数据库向量化如何进行性能优化

数据库向量化如何进行性能优化

前面提到，数据库向量化是一个巨大的、系统的性能优化工程，两年来，我们实现了数百个大大小小的优化点。我将 StarRocks 向量化两年多的性能优化经验总结为 7 个方面 （注意，由于向量化执行是单线程执行策略，所以下面的性能优化经验不涉及并发相关）：

1. 高性能第三方库：在一些局部或者细节的地方，已经存在大量性能出色的开源库，这时候，我们可能没必要从头实现一些算法或者数据结构，使用高性能第三方库可以加速我们整个项目的进度。在 StarRcoks 中，我们使用了 Parallel Hashmap、Fmt、SIMD Json 和 Hyper Scan 等优秀的第三方库。

2. 数据结构和算法：高效的数据结构和算法可以直接在数量级上减少 CPU 指令数。在 StarRocks 2.0 中，我们引入了低基数全局字典，可以通过全局字典将字符串的相关操作转变成整形的相关操作。如下图所示，StarRcoks 将之前基于两个字符串的 Group By 变成了基于一个整形的 Group By，这样 Scan、Hash 计算、Equal、Memcpy 等操作都会有数倍的性能提升，整个查询最终会有 3 倍的性能提升。

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3. 自适应优化：很多时候，如果我们拥有更多的上下文或者更多的信息，我们就可以做出更多针对性的优化，但是这些上下文或者信息有时只能在查询执行时才可以获取，所以我们必须在查询执行时根据上下文信息动态调整执行策略，这就是所谓的自适应优化。下图展示了一个根据选择率动态选择 Join Runtime Filter 的例子，有 3 个关键点： 

  a. 如果一个 Filter 几乎不能过滤数据，我们就不选择；

  b. 如果一个 Filter 几乎可以把数据过滤完，我们就只保留一个 Filter; 

  c. 最多只保留 3 个有用的 Filter

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4. SIMD 优化：如下图所示，StarRcoks 在算子和表达式中大量使用了 SIMD 指令提升性能。

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5. C++ Low Level 优化：即使是相同的数据结构、相同的算法，C++ 的不同实现，性能也可能相差好几倍，比如 Move 变成了 Copy，Vector 是否 Reserve，是否 Inline， 循环相关的各种优化，编译时计算等等。

6. 内存管理优化：当 Batch Size 越大、并发越高，内存申请和释放越频繁，内存管理对性能的影响越大。我们实现了一个 Column Pool，用来复用 Column 的内存，显著优化了整体的查询性能。下图是一个 HLL 聚合函数内存优化的代码示意，通过将 HLL 的内存分配变成按 Block 分配，并实现复用，将 HLL 的聚合性能直接提升了 5 倍。

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7. CPU Cache 优化：做性能优化的同学都应该对下图的数据了熟于心，清楚 CPU Cache Miss 对性能的影响是十分巨大的，尤其是我们启用了 SIMD 优化之后，程序的瓶颈就从 CPU Bound 变成了 Memory Bound。同时我们也应该清楚，随便程序的不断优化，程序的性能瓶颈会不断转移。

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下面的代码展示了我们利用 Prefetch 优化 Cache Miss 的示例，我们需要知道，Prefetch 应该是最后一项优化 CPU Cache 的尝试手段，因为 Prefetch 的时机和距离比较难把握，需要充分测试。