OrzClick: 國慶寫個 ClickHouse 客戶端

Oraoto發表於2020-10-09
客戶端

起因

我看 ClickHouse 有 C++ 客戶端（clickhouse-cpp），我又用過 PHP-CPP 寫擴充套件，於是就在國慶寫了 OrzClick ，一個 PHP 用的 ClickHouse 客戶端。

比較尷尬的是，我寫到一半才發現 SeasClick，它也是 clickhouse-cpp 的繫結， 而且是 C 寫的，感覺用 PHP-CPP 我就已經輸了一半呀，所以我的小目標就是效能超越 SeasClick:sunglasses:。

效能測試

Select 結果：
Select 結果

  • 使用 PDO 訪問 ClickHouse 的 MySQL 介面，查詢小量資料效能更好 :joy:
  • 小量資料時，OrzClick 和 SeasClick 效能相近，資料大時 OrzClick > SeasClick > MySQL 介面 :sunglasses:

Insert 結果：
Insert 結果

  • OrzClick-Indexed 對標的是 SeasClick，API 最相近（可看程式碼：1 2），算是達到了小目標:sunglasses:
  • SeasClick 和 OrzClick 都有提高插入效能的 API，SeasClick 的 startWrite-write-endWrite 效能非常好（圖上的 SeasClick-Block），OrzClick 的 InsertColumnar 只有資料量大於 5 千時才能超過它（圖上的 OrzClick-Columnar）:astonished:

哪個 clickhouse-cpp ?

在 Github 搜尋 clickhouse-cpp, 你會發現有兩個相似的庫：

看 LICENSE 和開發人員的評論，可以得知 ClickHouse 官方的才是 fork。簡單對比了一下程式碼，兩者底層還是一樣的，只是功能特性有一點小小區別。

OrzClick 使用的是 ClickHouse/clickhouse-cpp 的 fork，而 SeasClick 是 artpaul/clickhouse-cpp 的 fork，所以大家還是同源的，效能差異就體現在使用方式和補丁了。

SeasClick 的優化

clickhouse-cpp 的資料插入介面非常簡單，就一個入口方法：

void Insert(const std::string& table_name, const Block& block);

而 SeasClick 把它拆分成:

void InsertQuery(const std::string& query, SelectCallback cb);
void InsertData(const Block& block);
void InsertDataEnd();

這個拆分對效能提升、擴充套件實現有很大幫助：

  • InsertQuery 可以拿到欄位的型別資訊，可以簡化 PHP 介面的使用，不像 OrzClick 一樣需要使用者指定欄位型別
  • InsertQuery + 多次 InsertData + InsertDataEnd 可以實現連續插入，效能提升巨大（見圖上的 SeasClick-Block）

OrzClick 的優化

資料訪問模式

ClickHouse 是個列式儲存的資料庫，而它的介面也使用了同樣的設計，一次 select 會返回多個 Block，Block 裡有多個 Column，一個 Column 裡的資料是連續存放的，Column 間是相互獨立的。

應用層使用資料還是按行為主，所以這裡要重新組織一下資料，把列式資料轉成行式資料。 SeasClick 是按行處理，而 OrzClick 是按列處理，這是兩者的主要區別之一。

                          SeasClick 遍歷模式                
        Block                                              
        ┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓  
        ┃     Column A      Column B      Column C      ┃  
        ┃                                               ┃  
        ┃    ┏━━━━━━━━━┓   ┏━━━━━━━━━┓   ┏━━━━━━━━━┓    ┃  
Seas─╮──┃───>┃ 1       ┃──>┃ X       ┃──>┃ 1.2     ┃    ┃  
     │  ┃    ┣━━━━━━━━━┫   ┣━━━━━━━━━┫   ┣━━━━━━━━━┫    ┃  
     ╰──┃───>┃ 2       ┃──>┃ Y       ┃──>┃ 2.3     ┃    ┃  
        ┃    ┣━━━━━━━━━┫   ┣━━━━━━━━━┫   ┣━━━━━━━━━┫    ┃  
        ┃    ┃ 3       ┃   ┃ Z       ┃   ┃ 3.4     ┃    ┃  
        ┃    ╏         ╏   ╏         ╏   ╏         ╏    ┃  
        ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛  


                          OrzClick 遍歷模式             
        Block                         
        ┏━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓     
        ┃     Column A      Column B      Column C      ┃     
     ╭───────────────────╮─────────────╮                ┃     
Orz ─╯──┃─╮  ┏━━━━━━━━━┓ │ ┏━━━━━━━━━┓ │ ┏━━━━━━━━━┓    ┃     
        ┃ │  ┃ 1       ┃ │ ┃ X       ┃ │ ┃ 1.2     ┃    ┃     
        ┃ │  ┣━━━━━━━━━┫ │ ┣━━━━━━━━━┫ │ ┣━━━━━━━━━┫    ┃     
        ┃ │  ┃ 2       ┃ │ ┃ Y       ┃ │ ┃ 2.3     ┃    ┃     
        ┃ │  ┣━━━━━━━━━┫ │ ┣━━━━━━━━━┫ │ ┣━━━━━━━━━┫    ┃     
        ┃ V  ┃ 3       ┃ V ┃ Z       ┃ V ┃ 3.4     ┃    ┃     
        ┃    ╏         ╏   ╏         ╏   ╏         ╏    ┃     
        ┗━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┛

SeasClick 的實現類似這樣：

for (auto i = 0; i < block.GetRowCount(); i++) {         // 外層按行遍歷
    for (auto j = 0; j < block.GetColumnCount(); j++) {  // 行內再按列遍歷
        switch (block[i]->GetType().GetCode()) {         // 每一列型別都不同，要相應處理
            case clickhouse::Type::Int8:
                add_assoc_long_ex(result, key, len, block[i]->As<clickhouse::ColumnInt8>()->At(j));
            break;
            case ...// 其他型別類似
        }
    }
}

OrzClick 的實現類似這樣：

for (auto i = 0; i < block.GetColumnCount(); i++) { //  外層按列遍歷
    switch (block[i]->GetType().GetCode()) {        // 每一列型別都不同，要相應處理
        case clickhouse::Type::Int8:
            auto col =  block[i]->As<clickhouse::ColumnInt8>();
            for (auto j = 0; j < block.GetRowCount(); j++) { // 列內再按行遍歷
                add_assoc_long_ex(result, key, col->At(j));
            }
        break;
        case ...// 其他型別類似
    }
}

對比一下可以看到 SeasClick 的內層迴圈會有大量的 switch 分支跳轉，而 OrzClick
在外層判斷了型別，內層迴圈非常緊湊，沒有多餘的分支。

用 perf stat 分析一下，SeasClick 分支數（branches）、分支預測錯誤數（branch-misses）都在 OrzClick 的 2 倍以上：

# perf stat php select-orzclick.php 1000 1000

 Performance counter stats for 'php select-orzclick.php 1000 1000':

        496.85 msec task-clock:u              #    0.340 CPUs utilized
             0      context-switches:u        #    0.000 K/sec
             0      cpu-migrations:u          #    0.000 K/sec
         1,977      page-faults:u             #    0.004 M/sec
 1,761,248,425      cycles:u                  #    3.545 GHz
 2,601,973,475      instructions:u            #    1.48  insn per cycle
   487,402,260      branches:u                #  980.986 M/sec
     2,879,008      branch-misses:u           #    0.59% of all branches

# perf stat php select-seasclick.php 1000 1000

 Performance counter stats for 'php select-seasclick.php 1000 1000':

        896.48 msec task-clock:u              #    0.482 CPUs utilized
             0      context-switches:u        #    0.000 K/sec
             0      cpu-migrations:u          #    0.000 K/sec
         1,962      page-faults:u             #    0.002 M/sec
 3,316,728,038      cycles:u                  #    3.700 GHz
 6,019,365,862      instructions:u            #    1.81  insn per cycle
 1,316,036,409      branches:u                # 1468.000 M/sec           (2.7x)
    10,073,424      branch-misses:u           #    0.77% of all branches (3.4x)

所以在 select 測試中，資料量少的時候 OrzClick 只比 SeasClick 略好，但資料量大了效能差距就拉開了。

當然也有退化到 OrzClick 不利的情況，就是 ClickHouse 返回多個Block，但每個 Block 都只有一行，目前只發現 Memory 引擎有這種情況。

TCP_NODELAY

在測試的時候，發現少量資料反而更慢，就是一位元組的區別：

$ time php insert-orzclick.php 8170 100

real    0m3.894s
user    0m0.030s
sys 0m0.061s

$ time php insert-orzclick.php 8171 100

real    0m0.422s
user    0m0.050s
sys 0m0.022s

看 ClickHouse 日誌，處理少量資料反而時多用了 40ms 左右的時間（大佬們看到 40 ms 就大概猜到了吧）。

對比兩者的火焰圖，雖然執行的總時間不同，但是各種函式的比例是接近的， 大頭都是 _zend_hash_find_known_hash:


難道問題真在 PHP？我移除掉 clickhouse-cpp 的呼叫，發現兩種情況執行時間基本相同，這也就排除掉 PHP 的可能性，問題應該出在 clickhouse-cpp。

再用 strace 跟蹤，發現資料少的時候是隻有一個 send 系統呼叫，多的時候會分成兩個：

# 8170
sendto(3, "\2\0\1\0\2\377\377\377\377\0\1\352?\2u8"..., 8192, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 8192

# 8171
sendto(3, "\2\0\1\0\2\377\377\377\377\0\1\353?\2u8"..., 22, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 22
sendto(3, "\1\2\3\4\5\6\7\10\t\n\v\f\r\16\17\20"..., 8171, MSG_NOSIGNAL, NULL, 0) = 8171

8170 和 8171 這個臨界點，發現和 clickhouse-cpp 的緩衝區大小 8192 很接近。於是我試著調整 clickhouse-cpp 緩衝區大小，的確會影響 send 的次數，但只是臨界點有點變化，不能解決問題。

至此基本可以確定是核心和協議棧的影響，於是想有那些配置可能影響傳送、 接收延遲，然後就想到了 TCP_NODELAY，於是我提了個 PR，給 clickhouse-cpp 加上了 TCP_NODELAY 選項，測試效能終於穩定了。

後來我又嘗試用 Off-CPU 火焰圖，只能看到在 recv 時有等待，還不能直接看出原因，這種問題沒經驗真不易處理（雖然搜尋 TCP 40ms 就有結果）。

PHP-CPP 損耗

PHP-CPP 封裝了 Zend API，開發擴充套件基本可以不考慮 Zend 引擎低層（zval、HashTable 等等），非常方便，代價就是更多額外操作和效能損耗。

優化方式非常暴力，直接修改 PHP-CPP，暴露出被封裝的 zval，然後直接用 Zend API 操作。過程就是先用 PHP-CPP 寫，然後用火焰圖發現熱點，然後替換成 Zend API。

例如在 nestedForeach 方法裡，需要獲取陣列的值，如果用 PHP-CPP 的 Value::get() 最後會複製一次：

Value::Value(struct _zval_struct *val, bool ref)
{
    // do we have to force a reference?
    if (!ref)
    {
        // we don't, simply duplicate the value
        ZVAL_DUP(_val, val);
    }

批量插入的時候，就會有不必要的陣列複製。所以這裡改成 zend_hash_find 拿到 *zval，然後直接遍歷：

zval *item;
auto column = zend_hash_find(Z_ARRVAL_P(data._val), key);
auto ht = Z_ARRVAL_P(column);

ZEND_HASH_FOREACH_VAL(ht, item) {
    callback(item);
}
ZEND_HASH_FOREACH_END();

結束語

國慶假期通過這個專案，每樣學到了一點點：

  • ClickHouse
  • PHP 擴充套件開發
  • C++
  • CMake
  • 效能優化

也有沒做好的：

  • 單元測試，本來想用 phpt，但沒寫，目前在 tests 目錄有幾個我開發時用的用例子
  • CI，準備試試 GitHub Action

最後，從 OrzClick 這名字你就應該知道，這是出於玩和學習的目的寫的，生產環境還是建議用 SeasClick。

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