UsingMySQLasaNoSQL_MySQL

NoSQL

FROM: Using MySQL as a NoSQL - A story for exceeding 750,000 qps on a commodity server
　　由于 MySQL 的局限性，很多站点都采用了 MySQL+Memcached 的架构。另外一些站点放弃 MySQL 而采用 NoSQL，比如 TokyoCabinet/Tyrant 等。不可否认，在做一些简单查询 (尤其 PK 查询) 的时候，NoSQL 比 MySQL 要快很多很多。而且网站上的绝大多数查询都是这样的简单查询。
　　像其他大规模的公司一样，DeNA 也面临过类似的问题。但最后我们采用的是一完全不同的方法, 仅使用了 MySQL。我们仍然使用 Memcached 做前端缓存(例如，预处理 HTML， 数量/摘要 信息)，但在后端，既没有使用 Memcached 缓存任何记录，也没有使用 NoSQL，这是为什么呢？因为与其他的 NoSQL 产品相比，我们的 MySQL 能得到更好的性能。 在我们的基准测试中，一普通的 MySQL/InnoDB 5.1 服务器达到了 750,000+ QPS，生产环境中的性能当然更不列外。或许，你们很难相信这个数字，但这是事实。我将在以下分享我们的经验。
　　(作者经历)2010-08，我离开了 Oracle, 现在任职于日本最大社交游戏平台供应商之一的 DeNA。
　　在每秒中，需要做多少次的 PK 查询了？在 DeNA 公司的应用中，经常要进行 PK 查询。比如根据 user id 取出 userinfo，根据 diary id 取出日志内容， 对于这样的需求，不用说，Memcached 和 NoSQL 都相当适合。在简单的多线程 “Memcached GET”基准测试中，很可能每秒进行 400,000 次 get 操作,即使 Memcached client 在不同的服务器。在一台 Nehalem box 2.5GHz x 8 核 CPU, Broadcom 四端口千兆网卡的服务器上，最新的 libMemcached 和 Memcached 每秒可达到 420,000 次 get 操作。
　　在 MySQL 下， 每秒可作多少次的 PK 查询呢, 我们可用 sysbench, super-smack or mysqlsla 等来进行基准测试

[matsunobu@host ~]$ mysqlslap --query="select user_name,..  from test.user where user_id=1" \\
--number-of-queries=10000000 --concurrency=30 --host=xxx -uroot

　　通过如下命令，很快就得知 InnoDB 的 QPS 大概为 100,000, 几乎只有 Memcached 的 1/4.

[matsunobu@host ~]$ mysqladmin extended-status -i 1 -r -uroot \\
| grep -e "Com_select"

...
| Com_select                            | 107069     |
| Com_select                            | 108873     |
| Com_select                            | 108921     |
| Com_select                            | 109511     |
| Com_select                            | 108084     |
| Com_select                            | 108483     |
| Com_select                            | 108115     |
...

　　看上去， 100, 000+ QPS 也不是太差，但为什么 MySQL 比 Memcached 差这么多呢，MySQL 到底在做什么呢。从 vmstat 的统计信息得知, %user 和 %system 的数据都非常高.

[matsunobu@host ~]$ vmstat 1

r   b  swpd   free   buff  cache      in     cs us sy id wa st
23  0     0 963004 224216 29937708 58242 163470 59 28 12  0  0
24  0     0 963312 224216 29937708 57725 164855 59 28 13  0  0
19  0     0 963232 224216 29937708 58127 164196 60 28 12  0  0
16  0     0 963260 224216 29937708 58021 165275 60 28 12  0  0
20  0     0 963308 224216 29937708 57865 165041 60 28 12  0  0

　　再看 Oprofile 输出，可知 CPU 消耗的出去:

samples  %        app name                 symbol name
259130    4.5199  mysqld                   MYSQLparse(void*)
196841    3.4334  mysqld                   my_pthread_fastmutex_lock
106439    1.8566  libc-2.5.so              _int_malloc
94583     1.6498  bnx2                     /bnx
284550    1.4748  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 ut_delay
67945     1.1851  mysqld                   _ZL20make_join_statisticsP4JOINP10TABLE_LISTP4ItemP16st_dynamic_array
63435     1.1065  mysqld                   JOIN::optimize()
55825     0.9737  vmlinux                  wakeup_stack_begin
55054     0.9603  mysqld                   MYSQLlex(void*, void*)
50833     0.8867  libpthread-2.5.so        pthread_mutex_trylock
49602     0.8652  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 row_search_for_mysql
47518     0.8288  libc-2.5.so              memcpy
46957     0.8190  vmlinux                  .text.elf_core_dump
46499     0.8111  libc-2.5.so              malloc

　　MySQL 的 SQL 解析阶段，有调用 MYSQLparse() 和 MYSQLlex(); 查询优化阶段，调用 make_join_statistics() 和 JOIN::optimize()。很明显，主要耗资源的是SQL 层，而不是 InnoDB 存储层。与 Memcached/NoSQL 比起来，MySQL 还要额外做一些工作：
Parsing SQL statements 解析 SQL.
Opening, locking tables 打开并锁定表.
Making SQL execution plans SQL 执行计划.
Unlocking, closing tables 解锁并关闭表.

　　另外，MySQL 还必须要做大量的并发控制，比如在发送/接收网络数据包的时候，fcntl() 就要被调用很多次; Global mutexes 比如 LOCK_open，LOCK_thread_count 也被频繁地取得/释放。所以, 在 Oprofile 的输出中，排在第二位的是 my_pthread_fastmutex_lock()。并且 %system 占用的 CPU 相当高(28%)。

　　其实 MySQL 开发团队和外围的开发团体已意识到大量并发控制对性能的影响，MySQL5.5 中已经解决了一些问题。未来的 MySQL 版本中，应该会越来越好。

　　还有一个大的问题是，%user 达到了60%。互斥量的争夺导致 %system 上增，而不是 %user，即使 MySQL 内部关于互斥量的的问题都得到修复，还是很难达到我们所期望的 300,000 QPS.也许，会有人提到使用 HANDLER ，但是因为在解析 SQL时，opening/closing table 还是必须的，所以对于提高吞吐量，它还是只能爱莫能助。

　　如果只有一小部分数据进入内存，那么 SQL 带来的消耗可以忽略不计。很简单，因为磁盘的 I/0 操作所带来的消耗会要大，这种情况下时，就不需要太过的去考虑 SQL 所带来的消耗。

　　但是，在大多数的 hot MySQL 服务器中, 大部分的数据都是因为全部载入至内存中而变的只受 CPU 的限制。Profiling 的结果就类似上所述的那样: SQL 层消耗了大量的资源。假设，需要做大量的 PK 查询(i.e. SELECT x FROM t WHERE id=?)或者是做 LIMIT 的范围查询, 即使有 70-80% 都是在同一张表中做 PK 查询(仅仅只是查询条件中给定的值不同，即 value 不同而已)， MySQL 还是每次需要去做 parse/open/lock/unlock/close, 这对我们来说，是非常影响效率的。

　　到底有没有好的方法来减少 MySQL SQL 层的 CPU 资源/争夺呢? 如果使用 MySQL Cluster， NDBAPI 不失为一个很好的解决办法。 在我还是 MySQL/Sun/Oracle 的顾问时，就见到过很多客户对SQL Node + NDB performance 感到非常不爽，但当他们用了 NDBAPI 客户端后，发现性能调提高了 N 倍。当然，在 MySQL Cluster 中是可以同时使用 NDBAPI 和 SQL 的，但在做频繁的访问模式时还是推荐使用 NDBAPI，而在 ad-hoc 或者 查询不频繁的情况下使用 SQL + MySQL + NDB。

　　以快捷的速度访问 API, 这正是我们需要的，但同时我们也想在 ad_hoc 或者复杂的查询的情况时还是使用 SQL. 像其他的 web service， DeNA 使用的是 InnoDB, 转为 NDB，这并不是一件容易的事情，因为内置InnoDB 即不支持 SQL 也不支持网络层的服务。

　　最好的办法可以是在 MySQL 的内部，实现一以 MySQL plugin 的形式存在的 NoSQL 的网络服务。它侦听在某端口来接收采用 NoSQL 协议/API 的通讯， 然后通过 MySQL 内部的存储引擎 API 来直接访问 InnoDB。这种方法的理念类似于 NDBAPI， 但是它可以做到与 InnoDB 通讯。

　　这个理念最初是去年由 Kazuho Oku 在 Cybozu Labs 上提出的，他曾写过采用 Memcached protocols 通讯的MyCached UDF。而我的大学同学实现了另外一个插件 ― HandlerSocket,

　　是以 MySQL daemaon plugin 形式存在，所以在应用中可把 MySQL 当 NoSQL 使用. 它最大的功能是实现了与存储引擎交互，比如 InnoDB，而这不需要任何的 SQL 方面的开销. 访问 MySQL 的 table 时，当然她也是需要 open/close table 的，但是 它并不是每次都去 open/close table, 因为它会将以前访问过的 table 保存下来以供来是使用，而 opening/closing tables 是最耗资源的，而且很容易引起互斥量的争夺，这样一来，对于提高性能，非常有效。在流量变小时， HandlerSocket 会 close tables, 所以，它不会阻塞 administrative commands (DDL).

　　它与MySQL + Memcached 的区别在哪呢？ 对比图1 和图2 ，可从中看出其不同点。图2 展示了典型的 MySQL + Memecached 的使用. 因为 Memcached 的 get 操作比 MySQL 的内存中/磁盘上的主键查询要快很多，所以 Memcached 用于缓存数据库记录。如果 HandlerSocket 的查询速度能和 Memcached 媲美，我们就不需要使用 Memcached 来缓存记录。

　　

　　举一个例子，假设有一 user 表，通过 user_id 来获取用户信息:

CREATE TABLE user
(
user_id INT UNSIGNED PRIMARY KEY,
user_name VARCHAR(50),
user_email VARCHAR(255),
created DATETIME
)
ENGINE=InnoDB;

　　用 SELECT 语句获取用户信息

mysql> SELECT user_name, user_email, created FROM user WHERE user_id=101;
+---------------+-----------------------+---------------------+
| user_name     | user_email            | created
|  +---------------+-----------------------+---------------------+
| Yukari Takeba | yukari.takeba@dena.jp | 2010-02-03 11:22:33
|  +---------------+-----------------------+---------------------+
1 row in set (0.00 sec)

　　下面我们来看看如何使用 HandlerSocket 完成同样的事情.

安装 HandlerSocket

　　HandlerSocket具体安装步骤请参考这里，基本步骤如下：

1 下载HandlerSocket
2 编译 HandlerSocket(客户端和服务端)

[root@localhost handlersocket]# ./configure --with-mysql-source=mysql-source-dir --with-mysql-bindir=mysql-server-bin-dir
[root@localhost handlersocket]# make
[root@localhost handlersocket]# make install

3 安装 HandlerSocket

mysql> INSTALL PLUGIN \'handlersocket\' soname \'handlersocket.so\';

　　因为 HandlerSocket是 MySQL 插件，所以可以象使用其它插件，如 InnoDB, Q4M 和 Spider 那样使用它，即不需要修改 MySQL 源代码，MySQL 最好是 5.1 或更高版本，编译 HandlerSocket 时需要 MySQL 源码和 MySQL 库。

书写 HandlerSocket 客户端代码

　　目前已提供 C++ 和 perl 调用的客户端库，下面是使用 perl 调用的实例代码:

#!/usr/bin/perl  

use strict;
use warnings;
use Net::HandlerSocket;  

#1. establishing a connection
my $args = { host => \'ip_to_remote_host\', port => 9998 };
my $hs = new Net::HandlerSocket($args);  

#2. initializing an index so that we can use in main logics.
# MySQL tables will be opened here (if not opened)
my $res = $hs->open_index(0, \'test\', \'user\', \'PRIMARY\',
    \'user_name,user_email,created\');
die $hs->get_error() if $res != 0;  

#3. main logic
#fetching rows by id
#execute_single (index id, cond, cond value, max rows, offset)
$res = $hs->execute_single(0, \'=\', [ \'101\' ], 1, 0);
die $hs->get_error() if $res->[0] != 0;
shift(@$res);
for (my $row = 0; $row < 1; ++$row) {
  my $user_name= $res->[$row + 0];
  my $user_email= $res->[$row + 1];
  my $created= $res->[$row + 2];
  print "$user_name\\t$user_email\\t$created\\n";
}  

#4. closing the connection
$hs->close()

#!/usr/bin/perl  

use strict;
use warnings;
use Net::HandlerSocket;  

#1. establishing a connection
my $args = { host => \'ip_to_remote_host\', port => 9998 };
my $hs = new Net::HandlerSocket($args);  

#2. initializing an index so that we can use in main logics.
# MySQL tables will be opened here (if not opened)
my $res = $hs->open_index(0, \'test\', \'user\', \'PRIMARY\',
    \'user_name,user_email,created\');
die $hs->get_error() if $res != 0;  

#3. main logic
#fetching rows by id
#execute_single (index id, cond, cond value, max rows, offset)
$res = $hs->execute_single(0, \'=\', [ \'101\' ], 1, 0);
die $hs->get_error() if $res->[0] != 0;
shift(@$res);
for (my $row = 0; $row < 1; ++$row) {
  my $user_name= $res->[$row + 0];
  my $user_email= $res->[$row + 1];
  my $created= $res->[$row + 2];
  print "$user_name\\t$user_email\\t$created\\n";
}  

#4. closing the connection
$hs->close();

　　上面代码是通过 user_id=101 条件在 user 表获取用户 user_name, user_email和 created 信息，得到的结果应该和之前在 MySQL client 查询出来的结果一样。

[matsunobu@host ~]$ perl sample.pl
Yukari Takeba   yukari.takeba@dena.jp   2010-02-03 11:22:33

　　对于大多数Web应用程序而言，保持轻量级的 HandlerSocket 连接是一个很好的做法(持续连接)，让大量的请求可以集中于主要逻辑(上面代码中的#3部分)。

　　 HandlerSocket 协议是一个小尺寸的基于文本的协议，和 Memcached 文本协议类似，可以使用 telnet 通过 HandlerSocket 获取数据。

[matsunobu@host ~]$ telnet 192.168.1.2 9998
Trying 192.168.1.2...
Connected to xxx.dena.jp (192.168.1.2).
Escape character is \'^]\'.
P       0       test    user    PRIMARY user_name,user_email,created
0       1
0       =       1       101
0       3       Yukari Takeba   yukari.takeba@dena.jp   2010-02-03 11:22:33
(Green lines are request packets, fields must be separated by TAB)

　　绿色表示请求数据包，字段必须用Tab键分隔。

　　现在是时候展示基准测试结果，使用上面的 user 表，从多线程远程客户端测试了执行主键查询操作的次数，所有用户数据都装入到内存中(我测试了 100 万行)，也用类似的数据测试了 Memcached(我使用 libMemcached 和 Memcached_get() 获取用户数据)，在 MySQL SQL 测试中，我使用了的是传统的 SELECT 语句: “SELECT user_name, user_email, created FROM user WHERE user_id=?”, Memcached 和 HandlerSocket 客户端代码均使用 C/C++ 编写，所有客户端程序都位于远程主机上，通过 TCP/IP 连接到 MySQL/Memcached。最高的吞吐量情况如下：

                            approx qps     server CPU util
MySQL via SQL               105,000      %us 60%  %sy 28%
Memcached                   420,000      %us  8%  %sy 88%
MySQL via HandlerSocket     750,000      %us 45%  %sy 53%

　　HandlerSocket的吞吐量比使用传统 SQL 时高出 7.5, 而且 %us 也只有使用传统 SQL 时的3/4, 这说明 MySQL 的 SQL 层是非常耗资源的，如果能跳过这一层，性能肯定会大大提升。有趣的是，MySQL 使用 HandlerSocket 时的速度比使用 Memcached 也要快 178%，并且 Memcached 消耗的 %sy 资源也更多。所以虽然 Memcached 是一个很好的产品，但仍然有优化的空间。

　　下面是oprofile输出内容，是在 MySQL HandlerSocket 测试期间收集到的，在核心操作，如网络数据包处理，获取数据等的 CPU 资源消耗(bnx2是一个网络设备驱动程序)。

samples  %        app name                 symbol name
984785    5.9118  bnx2                     /bnx2
847486    5.0876  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 ut_delay
545303    3.2735  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 btr_search_guess_on_hash
317570    1.9064  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 row_search_for_mysql
298271    1.7906  vmlinux                  tcp_ack
291739    1.7513  libc-2.5.so              vfprintf
264704    1.5891  vmlinux                  .text.super_90_sync 

248546    1.4921  vmlinux                  blk_recount_segments
244474    1.4676  libc-2.5.so              _int_malloc
226738    1.3611  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 _ZL14build_template  P19row_prebuilt_structP3THDP8st_tablej
206057    1.2370  HandlerSocket.so         dena::hstcpsvr_worker::run_one_ep()
183330    1.1006  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 mutex_spin_wait
175738    1.0550  HandlerSocket.so         dena::dbcontext::  cmd_find_internal(dena::dbcallback_i&, dena::prep_stmt const&,   ha_rkey_function, dena::cmd_exec_args const&)
169967    1.0203  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 buf_page_get_known_nowait
165337    0.9925  libc-2.5.so              memcpy
149611    0.8981  ha_innodb_plugin.so.0.0.0 row_sel_store_mysql_rec
148967    0.8943  vmlinux                  generic_make_request

　　因为 HandlerSocket 是运行于 MySQL 内部，直接与 InnoDB 交互，所以，可以使用常见的 SQL 命令，如 SHOW GLOBAL STATUS 获得统计信息，Innodb_rows_read 达到了 750000+ 是值得一看的。

$ mysqladmin extended-status -uroot -i 1 -r | grep "InnoDB_rows_read"
...
| Innodb_rows_read                      | 750192     |
| Innodb_rows_read                      | 751510     |
| Innodb_rows_read                      | 757558     |
| Innodb_rows_read                      | 747060     |
| Innodb_rows_read                      | 748474     |
| Innodb_rows_read                      | 759344     |
| Innodb_rows_read                      | 753081     |
| Innodb_rows_read                      | 754375     |
...

　　测试用机的详细信息如下：

型号	戴尔PowerEdge R710
CPU	Nehalem 8核，E5540@2.53GHz
内存	32GB(所有数据都装入缓冲池)
MySQL	5.1.50 InnoDB
Memcached/libMemcached	1.4.5(Memcached)，0.44(libMemcached)
Network	Boradcom NetXtreme II BCM5709 1000Base-T(内建四端口，使用了其中三个)

　　Memcached 和 HandlerSocket 都做了网络 I/O 限制，当我测试单个端口时，HandlerSocket 的 QPS 为 260000，而 Memcached 为 220000。　

　　如下所述，HandlerSocket 有其自己的特点和优势，而其中一些对我们来说, 是真的很给力.

支持多种查询模式

　　HandlerSocket 目前支持 主键/唯一性查询，非唯一性索引查询，范围扫描，LIMIT 和 INSERT/UPDATE/DELETE，但还不支持未使用任何索引的操作。另外，multi_get()(类似于in(1,2,3), 只需一次网络往返)还可获取多行数据。到这里可查询详细信息。

处理大量并发连接

　　HandlerSocket 连接是轻量级的，因为 HandlerSocket 采用epoll()和 worker-thread/thread-pooling 架构，而 MySQL 内部线程的数量是有限的(可以由 my.cnf中的 handlersocket_threads参数控制)，所以即使建立上千万的网络连接到 HandlerSocket，它的稳定性也不会受到任何影响(消耗太多的内存，会造成巨大的互斥竞争等其他问题，如bug#26590，bug#33948，bug#49169)。

及其优秀的性能

　　HandlerSocket,如上所描述, 相对于其它 NoSQL 阵容,性能表现一点也不逊色。事实上，我还未曾见过哪个 NoSQL 产品在一台普通服务器上可达到 750000+ 次查询。它不仅没有调用与 SQL 相关的函数，还优化了网络/并发相关的问题。

更小的网络数据包

　　 和传统 MySQL 协议相比，HandlerSocket 协议更简短，因此整个网络的流量更小。

运行有限的 MySQL 内部线程数

　　 参考上面的内容。

将客户端请求分组

　　 当大量的并发请求抵达 HandlerSocket 时，每个工作线程尽可能多地聚集请求，然后同时执行聚集起来的请求和返回结果。这样，通过牺牲一点响应时间，而大大地提高性能。例如，你可以得到以下好处，如果有人感兴趣，我会在今后的文章中对它们加以深入的解释。

　　 减少fsync()调用的次数.

　　 减少复制延迟.

无重复缓存

　　当使用 Memcached 缓存 MySQL/InnoDB 记录时，在 Memcached 和 InnoD B缓冲池中均缓存了这些记录，因此效率非常低(内存仍然很贵). 而采用 HandlerSocket插件, 由于它访问 InnoDB 存储引擎，记录缓存在 InnoDB 缓冲池中，这样，其它 SQL 语句就可以重复使用它。

无数据不一致的现象

　　由于数据只存储在一个地方(InnoDB 内)，不像使用 Memcached 时，需要在 Memcached 和 MySQL 之间检查数据一致性。

崩溃安全

　　后端存储是 InnoDB，它是事务性和崩溃安全的，即使有设置innodb-flush-log-at-trx-commit!=1，在服务器崩溃时也只会丢掉

可从 MySQL 客户端使用 SQL

　　在许多情况下，人们仍然希望使用 SQL(如生产摘要报告)，这就是为什么我们不能使用嵌入式 InnoDB 的原因，大多数 NoSQL 产品都不支持 SQL 接口，HandlerSocket 仅仅是一个 MySQL 插件，可以从 MySQL 客户端发送 SQL 语句，但当需要高吞吐量时，最好使用 HandlerSocket。

从 MySQL获益

　　因为 HandlerSocket 运行于 MySQL 内部，因此所有 MySQL 操作，如 SQL，在线备份，复制，通过 Nagios/EnterpriseMonitor 监控等都是支持的，HandlerSocket 获得可以通过普通的 MySQL 命令监控，如SHOW GLOBAL STAUTS，SHOW ENGINE INNODB STATUS和SHOW PROCESSLIST等.

不需要修改/重建 MySQL

　　因为 HandlerSocket 是一个插件，所以它支持 MySQL 社区版和企业服务器版，而无需对 MySQL 做出任何修改就可以使用。

独立于存储引擎

　　虽然我们只测试了5.1和5.5 InnoDB 插件，但 HandlerSocket 可以和任何存储引擎交互。

需要学习HandlerSocket API

　　尽管它很容易使用，但仍然需要学习如何与 HandlerSocket 交互，我们提供了C++ API、Perl绑定。

没有安全功能

　　和其它NoSQL数据库类似，HandlerSocket不支持安全功能，HandlerSocket的工作线程以系统用户权限运行，因此应用程序可以访问通过 HandlerSocket 协议的所有表，当然，你可以象其它 NoSQL 产品一样使用防火墙过滤数据包。

对于 HDD 绑定工作负载没有优势

　　对于 HDD I/O 绑定工作负载，数据库每秒无法执行数千次查询，通常只有 1-10% 的 CPU 利用率，在这种情况下，SQL 执行层不会成为瓶颈，因此使用HandlerSocket没有什么优势，我们只在数据完全装载到内存的服务器上使用 HandlerSocket。

　　我们已经在生产环境中使用了 HandlerSocket 插件，效果很明显，因为我们减少了许多 Memcached 和 MySQL 从属服务器，而且整个网络流量也在减少。目前还没有发现任何性能问题(如响应时间慢，延迟等)。

　　 我认为, NoSQL/Database 社区完全低估了 MySQL, 相对于其他产品来说，它历史悠久，而且到目前为止，我优秀的前同事们也做了许多独特的、伟大的改进。从 NDBAPI 可以看出 MySQL 有成为 NoSQL 的潜力，因为存储引擎 API 和守护进程接口的完全独立，使得 Akira 和 DeNA 开发 HandlerSocket 成为可能。作为 MySQL 一名前员工和对 MySQL 长期的了解，我想看到 MySQL 变得更好，更受欢迎，而不仅仅只作为一个 RDBMS，也应该成为 NoSQL 阵营中的一员。