TiDB 原始碼閱讀系列文章（十）Chunk 和執行框架簡介

PingCAP發表於2018-06-19
TiDB原始碼框架

什麼是 Chunk

TiDB 2.0 中，我們引入了一個叫 Chunk 的資料結構用來在記憶體中儲存內部資料，用於減小記憶體分配開銷、降低記憶體佔用以及實現記憶體使用量統計/控制，其特點如下：

  • 只讀

  • 不支援隨機寫

  • 只支援追加寫

  • 列存，同一列的資料連續的在記憶體中存放

Chunk 本質上是 Column 的集合，它負責連續的在記憶體中儲存同一列的資料，接下來我們看看 Column 的實現。

1. Column

Column 的實現參考了 Apache Arrow，Column 的程式碼在 這裡。根據所儲存的資料型別，我們有兩種 Column：

  • 定長 Column：儲存定長型別的資料，比如 Double、Bigint、Decimal 等

  • 變長 Column：儲存變長型別的資料，比如 Char、Varchar 等

哪些資料型別用定長 Column，哪些資料型別用變長 Column 可以看函式 addColumnByFieldType 。

Column 裡面的欄位非常多，這裡先簡單介紹一下：

  • length

    用來表示這個 Column 有多少行資料。

  • nullCount

    用來表示這個 Column 中有多少 NULL 資料。

  • nullBitmap

    用來儲存這個 Column 中每個元素是否是 NULL，需要特殊注意的是我們使用 0 表示 NULL，1 表示非 NULL，和 Apache Arrow 一樣。

  • data

    儲存具體的資料，不管定長還是變長的 Column，所有的資料都儲存在這個 byte slice 中。

  • offsets

    給變長的 Column 使用，儲存每個資料在 data 這個 slice 中的偏移量。

  • elemBuf

    給定長的 Column 使用，當需要讀或者寫一個資料的時候，使用它來輔助 encode 和 decode。

1.1  追加一個定長的非 NULL 值

追加一個元素需要根據具體的資料型別呼叫具體的 append 方法，比如： appendInt64、appendString 等。

一個定長型別的 Column 可以用如下圖表示:

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我們以 appendInt64 為例來看看如何追加一個定長型別的資料：

  • 使用 unsafe.Pointer 把要 append 的資料先複製到 elemBuf 中；

  • 將 elemBuf 中的資料 append 到 data 中；

  • 往 nullBitmap 中 append 一個 1。

上面第 1 步在 appendInt64 這個函式中完成，第 2、3 步在 finishAppendFixed 這個函式中完成。其他定長型別元素的追加操作非常相似，感興趣的同學可以接著看看 appendFloat32、appendTime 等函式。

1.2  追加一個變長的非 NULL 值

而一個變長的 Column 可以用下圖表示：

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我們以 appendString 為例來看看如何追加一個變長型別的資料：

  • 把資料先 append 到 data 中；

  • 往 nullBitmap 中 append 一個 1；

  • 往 offsets 中 append 當前 data 的 size 作為下一個元素在 data 中的起始點。

上面第 1 步在 appendString 這個函式中完成，第 2、3 步在 finishAppendVar 這個函式中完成。其他邊長型別元素的追加操作也是非常相似，感興趣的同學可以接著看看 appendBytes、appendJSON 等函式。

1.3  追加一個 NULL 值

我們使用 appendNull 函式來向一個 Column 中追加一個 NULL 值：

  • 往 nullBitmap 中 append 一個 0；

  • 如果是定長 Column，需要往 data 中 append 一個 elemBuf 長度的資料，用來佔位；

  • 如果是變長 Column，不用往 data中 append 資料，而是往 offsets 中 append 當前 data 的 size 作為下一個元素在 data 中的起始點。

2. Row

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如上圖所示：Chunk 中的 Row 是一個邏輯上的概念：Row 中的資料儲存在 Chunk 的各個 Column 中，同一個 Row 中的資料在記憶體中沒有連續儲存在一起，我們在獲取一個 Row 物件的時候也不需要進行資料拷貝。提供 Row 的概念是因為運算元執行過程中，大多數情況都是以 Row 為單位訪問和運算元據，比如聚合，排序等。

Row 提供了獲取 Chunk 中資料的方法，比如 GetInt64、GetString、GetMyDecimal 等，前面介紹了往 Column 中 append 資料的方法，獲取資料的方法可以由 append 資料的方法反推，程式碼也比較簡單，這裡就不再詳細介紹了。

3. 使用

目前 Chunk 這個包只對外暴露了 Chunk, Row 等介面，而沒有暴露 Column，所以，寫資料呼叫的是在 Chunk 上實現的對 Column 具體函式的 warpper，比如 AppendInt64；讀資料呼叫的是在 Row 上實現的 Getxxx 函式，比如 GetInt64。

執行框架簡介

1. 老執行框架簡介

在重構前，TiDB 1.0 中使用的執行框架會不斷呼叫 Child 的 Next 函式獲取一個由 Datum 組成的 Row（和剛才介紹的 Chunk Row 是兩個資料結構），這種執行方式的特點是：每次函式呼叫只返回一行資料，且不管是什麼型別的資料都用 Datum 這個結構體來封裝。

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這種方法的優點是：簡單、易用。缺點是：

  • 如果處理的資料量多，那麼框架上的函式呼叫開銷將會非常大；

  • Datum 佔用的無效記憶體太大，記憶體浪費比較多（存一個 8 位元組的整數需要 56 位元組）；

  • Datum 沒有重用，golang 的 gc 壓力大；

  • 每個 Operator 一次只輸出一行資料，要進行更加快取友好的計算、更充分的利用 CPU 的 pipeline 非常困難；

  • Datum 中的 interface 型別的資料，統計它的記憶體使用量比較困難。

2. 新執行框架簡介

在重構後，TiDB 2.0 中使用的執行框架會不斷呼叫 Child 的 NextChunk 函式，獲取一個 Chunk 的資料。

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這種執行方式的特點是：

  • 每次函式呼叫返回一批資料，資料量由一個叫 tidb_max_chunk_size 的 session 變數來控制，預設是 1024 行。因為 TiDB 是一個混合 TP 和 AP 的資料庫，對於 AP 型別的查詢來說，因為計算的資料量大，1024 沒啥問題，但是對於 TP 請求來說，計算的資料量可能比較少，直接在一開始就分配 1024 行的記憶體並不是最佳的實踐（ 這裡 有個 github issue 討論這個問題，歡迎感興趣的同學來討論和解決）。

  • Child 把它產出的資料寫入到 Parent 傳下來的 Chunk 中。

這種執行方式的好處是：

  • 減少了框架上的函式呼叫開銷。比如同樣輸出 1024 行結果，現在的函式呼叫次數將會是以前的 1/1024。

  • 記憶體使用更加高效。Chunk 中的資料組織非常緊湊，存一個 8 位元組的整數幾乎就只需要 8 位元組，沒有其他額外的記憶體開銷了。

  • 減輕了 golang 的 gc 壓力。Chunk 佔用的記憶體可以不斷地重複利用，不用頻繁的申請新記憶體，從而減輕了 golang 的 gc 壓力。

  • 查詢的執行過程更加快取友好。如我們之前所說，Chunk 按列來組織資料，在計算的過程中我們也儘量按列來計算，這樣既能讓一列的資料儘量長時間的待在 Cache 中，減輕 Cache Miss 率，也能充分利用起 CPU 的 pipeline。這一塊在後續的原始碼分析文章中會有詳細介紹，這裡就不再展開了。

  • 記憶體監控和控制更加方便。Chunk 中沒有使用任何 interface，我們能很方便的直接獲取一個 Chunk 當前所佔用的記憶體的大小，具體可以看這個函式：MemoryUsage。關於 TiDB 記憶體控制，我們也會在後續文章中詳細介紹，這裡也不再展開了。

3.  新舊執行框架效能對比

採用了新的執行框架後，OLAP 型別語句的執行速度、記憶體使用效率都有極大提升，從 TPC-H 對比結果 看，效能有數量級的提升。

作者：張建

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