TXRocks存储引擎简介

「第一部分 简介」

1. TXRocks简介

RocksDB是一个非常流行的高性能持久化KV存储，最初是Facebook的数据库工程师团队基于Google LevelDB开发。经过大量的适配工作，Facebook的数据库工程师将RocksDB改造为MySQL的一个存储引擎MyRocks。

TXRocks是TXSQL团队基于RocksDB的事务型存储引擎，得益于RocksDB LSM Tree存储结构，既减少了InnoDB页面半满和碎片浪费，又可以使用紧凑格式存储，因此TXRocks在保持与InnoDB接近的性能的前提下，存储空间相比InnoDB可以节省一半甚至更多，非常适合对事务读写性能有要求，且数据存储量大的业务。

2. RocksDB简介

2.1 RocksDB LSM Tree架构

RocksDB使用LSM Tree存储结构，数据组织为一组在内存中的MemTable和磁盘上若干层的SST文件。

写入请求先将新版本记录写入Active MemTable，同时写WAL日志持久化。写入请求写完MemTable和WAL就可以返回。当Active MemTable写满到一定程度，将Active MemTable切换为冻结的Immutable MemTable。后台线程将Immutable MemTable刷到硬盘，生成对应的SST 文件。SST按照刷新的次序分层，通常分为L0层 ~ L6层。L1层~L5层，每层内的SST中的记录都是有序的，SST文件之间不会有记录范围的交叠。L0为了支持尽快将Immutable MemTable占用的内存空间释放出来，允许Flush生成的L0层的SST出现记录范围交叠。

当读取一行记录时，按照新旧，依次从Active MemTable、Immutable MemTable、L0、L1~L5各个组件查找这一行，从任一组件找到，就表明找到了最新的版本，可以立刻返回。当执行范围扫描时，对包含每层MemTable在内的各层数据，分别生成一个迭代器，这些迭代器归并查找下一条记录。

从读的流程可以看到，如果LSM Tree层数太多，则读性能，尤其是范围扫描的性能会明显下降。所以，为了维持一个更好的LSMTree形状，后台会不断地执行compaction操作，将低层数据合并到高层数据，减少层数。

2.2 RocksDB的空间节省

相比InnoDB使用的B+Tree索引结构，LSM Tree可以节省相当比例的存储空间。

InnoDB的B+Tree分裂通常会导致页面半满，页面内空闲空间浪费，页面有效利用率比较低。RocksDB的SST文件一般设置为MB量级或者更大，文件要4K对齐产生的浪费比例很低，SST内部虽然也划分为Block，但Block是不需要对齐的。另外，RocksDB的SST文件采用前缀压缩，相同的前缀只会记录一份，同时RocksDB不同层的SST可以采用不同的压缩算法，进一步降低存储空间开销。

事务overhead方面，InnoDB的记录上要包含trx id，roll_ptr等字段信息，RocksDB最底层的SST文件（包含绝大部分比例的数据）上，数据不需要存放其他事务开销，比如记录上的版本号在经过足够长的时间后就可以抹掉。

Facebook迁移核心库UDB场景的测试表明，MyRocks使用的空间仅为InnoDB的37.7%。

2.3 RocksDB的低写放大与CPU利用率

InnoDB采用In-Place的修改方式，修改一行可能就要刷盘一整个页面，导致比较高的写入放大和随机写。RocksDB采用Append-Only方式，相比有更低的写入放大。因此RocksDB对于擦写次数有限的SSD等产品更友好。

另外，Facebook的实践测试表明，纯作为备库，RocksDB比InnoDB可以节省更多的CPU。

2.4 RocksDB的读性能问题

由于RocksDB是采用层次结构，在读的时候，需要从level0层开始一层层的向底层找，而且level0层的sst文件之间还可能存在范围重叠，如果指定的key命中了多个sst文件的范围，则需要查找多个文件。这样就导致RocksDB的读放大会比较大，这也是LSM树结构的天然缺陷。

3. MyRocks数据字典

(1)数据字典相关的映射表

MyRocks内部维持了一系列元数据信息，这些信息可以通过Information Schema中RocksDB相关的表进行查看。在介绍这些元信息之前，先介绍几个概念。

Column Family ID: 列 族id。列族是RocksDB内部的概念，指的是一系列key-value set的集合。在MyRocks中，每个index都归属 于 一个列族，一个列族可以包含多个index。在MyRocks中，元信息都存储在名为"__system__"的列族中，用户的数据默认存储在名为"default"的列族中，用户也可以在建表时通过COMMENT指定列族的名字。

Index ID: 索引id。MyRocks内部每个新创建的索引都会分配一个自增id。

Global Index ID : 全局索引id, 格式为Column Family ID + Index ID.

MyRocks内部定义了10 种 元数据类型，

  enum DATA_DICT_TYPE {
    DDL_ENTRY_INDEX_START_NUMBER = 1,
    INDEX_INFO = 2,
    CF_DEFINITION = 3,
    BINLOG_INFO_INDEX_NUMBER = 4,
    DDL_DROP_INDEX_ONGOING = 5,
    INDEX_STATISTICS = 6,
    MAX_INDEX_ID = 7,
    DDL_CREATE_INDEX_ONGOING = 8,
    AUTO_INC = 9,
    DROPPED_CF = 10,
    END_DICT_INDEX_ID = 255
  };

每种元数据类型说明如下：

• DDL_ENTRY_INDEX_START_NUMBER：表和索引之间的映射关系，index增加或删除时更新。

• INDEX_INFO：索引的信息，当新索引创建时，会向表中添加一条记录；当索引删除时会从表中删除对应的记录。

• CF_DEFINITION：column family属性。

• BINLOG_INFO_INDEX_NUMBER：binlog位点及gtid信息，这个映射表最多只有一条记录，如果打开了binlog，则在每次事务commit时更新。如果没有打开binlog，则不更新。

• DDL_DROP_INDEX_ONGOING：等待删除的索引信息，在Fast drop/truncate table特性中引入。当用户删除表或者索引时，会将对应的indexes信息加入到这个映射表中，快速返回用户。然后后台线程异步删除索引及这个映射表中的记录。

• INDEX_STATISTICS：索引统计信息，当统计信息需要被更新时，对应的内容会被增加/更新/删除。

• MAX_INDEX_ID：当前的index id，每次创建索引index id都从这个获取和更新。

• DDL_CREATE_INDEX_ONGOING：等待创建的索引信息，在Fast secondary index creation特性中引入。当一个索引正在创建时，该映射表中会保存一条记录，索引创建完成后会删除对应记录。在crash recovery时，如果发现有索引只创建了一部分，则删除索引和对应的记录。

• AUTO_INC ：table的自增id。

• DROPPED_CF ：正在删除的cf。这里是为了实现create同名colunm family的index和删除column family之间的互斥而引入的。

(2)Record格式

RocksDB是一个key value存储引擎，而MySQL是基于Record的，因此需要将SQL层的Record和RocksDB的Key-value对应起来。

带primary key的record格式：

如果table不带primary key，TXRocks内部会生成hidden primary key。 则 Record格式如下：

second key的格式：

  「第二部分 优化」

4. TXRocks优化

RocksDB虽然有节省空间、写放大小、写性能高等优点，但是在读性能方面也存在天然的不足。针对读性能问题，我们也做了一些优化，比如sum操作算子下推，AEP做二级缓存提升读性能等。

4.1 sum操作算子下推

在我们的某个大数据量的用户从innodb迁移到TXRocks的过程中，发现sum操作比innodb慢一倍左右。用户的sql在innodb上执行的时间是38秒，但是在TXRocks上执行时间却达到了62.8秒。通过分析，我们发现主要原因有三个：

(1)SQL层重复调用引擎层的迭代器接口，开销很大 ：这个问题可以采用算子下推的方法来解决。

(2)引擎层重复调用convert_record_from_storage_format将引擎层记录的所有列转换为SQL层格式 ， 开销很大 ：通过分析，这个函数在格式转换时是将行的所有列都转换了，其实只需要转换sum操作对应的列即可。因此我们对这个函数做了优化，只转换需要的列，节省CPU开销。

(3)sum操作单线程处理： sum操作需要遍历表，由于RocksDB内部自带数据分布直方图，可以知道每个sst文件的数据分布，因此根据直方图可以将sst文件比较均匀的分成多个分区，然后由多个线程并发处理。

基于上面的三个优化，优化后的执行流程如下：

优化效果： 通过优化，用户的sum查询时间从62.8秒降低到了1.74秒，性能显著提升。

4.2 AEP做二级缓存

(1)背景介绍

由于RcoksDB存在读性能问题，这是由LSM树结构的特性决定的，通过软件层面的优化效果不明显。

AEP是intel生产的一款介于内存和SSD之间的nvm产品，相对具有容量大、掉电数据不丢失、价格便宜的特点，相对SSD具有性能高的特点。

单个AEP和NVME SSD的性能对比如下：

从测试数据看，单个AEP的读带宽可以达到6G，是NVME的2.5倍；单个AEP的写带宽为1.3G，是NVME的0.7倍。而且随着AEP个数的增加，性能基本上是线性增长，性能优势相对SSD非常明显。目前单个AEP的容量可以达到512G，如果放8个AEP的话，容量可以达到4T，这个容量远远大于内存的容量。

基于AEP的这些特性以及RocksDB的问题，我们就尝试在整机成本不上升的情况下，通过减少内存增加AEP的方式来提升TXRocks的性能。

(2)AEP的使用方式

AEP有两种工作模式，一种是Memory模式，一种是AppDirect模式。两种工作模式的说明如下：

Memroy模式： AEP直接由操作系统接管，自动识别热点数据，将DRAM做AEP的缓存，对应用体现为大容量的内存，业务不感知。

AppDirect模式:  AEP作为高性能的块设备挂载在/dev目录下，业务自己负责管理数据，将关键数据放在AEP上。

从两种模式的工作机制上看，Memroy模式使用简单，因此我们首先尝试使用这种模式。但是实际使用却发现这种模式存在很大问题：当业务的数据规模较大，超过了DRAM的容量时，性能会急剧降低。这是因为操作系统并不能精准识别业务的热点数据，很可能将业务的热点数据放在了AEP上，这样反而会造成性能的下降。因此，我们只能通过AppDirect方式使用AEP，当数据从内存中淘汰时，业务侧自己识别热点数据，并存储在AEP上，减少从SSD中的读取，从而提高性能。

(3)RocksDB的热点数据识别

既然需要RocksDB自己识别热点数据，那么哪些数据才是热点呢？考虑到RocksDB读是自上向下层层搜索，写也是自上向下compaction。那么是否上层数据比底层数据更热呢？为了验证这个猜想，我们对每个层次的读/写/容量加了统计，在sysbench测试读写混合负载下，对统计数据进行观察。

从测试数据我们可以发现L0-L5只占10.4%的容量，但是却占78%的读带宽及71%的写带宽。在实际的业务场景中，我们也得到了类似的数据。这个测试验证了我们的猜想–高层的level热度更高，更适合存放在AEP。

基于测试，我们采用了基于Level的优先级  +  最底层level LRU的热点识别算法。由于L0-L5的数据容量较小，AEP的容量能够满足，因此当从DRAM淘汰时可以直接写入AEP；但是L6层的数据容量很大，AEP的容量不能满足，因此采用LRU算法，识别头部的热点数据放在AEP。头部容量的大小设置为AEP容量-L0-L5层的容量。

(4)AEP做RocksDB二级缓存的方案

(5)优化效果

测试方法：在100个表，每个表1000w的数据规模下，我们测试了2G和8G两种DRAM内存规格下纯DRAM和DRAM/AEP混合的sysbench性能。

这里DRAM/AEP的配比是结合AEP本身的规格、配置约束及整机成本不提升的几个条件设定的。通过测试我们可以看到AEP做二级缓存可以极大的提升RocksDB的读性能及性价比。

「第三部分 测试」

5. TXRocks和InnoDB性能/压缩率对比

(1)性能对比

由于目前基于AEP的机型尚未上线，因此我们基于不带AEP的机型测试对比了不同规格下TXRocks和Innodb的性能。

通过以上及更多的测试数据，可以看到：

(1)TXRocks的写性能一般比InnoDB好，但读性能通常比InnoDB差。一方面LSMTree是对写友好的存储结构，另一方面RocksDB实现上做了优化，比如更新非唯一二级索引是read-free的。

(2)InnoDB引擎对内存配置大小更敏感。TXRocks是append-only修改，InnoDB是in-place修改，当内存比较小时（比如1C1G配置），InnoDB内部实现buffer pool, page上的锁冲突非常严重。但是随着内存增大，TXRocks的写性能优势逐步减弱。

(3)测试中，我们还发现，TXRocks对内存分配器更加敏感，建议使用jemalloc而不是glibc默认的分配器。我们实测发现使用glibc的分配器时，TXRocks会慢慢堆积物理内存碎片，小规格下容易触发OOM。在使用jemalloc时，要注意MALLOC_CONF参数，建议的参数值为 MALLOC_CONF="background_thread:true,dirty_decay_ms:10,muzzy_decay_ms:0" ，既可以控制内存碎片，也不会触发TLB shootdown问题（函数native_flush_tlb_others热点）。

(2)压缩率对比

关于压缩比Facebook Mark Callaghan大神做了很多测试，可以参考以下链接：

http://smalldatum.blogspot.com/2016/01/rocksdb-vs-innodb-via-linkbench.html

http://smalldatum.blogspot.com/2017/12/tpcc-mysql-in-memory-low-concurrency.html

为了实际对比TXRocks和InnoDB的压缩率，我们也做了测试，对比MyRocks 5.7.18，Compressed Innodb 5.7.18, Uncompressed Innodb 5.7.18三种引擎的压缩率。

测试方法：sysbench测试，数据压缩前1.6T左右。加载完数据后进行持续的随机写操作，4小时一轮，持续8小时，观察数据加载后以及每一轮测试完成后的数据库大小。

测试结果：

从测试数据看，更新8个小时后，MyRocks : Compressed Innodb : Uncompressed Innodb的空间占用比为1:1.41:2.78。而实际业务中，我们发现，如果业务本身的数据冗余较多，TXRocks的空间占用能达到仅有InnoDB的十分之一左右。

「第四部分 总结」

TXRocks是基于MyRocks开发的存储引擎，因此具有MyRocks的核心特性，比如存储空间占用少、面向写优化。同时针对在业务使用中遇到的一些问题，TXRocks做了部分优化和改进，并针对新硬件做了一些新的技术探索。

TXRocks非常适合对存储成本比较敏感，读多写少但对事务读写性能有要求的业务，比如历史库等场景。在腾讯的数据库产品中，TXRocks作为InnoDB的重要补充，目前已经在微信红包历史数据等业务上线使用并稳定运行，同时TXRocks也逐步对外部客户提供服务。

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