀取 100 萬次隨機資料
- 順序讀取：64 個執行緒併發順序讀取，每個執行緒各使用 Range 有序（增序）遍歷全量資料 2 次 注： 2.2 階段會對所有讀取的 kv 校驗是否匹配，如不通過則終止，評測失敗； 2.3 階段除了對迭代出來每條的 kv校 驗是否匹配外，還會額外校驗是否嚴格字典序遞增，如不通過則終止，評測失敗。
語言限定：C++ & JAVA，一起排名
3 賽題剖析
關於檔案 IO 操作的一些基本常識，我已經在專題文章中進行了介紹，如果你沒有瀏覽那篇文章，建議先行瀏覽一下： 檔案IO操作的一些最佳實踐 。再回歸賽題，先對賽題中的幾個關鍵詞來進行解讀。
3.1 key 8B, value 4kb
key 為固定的 8 位元組，因此可使用 long 來表示。
value 為 4kb，這節省了我們很大的工作量，因為 4kb 的整數倍落盤是非常磁碟 IO 友好的。
value 為 4kb 的另一個好處是我們再記憶體做索引時，可以使用 int 而不是 long，來記錄資料的邏輯偏移量：LogicOffset = PhysicalOffset / 4096，可以將 offset 的記憶體佔用量減少一半。
3.2 kill -9 資料不丟失
首先賽題明確表示會進行 kill -9 並驗證資料的一致性，這加大了我們在記憶體中做 write buffer 的難度。但它並沒有要求斷電不丟失，這間接地闡釋了一點：我們可以使用 pageCache 來做寫入快取，在具體程式碼中我使用了 PageCache 來充當資料和索引的寫入緩衝（兩者策略不同）。同時這點也限制了參賽選手，不能使用 AIO 這樣的非同步落盤方式。
3.3 分階段測評
賽題分為了隨機寫，隨機讀，順序讀三個階段，每個階段都會重新 open，且不會發生隨機寫到一半校驗隨機讀這樣的行為，所以我們在隨機寫階段不需要在記憶體維護索引，而是直接落盤。隨機讀和順序讀階段，磁碟均存在資料，open 階段需要恢復索引，可以使用多執行緒併發恢復。
同時，賽題還有存在一些隱性的測評細節沒有披露給大家，但通過測試，我們可以得知這些資訊。
3.4 清空 PageCache 的耗時
雖然我們可以使用 PageCache，但評測程式在每個階段之後都使用指令碼清空了 PageCache，並且將這部分時間也算進了最終的成績之中，所以有人感到奇怪：三個階段的耗時相加比輸出出來的成績要差，其實那幾秒便是清空 PageCache 的耗時。
#清理 pagecache (頁快取) sysctl -w vm.drop_caches=1 #清理 dentries（目錄快取）和 inodes sysctl -w vm.drop_caches=2 #清理pagecache、dentries和inodes sysctl -w vm.drop_caches=3 複製程式碼
這一點啟發我們，不能毫無節制的使用 PageCache，也正是因為這一點，一定程度上使得 Direct IO 這一操作成了本次競賽的銀彈。
3.5 key 的分佈
這一個隱性條件可謂是本次比賽的關鍵，因為它涉及到 Range 部分的架構設計。本次比賽的 key 共計 6400w，但是他們的分佈都是 均勻 的，在 《檔案IO操作的一些最佳實踐》 一文中我們已經提到了資料分割槽的好處，可以大大減少順序讀寫的鎖衝突，而 key 的分佈均勻這一特性，啟發我們在做資料分割槽時，可以按照 key 的搞 n 位來做 hash，從而確保 key 兩個分割槽之間整體有序(分割槽內部無序)。實際我嘗試了將資料分成 1024、2048 個分割槽，效果最佳。
3.6 Range 的快取設計
賽題要求 64 個執行緒 Range 兩次全量的資料，限時 1h，這也啟發了我們，如果不對資料進行快取，想要在 1h 內完成比賽是不可能的，所以，我們的架構設計應該儘量以 Range 為核心，兼顧隨機寫和隨機讀。Range 部分也是最容易拉開差距的一個環節。
4 架構詳解
首先需要明確的是，隨機寫指的是 key 的寫入是隨機的，但我們可以根據 key hash，將隨機寫轉換為對應分割槽檔案的順序寫。
/**
* using high ten bit of the given key to determine which file it hits.
*/
public class HighTenPartitioner implements Partitionable {
@Override
public int getPartition(byte[] key) {
return ((key[0] & 0xff) << 2) | ((key[1] & 0xff) >> 6);
}
}
複製程式碼
明確了高位分割槽的前提再來看整體的架構就變得明朗了
全域性視角
分割槽視角
記憶體視角
記憶體中僅僅維護有序的 key[1024][625000] 陣列和 offset[1024][625000] 陣列。
上述兩張圖對整體的架構進行了一個很好的詮釋，利用資料分佈均勻的特性，可以將全域性資料 hash 成 1024 個分割槽，在每個分割槽中存放兩類檔案：索引檔案和資料檔案。在隨機寫入階段，根據 key 獲得該資料對應分割槽位置，並按照時序，順序追加到檔案末尾，將全域性隨機寫轉換為區域性順序寫。利用索引和資料一一對應的特性，我們也不需要將 data 的邏輯偏移量落盤，在 recover 階段可以按照恢復 key 的次序，反推出 value 的邏輯偏移量。
在 range 階段，由於我們事先按照 key 的高 10 為做了分割槽，所以我們可以認定一個事實，patition(N) 中的任何一個數據一定大於 partition(N-1) 中的任何一個數據，於是我們可以採用大塊讀，將一個 partition 整體讀進記憶體，供 64 個 visit 執行緒消費。到這兒便奠定了整體的基調：讀盤執行緒負責按分割槽讀盤進入記憶體，64 個 visit 執行緒負責消費記憶體，按照 key 的次序隨機訪問記憶體，進行 Visitor 的回撥。
5 隨機寫流程
介紹完了整體架構，我們分階段來看一下各個階段的一些細節優化點，有一些優化在各個環節都會出現，未避免重複，第二次出現的同一優化點我就不贅述了，僅一句帶過。
使用 pageCache 實現寫入緩衝區
主要看資料落盤，後討論索引落盤。磁碟 IO 型別的比賽，第一步便是測量磁碟的 IOPS 以及多少個執行緒一次讀寫多大的快取能夠打滿 IO，在固定 64 執行緒寫入的前提下，16kb，64kb 均可以達到最理想 IOPS，所以理所當然的想到，可以為每一個分割槽分配一個寫入快取，湊齊 4 個 value 落盤。但是此次比賽，要做到 kill -9 不丟失資料，不能簡單地在記憶體中分配一個 ByteBuffer.allocate(4096 * 4); ， 而是可以考慮使用 mmap 記憶體映射出一片寫入緩衝，湊齊 4 個刷盤，這樣在 kill -9 之後，PageCache 不會丟失。實測 16kb 落盤比 4kb 落盤要快 6s 左右。
索引檔案的落盤則沒有太大的爭議，由於 key 的資料量為固定的 8B，所以 mmap 可以發揮出它寫小資料的優勢，將 pageCache 利用起來，實測 mmap 相比 filechannel 寫索引要快 3s 左右，相信如果把 polardb 這塊盤換做其他普通的 ssd，這個數值還要增加。
寫入時不維護記憶體索引，不寫入資料偏移
一開始審題不清，在隨機寫之後誤以為會立刻隨機讀，實際上每個階段都是獨立的，所以不需要在寫入時維護記憶體索引；其次，之前的架構圖中也已經提及，不需要寫入連帶 key+offset 一起寫入檔案，recover 階段可以按照恢復索引的順序，反推出 data 的邏輯偏移，因為我們的 key 和 data 在同一個分割槽內的位置是一一對應的。
6 恢復流程
recover 階段的邏輯實際上包含在程式的 open 介面之中，我們需要再資料庫引擎啟動時，將索引從資料檔案恢復到記憶體之中，在這之中也存在一些細節優化點。
由於 1024 個分割槽的存在，我們可以使用 64 個執行緒 (經驗值) 併發地恢復索引，使用快速排序對 key[1024][625000] 陣列和 offset[1024][625000] 進行 sort，之後再 compact，對 key 進行去重。需要注意的一點是，不要使用結構體，將 key 和 offset 封裝在一起，這會使得排序和之後的二分效率非常低，這之中涉及到 CPU 快取行的知識點，不瞭解的讀者可以翻閱我之前的部落格:《CPU Cache 與快取行》
// wrong
public class KeyOffset {
long key;
int offset;
}
複製程式碼
整個 recover 階段耗時為 1s，跟 cpp 選手交流後發現恢復流程比之慢了 600ms，這中間讓我覺得比較詭異，載入索引和排序不應該這麼慢才對，最終也沒有優化成功。
7 隨機讀流程
隨機讀流程沒有太大的優化點，優化空間實在有限，實現思路便是先根據 key 定位到分割槽，之後在有序的 key 資料中二分查詢到 key/offset，拿到 data 的邏輯偏移和分割槽編號，便可以愉快的隨機讀了，隨機讀階段沒有太大的優化點，但仍然比 cpp 選手慢了 2-3s，可能是語言無法越過的差距。
8 順序讀流程
Range 環節是整個比賽的大頭，也是拉開差距的分水嶺。前面我們已經大概提到了 Range 的整體思路是一個生產者消費者模型，n 個生成者負責從磁碟讀資料進入記憶體（n 作為變數，通過 benchmark 來確定多少合適，最終實測 n 為 4 時效果最佳），64 個消費者負責呼叫 visit 回撥，來驗證資料，visit 過程就是隨機讀記憶體的過程。在 Range 階段，剩餘的記憶體還有大概 1G 左右，所以我分配了 4 個堆外緩衝，一個 256M，從而可以快取 4 個分割槽的資料，並且，我為每一個分割槽分配了一個讀盤執行緒，負責 load 資料進入快取，供 64 個消費者消費。
具體的順序讀架構可以參見下圖：
大體來看，便是 4 個 fetch 執行緒負責讀盤，fetch thread n 負責 partitionNo % 4 == n 編號的分割槽，完成後通知 visit 消費。這中間充斥著比較多的互斥等待邏輯，並未在圖中體現出來，大體如下：
- fetch thread 1~4 載入磁碟資料進入快取是併發的
- visit group 1~64 訪問同一個 buffer 是併發的
- visit group 1~64 訪問不同 partition 對應的 buffer 是按照次序來進行的(打到全域性有序)
- 載入 partitonN 會阻塞 visit bufferN，visit bufferN 會阻塞載入 partitionN+4(相當於複用4塊快取)
大塊的載入讀進快取，最大程度複用，是 ReadSeq 部分的關鍵。順序讀兩輪的成績在 196~198s 左右，相比 C++ 又慢了 4s 左右。
9 魔鬼在細節中
這兒是個分水嶺，介紹完了整體架構和四個階段的細節實現，下面就是介紹下具體的優化點了。
10 Java 實現 Direct IO
由於這次比賽將 drop cache 的時間算進了測評程式之中，所以在不必要的地方應當儘量避免 pageCache，也就是說除了寫索引之外，其他階段不應該出現 pageCache。這對於 Java 選手來說可能是不小的障礙，因為 Java 原生沒有提供 Direct IO，需要自己封裝一套 JNA 介面，封裝這套介面借鑑了開源框架 jaydio 的思路，感謝@塵央的協助，大家可以在文末的程式碼中看到實現細節。這一點可以說是攔住了一大票 Java 選手。
Direct IO 需要注意的兩個細節：
- 分配的記憶體需要對齊，對應 jna 方法：posix_memalign
- 寫入的資料需要對齊通常是 pageSize 的整數倍，實際使用了 pread 的 O_DIRECT
11 直接記憶體優於堆內記憶體
這一點在《檔案IO操作的一些最佳實踐》中有所提及，堆外記憶體的兩大好處是減少了一份記憶體拷貝，並且對 gc 友好，在 Direct IO 的實現中，應該配備一套堆外記憶體的介面，才能發揮出最大的功效。尤其在 Range 階段，一個快取區的大小便對應一個 partition 資料分割槽的大小：256M，大塊的記憶體，更加適合用 DirectByteBuffer 裝載。
12 JVM 調優
-server -Xms2560m -Xmx2560m -XX:MaxDirectMemorySize=1024m -XX:NewRatio=4 -XX:+UseConcMarkSweepGC -XX:+UseParNewGC -XX:-UseBiasedLocking 複製程式碼
眾所周知 newRatio 控制的是 young 區和 old 區大小的比例，官方推薦引數為 -XX:NewRatio=1 ，很多不注意的 Java 選手可能沒有意識去修改它，會在無形中被 gc 拖累。經過和@阿杜的討論，最終得出的結論：
- young 區過大，物件在年輕代待得太久，多次拷貝
- old 區過小，會頻繁觸發 old 區的 cms gc
在比賽中這顯得尤為重要， -XX:NewRatio=4 放大老年代可以有效的減少 cms gc 的次數，將 126 次 cms gc，下降到最終的 5 次。
13 池化物件
無論是 apache 的 ObjectPool 還是 Netty 中的 Recycler，還是 RingBuffer 中預先分配的物件，都在傳達一種思想，對於那些反覆需要 new 出來的東西，都可以池化，分配記憶體再回收，這也是一筆不小的開銷。在此次比賽的場景下，沒必要大費周章地動用物件池，直接一個 ThreadLocal 即可搞定，事實上我對 key/value 的寫入和讀取都進行了 ThreadLocal 的快取，做到了永遠不再迴圈中分配物件。
14 減少執行緒切換
無論是網路 IO 還是磁碟 IO，io worker 執行緒的時間片都顯得尤為的可貴，在我的架構中，range 階段主要分為了兩類執行緒：64 個 visit 執行緒併發隨機讀記憶體，4 個 io 執行緒併發讀磁碟。木桶效應，我們很容易定位到瓶頸在於 4 個 io 執行緒，在 wait/notify 的模型中，為了儘可能的減少 io 執行緒的時間片流失，可以考慮使用 while(true) 進行輪詢，而 visit 執行緒則可以 sleep(1us) 避免 cpu 空轉帶來的整體效能下降，由於評測機擁有 64 core，所以這樣的分配算是較為合理的，為此我實現了一個簡單粗暴的訊號量。
public class LoopQuerySemaphore {
private volatile boolean permit;
public LoopQuerySemaphore(boolean permit) {
this.permit = permit;
}
// for 64 visit thread
public void acquire() throws InterruptedException {
while (!permit) {
Thread.sleep(0,1);
}
permit = false;
}
// for 4 fetch thread
public void acquireNoSleep() throws InterruptedException {
while (!permit) {
}
permit = false;
}
public void release() {
permit = true;
}
}
複製程式碼
正確的在 IO 中 acquireNoSleep，在 Visit 中 acquire，可以讓成績相比使用普通的阻塞 Semaphore 提升 6s 左右。
15 綁核
線上機器的抖動在所難免，避免 IO 執行緒的切換也並不僅僅能夠用依靠 while(true) 的輪詢，一個 CPU 級別的優化便是騰出 4 個核心專門給 IO 執行緒使用，完全地避免 IO 執行緒的時間片爭用。在 Java 中這也不難實現，依賴萬能的 github，我們可以輕鬆地實現 Affinity。github 傳送門： github.com/OpenHFT/Jav…
使用方式：
try (final AffinityLock al2 = AffinityLock.acquireLock()) {
// do fetch ...
}
複製程式碼
這個方式可以讓你的程式碼快 1~2 s，並且保持測評的穩定性。
0 聊聊 FileChannel，MMAP，Direct IO，聊聊比賽
我在最終版本的程式碼中，幾乎完全拋棄了 FileChannel，事實上，在不 Drop Cache 的場景下，它已經可以發揮出它利用 PageCache 的一些優勢，並且優秀的 Java 儲存引擎都主要使用了 FileChannel 來進行讀寫，在少量的場景下，使用了 MMAP 作為輔助，畢竟，MMAP 在寫小資料量檔案時存在其價值。
另外需要注意的一點，在跟@96年的亞普長談的一個夜晚，發現 FileChannel 中出人意料的一個實現，在分配對內記憶體時，它仍然會拷貝一份堆外記憶體，這對於實際使用 FileChannel 的場景需要額外注意，這部分意料之外分配的記憶體很容易導致線上的問題（實際上已經遇到了，和 glibc 的 malloc 相關，當 buffer 大於 128k 時，會使用 mmap 分配一塊記憶體作為快取）
說回 FileChannel，MMAP，最容易想到的是 RocketMQ 之中對兩者靈活的運用，不知道在其他 Java 實現的儲存引擎之中，是不是可以考慮使用 Direct IO 來提升儲存引擎的效能呢？我們可以設想一下，利用有限並且少量的 PageCache 來保證一致性，在主流程中使用 Direct IO 配合順序讀寫是不是一種可以配套使用的方案，不僅僅 PolarDB，算作是參加本次比賽給予我的一個啟發。
雖然無緣決賽，但使用 Java 取得這樣的成績還算不是特別難過，在 6400w 資料隨機寫，隨機讀，順序讀的場景下，Java 可以做到僅僅相差 C++ 不到 10s 的 overhead，我倒是覺得完全是可以接受的，哈哈。還有一些小的優化點就不在此贅述了，歡迎留言與我交流優化點和比賽感悟。
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