数据库如何抵抗随机IO的问题、方法与现实

1996年,P O'Neil等提出的 LSM-Tree 是一个重大 突 破。LSM-Tree主要有两种变形,最简单的LSM-Tree,是一个内存中的小索引加上外存中的大索引,更新先缓存在小索引中,再批量更新到大索引, 这样就有望合并对属性同一页面的多次更新的IO。复杂的LSM-Tree,是划分为多个level的很多的小索引,每个level的大小,近似的是前一个 level大小的r倍,如果一个level有r个小索引,则合并形成一个下一level的较大的索引,这样随机插入或删除的平均IO开销可以降低到 log(N)/B次,是一个很大的提升。但带来的问题是,搜索的时候,就要搜索这么多个小索引,而这样的索引会有O(log(N/B))个,那是可能有几 十个,搜索的性能就可能下降几十倍,这往往也带来问题。LSM-Tree已经有不少的现实应用,BigTable、Cassandra、Lucene等这 些用的是复杂的那种LSM-Tree,InnoDB的change buffer可以说是那种一大一小的简单LSM-Tree。NTSE想在做多版本事务的时候顺便实现change buffer。



  2000年,MA Bender等提出的Cache Oblivious B-Tree 是第二个重大突破。这个跟LSM-Tree有些类似,也是索引从小到大分成相邻大小翻倍的多个索引,因此随机插入或删除的平均IO开销也是log(N)/B次,但它用了Fractional Cascading 的技术,使得搜索的性能较传统B+树相关不多。虽然论文发表了10年了,这种索引似乎现在只有TokuDB 一家实现,它是称之为Fractal Tree。我们拿来试了试,效果果然出奇的好。


  有没有可能将来搞出一个比Fractal Tree更好的东西呢,遗憾的是如果硬件不发生根本改变,已经证明Fractal Tree已经是最理想的了。


  但LSM-Tree或Fractal Tree,其实只是消除索引的随机插入和删除带来的随机IO,对随机搜索没什么帮助。这个剩下的索引的随机搜索问题比较复杂,要分解来看。一种是真正的来自于应用需求的搜索,另一种是检查唯一性带来的搜索。这两种处理方法是不同的。


  对于真正的来自于应用需求的搜索,处理还得借助于记录级缓存类似的技术,但这时变成索引项的缓存了。InnoDB中的Adaptive Hash Index就是这个东西。但对检查唯一性带来的搜索,Bloomfilter是个好方法,经常可以消除98%以上不必要的检查。所以BigTable里就 用。但对传统B+树由于索引是实时更新的,Bloomfilter不好用,对Fractal Tree,索引是在merge的时候再批量更新的,可以用Bloomfilter。我们试了TokuDB,根据性能表明看,它对索引性索引的随机插入,也 能轻松对付,估计也是用了Bloomfilter类似的技术。


  因此,我们可以看到,随机IO这个老大难的问题,其实还是有不少的技术可以 解决的。然而,现实是悲摧的,我们经常在用的主流数据库,无论是商业的Oracle、DB2、SQL Server,还是开源的MySQL、PostgreSQL,都基本上还在用最老土的技术,InnoDB里搞了一点change buffer,就能让人津津乐道半天。NoSQL系统走在前面,用上了LSM-Tree,但也并不是最先进的,搜索的性能经常令人担忧。在索引这方 面,TokuDB走在前面,但还没为大众接受。记录方面,不清楚为什么大家不作记录级缓存,这不是很难的事,莫非认为用Memcached就可以了,“因 为善小而不为”?


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