代码修改的微创手术法:RocksDB MultiGet 的协程优化,10 行代码提升 10 倍性能

1. 背景

三年前,我还在努力改进曾经的 TerarkDB,其中一个改进就是通过 fiber(Coroutine 协程) 提升 MultiGet 性能。

彼时 linux 的 io uring 还远未成熟,所以使用的是 aio,虽然 aio 仅支持 direct io,但是经过我的改进,MultiGet 仍获得了数量级的性能提升。

2. 方案

2.1. IO 模型,选择 aio

如果放到现在,自然是 io uring,但是三年前,io uring 才刚出来,功能性、稳定性、可靠性都未经过验证,最关键的是,因为太新,别说生产环境,实验环境的 kernel 都不支持,非要用,只能自己去安装最新版 kernel

Linux native aio 的接口非常简洁:

// 创建、销毁 aio 对象:
int io_setup(int maxevents, io_context_t *ctxp);
int io_destroy(io_context_t *ctxp);
// 提交 aio 操作:
int io_submit(io_context_t ctx, long nr, struct iocb *ios[]);
// 收割 aio 结果:
int io_getevents(io_context_t ctx_id, long min_nr, long nr,
                 struct io_event *events,
                 struct timespec *timeout);

2.2. 协程库

boost fiber 大概是最优秀的(有栈)协程实现了,所以我一开始就选择了它,但是在读 fiber 代码时,还是发现了很多可以优化的点,所以,我对 boost fiber 做了 一些改进(其中包含  call on main stack 功能)。

2.3. MultiGet

很多时候,我们需要一次性查询多个 key ,最典型的,例如在 MySQL 中:

select * from SomeTable where id in (.....);

在 MySQL 的查询规划中,这个语句最终会用到 MRR(Multi Range Read),就是一次性地把多个 id 下推到存储引擎,由存储引擎一次性地查询这些 id。当然,这只是 MRR 最朴素的应用场景,稍微复杂一点的,例如:

select * from SomeTable where index_2nd = ...; # 用二级索引搜索

在 RocksDB 中,MultiGet 就是干这个事的,不过在当时的 RocksDB 中,MultiGet 基本上就是顺次执行各个 Key 的 Get,并没有进行任何(针对 IO 的)优化。

但是,MultiGet 这个接口存在的价值,主要是 提供了优化的机会,只要上层使用了这个接口,上层的任务就完成了,至于如何优化,是下层存储引擎的事情。

2.4. 微创手术

做任何事情,最理想方式的都是以最小的投入,获得最大的产出,老祖宗总结了一个词: 事半功倍

既然是在已有的代码上做这个优化,我的信条就是, 改最少的代码,获最大的收益:

  1. 用户(使用方)代码无需改动
  2. 复用现有实现代码
  3. 复用现有测试代码(单元测试&测试用例)

最终,用户能看到的,只有性能的提升。具体到 MultiGet,我的相关修改,去掉注释和空行, 不到 10行

这个改进,在 NVMe SSD 的 IO bound 场景下,MultiGet 的性能提升了 10+ 倍!

2.5. 炸掉屎山,建造屎星(shit planet)

如今,RocksDB 已经自己实现了 MultiGet 的 IO 优化,他们先实现了单个 SST 内 多个 Key 查询的优化,所以,在 RocksDB 中有  FileSystem::MultiRead。但是,一个 DB 实例中往往有数千到数万个 SST,MultiGet 中的多个 key 落到同一个 SST 的概率,实在是太低了,所以,即便 SST 使用 FileSystem::MultiRead 实现了相应的 MultiGet,也几乎无法在 DB 层面的 MultiGet 获得收益。

于是,很久以后,RocksDB 通过 folly 的 Coroutine 实现 跨 SST 文件的 IO 优化,查看一下代码,各种相关改动, 以万行计!然而效果实在惨淡(摘自 官方提交记录):

3. MyTopling & ToplingDB

为了有效地借助开源社区的力量,充分利用开源社区的成果,MyTopling 和 ToplingDB 都紧跟上游最新版,并且遵循 事半功倍的原则,这给我们带来了巨大的收益。但是在 RocksDB 新版的 MultiGet 这里,我们得自己实现一个版本了!


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