五个Taurus垃圾回收compactor优化方案，减少系统资源占用
简介
TaurusDB是一种基于MySQL的计算与存储分离架构的云原生数据库，一个集群中包含多个存储几点，每个存储节点包含多块磁盘，每块磁盘对应一个或者多个slicestore的内存逻辑结构来管理. 在taurus的slicestore中将数据划为多个slice进行管理，每个slice的大小是10G，Taurus架构图如下：
TauruDB的存储层支持append-only写和随机读，最小数据存储逻辑单元为plog，每个slice中包含多个plog，默认每个plog的大小为64M。slice中的plog主要用来存放page。Plog中存放中不同版本的page，有些老page已经过期，需要删除；有些page是新page，需要被保留下来。
Compator主要用来清理plog中过期的page，把一个plog上所有没有过期的page搬移到一个新plog，老的plog删除掉。
Compactor的任务需要频繁访问内存中索引结构和读写plog中的page页，这两部分都属于整个系统中关键资源，锁竞争的压力比较大，会直接影响性能，所以compactor的优化方案主要围绕减少内存访问和磁盘IO，需要考虑以下几个点：
A、 选取的清理的plog集最优问题，每次回收需要搬运有效page，搬运的有效page数越少，磁盘IO就越小。如何每次调度都选取到垃圾量最大的一批plog；
B、 垃圾量是否分布均匀，如何让垃圾集中到一起，回收垃圾集中的plog，提高回收效率；
C、 回收周期是固定的，怎么样保证在每个周期内，都能取到最优plog集。
当前，我们提出了几个可以有效减少page搬运数，从而达到减少IO目的的方案。
关键点1：全局调度
全局调度的方案增大plog垃圾量的排序范围，从slice的范围增大到slicestore的范围。因为考虑到后面需要针对单个磁盘进行“加速回收”，所以不扩大到一个存储节点的全局范围。
全局调度方案按照slicestore来选取回收plog，先遍历所有的slicestore，然后在slicestore内部进行垃圾量排序，选取最多的若干个plog进行回收；
优点：有效避免一个slicestore中由于垃圾分布不均匀引起的plog的无效搬运，减少对plog的读写产生的IO；
缺点：排序范围增大后，排序算法会增加CPU的消耗；
关键点2：排序算法优化
原始方案中在slice内部对plog按照垃圾量排序采用C++标准库排序（std::sort），该算法内部基于快速排序、插入排序和堆排序实现。原始方案中每个slice中最多存有160个plog，小数据量的排序或许效率影响不大，但是一个slicestore中存储成百上千的slice，排序算法的效率问题就值得关注。
Taurus设计了一种topN算法，能够提升该场景下的效率。假设需要在n个元素中选取m个最大的元素，两种算法的时间复杂度和空间复杂度：
C++标准库排序时间复杂度为O(nlogn)，空间复杂度为O(nlogn)；
topN算法排序时间复杂度为O(nlogm),空间复杂度为O(1);
Compactor应用场景中，n和m相差几个数量级，topN算法在时间和空间上都更具优势。
优点：减少时间复杂度和空间复杂度；
关键点3：调度数优化
公共线程池分配给compactor的线程数是固定的，每个周期调度器生成一次任务。原始方案中compactor的每次生成的任务数由slice个数决定，会导致任务队列中的任务数过多或者过少。过多的话会失去时效性，也就是说plog的垃圾量会随着时间改变，如果在队列等待执行的时间太长，可能就不是当前最高垃圾量的plog，同时一次挑选的plog个数太多，会增加算法的时间和空间复杂度；过少的话，compactor线程没有跑满，会导致垃圾回收速度降低。
调度数优化也是基于全局调度优化，调度策略只需要保证在一个调度周期内，任务队列中任务数刚好满足compactor线程执行。假设有8个slicestore，分配了24个执行线程，每个线程每个调度周期完成一个plog的回收，则每个调度周期每个slicestore只需要生成3个任务。
调度数优化即记录公共线程池中正在执行和准备执行的任务数，跟据记录决定本轮调度生成多少个回收任务，从而保证执行线程刚好够用，且不多不少。
优点：保证垃圾回收速度，最优回收的plog集，有效的减少page的搬运量。
关键点4：冷热分区优化
在数据库系统中，数据的更新并不是相同频率，一些数据页更新或者写入会更加频繁（例如系统页），这部分页面被称作热页，另外一些更新不频繁的称作冷页。如果把冷页和热页混合放到一起，就会导致更高的写放大。举个简单的例子，假设有100个热页和10个冷页，冷页基本不更新但是每次垃圾回收，都需要重复把冷页搬运一次。如果把冷页单独写入一个plog，那么在垃圾回收阶段，就可以减少重复搬运这部分冷页，达到减少IO放大的效果。
优点：提高垃圾回收的效率和速度。
缺点：需要额外的内存记录热度信息。
关键点5：磁盘逃生优化
为了后台线程比如备份、快照、垃圾回收、页面回放等线程有足够的磁盘空间运行，在磁盘容量使用到达一定阈值，会置Full标志位，同时停止前台IO。在极端情况下，磁盘使用到阈值前台IO会出现断崖式下跌为零：
为了避免在磁盘容量达到一定阈值之后前台IO完全停止，在磁盘使用率未达到阈值时，就应该有相应的处理机制。比如说在磁盘使用率未达阈值时，增加如下处理：
A、 降低前台IO，减少磁盘的压力；
B、 加速垃圾回收，也就是TaurusDB中的compactor机制；
A点不涉及compactor的功能，所以本文先不涉及，下面主要介绍两种加速机制：
1.修改写IO优先级
Compactor作为后台线程，考虑到整个系统的效率，正常运行时plog写IO优先级默认为low。在加速回收阶段，plog的IO需要修改为high。
2.提高执行速度
前文可知，公共线程池为compactor分配固定数目执行线程，而且运行过程中只支持扩容不支持恢复。如果压缩其他后台任务的执行线程，对整个系统的影响太大，量也不易控制。所以不考虑。
考虑到过程中不能扩容，那就初始化就扩容，通过控制调度任务数控制任务执行速度。例如，假设compactor的运行线程在正常场景下为4个，加速状态下需要增加到8个。可以在公共线程池中先分配8个线程，在正常场景下，控制任务队列为4个，另外4个线程处于wait状态，只会占用文件句柄，并不影响CPU。而在加速状态下，控制任务队列中的任务数为8，就可以实现上述的加速逻辑。
所以，提升写IO的优先级能够加速page的搬运，提升垃圾回收速度。通过控制调度任务数控制任务执行速度却很难控制很精准，上下会有一定的小波动。
最后
以上提到的垃圾回收compactor优化方案中，磁盘逃生优化能够处理磁盘容量紧急情况。目前根据本地测试，在500G的小数据集情况下，IO放大能减少到原来的1/6。系统资源占用减少到原来的1/3。
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