数据处理能力相差 2.4 倍？Flink 使用 RocksDB 和 Gemini 的性能对比实验

微博机器学习平台使用 Flink 实现多流 join 来生成在线机器学习需要的样本。时间窗口内的数据会被缓存到 state 里，且 state 访问的延迟通常决定了作业的性能。开源 Flink 的状态存储主要包括 RocksDB 和 Heap 两种，而在去年的 Flink Forward 大会上我们了解到阿里云 VVP 产品自研了一款更高性能的状态存储插件 Gemini，并对其进行了测试和试用。

在本篇文章中我们将对 RocksDB、Heap 和 Gemini 在相同场景下进行压测，并对其资源消耗进行对比。测试的 Flink 内核版本为 1.10.0。

测试场景

我们使用真实的样本拼接业务作为测试场景，通过将多个流的数据union后对指定key做聚合（keyby），在聚合函数里从各个流中获取相应的字段，并将需要的字段重新组合成一个新的对象存储到 value state 里。这里对每个新的对象都定义一个 timer，用 timer 功能来替代 TimeWindow，窗口结束时将数据发射到下游算子。使用 timer 功能的主要原因是 timer 更灵活，更方便用户自定义，在平台的实用性，可扩展性上表现更好。

MemoryStateBackend vs. RocksDBStateBackend

首先需要说明的是，MemoryStateBackend 不建议在线上使用，这里主要是通过测试量化一下使用 Heap 存储 state 的资源消耗。

我们在测试中对 checkpoint 的配置如下：

CheckpointInterval:10分钟
CheckpointingMode: EXACTLY_ONCE
CheckpointTimeout:3分钟

同时对 RocksDB 增加了如下配置：

setCompressionType：LZ4_COMPRESSION
setTargetFileSizeBase：128 * 1024 * 1024
setMinWriteBufferNumberToMerge：3
setMaxWriteBufferNumber：4
setWriteBufferSize：1G
setBlockCacheSize：10G
setBlockSize：4 * 1024
setFilter：BloomFilter(10, false)

测试发现，相同作业处理相同的数据量时，使用 MemoryStateBackend 的作业吞吐和 RocksDB 类似（输入 qps 为 30 万，聚合后输出 qps 为 2 万），但所需要的内存(taskmanager.heap.mb)是 RocksDB 的 8 倍，对应的机器资源是 RocksDB 的 2 倍。

由此我们得出以下结论：

• 使用 MemoryStateBackend 需要增加非常多的 Heap 空间用于存储窗口内的状态数据（样本），相对于把数据放到磁盘的优点是处理性能非常好，但缺点很明显：由于 Java 对象在内存的存储效率不高，GB 级别的内存只能存储百兆级别的真实物理数据，所以会有很大的内存开销，且 JVM 大堆 GC 停机时间相对较高，影响作业整体稳定，另外遇到热点事件会有 OOM 风险。
• 使用 RocksDB 则需要较少的 Heap 空间即可，加大 Native 区域用于读缓存，结合 RocksDB 的高效磁盘读写策略仍然有很好的性能表现。

GeminiStateBackend vs. RocksDBStateBackend 

可以通过如下方式，在 Ververica Platform 产品中指定使用 Gemini state backend:

state.backend=org.apache.flink.runtime.state.gemini.GeminiStateBackendFactory

同时我们对 Gemini 进行了如下基础配置：

// 指定Gemini存储时的本地目录
kubernetes.taskmanager.replace-with-subdirs.conf-keys= state.backend.gemini.local.dir
state.backend.gemini.local.dir=/mnt/disk3/state,/mnt/disk5/state
// 指定Gemini的page压缩格式（page是Gemini存储的最小物理单元）
state.backend.gemini.compression.in.page=Lz4
// 指定Gemini允许使用的内存占比
state.backend.gemini.heap.rate=0.7
// 指定Gemini的单个存储文件大小
state.backend.gemini.log.structure.file.size=134217728
// 指定Gemini的工作线程数
state.backend.gemini.region.thread.num=8

机器配置

作业使用资源对应参数

内存相关参数

对比结果

Note：全量的样本拼接负载使用 16 台机器无法完全服务，因此我们通过对数据进行不同比例的抽样来进行压测。当出现反压时，我们认为作业已经达到性能瓶颈。

结论

由以上对比可以看出，在数据、作业处理逻辑、硬件配置等都相同的前提下，使用 Gemini 成功处理的数据量是 RocksDB 的 2.4 倍（17280 vs 7200 条/s）。同时通过硬件资源消耗的对比可知，RocksDB 更快达到磁盘 IO 瓶颈，而 Gemini 则具备更高的内存和 CPU 利用率。

作者简介：

曹富强、晨馨，微博机器学习研发中心-高级系统工程师。现负责微博机器学习平台数据计算/数据存储模块，主要涉及实时计算 Flink、Storm、Spark Streaming，数据存储Kafka、Redis，离线计算 Hive、Spark 等。目前专注于Flink/Kafka/Redis在微博机器学习场景的应用，为机器学习提供框架，技术，应用层面的支持。