【转】NoSQL小故事：单服务器如何应付每秒75万次查询(2)

你听说过NDBAPI吗？

在MySQL的SQL层有什么好的解决办法可以减少CPU资源争用吗？如果你使用的是MySQL集群，NDBAPI可能是最好的解决方案，我在MySQL/Sun/Oracle担任顾问时，我看到许多客户对SQL节点+NDB的性能表现很失望，当使用NDBAPI客户端性能提高N倍后，他们高兴极了，你可以在MySQL集群中同时使用NDBAPI和SQL，建议频繁访问模式使用NDBAPI，即席查询或非频繁模式使用SQL+MySQL+NDB。

这正是我们想要的，我们希望更快速地访问API，我们也希望对即席查询或复杂查询使用SQL，但DeNA使用的是InnoDB，和许多其它Web服务一样，切换到NDB不是小事，嵌入式InnoDB不支持SQL也不没有网络接口，因此它不适合我们。

HandlerSocket插件，一个懂NoSQL网络协议的MySQL插件

我们认为最好的办法是在MySQL内部实现一个NoSQL网络服务器，也就是说，写一个网络服务器作为MySQL插件（守护进程插件）监听指定端口，接受NoSQL协议/API，然后使用MySQL内部存储引擎API直接访问InnoDB。这个方法和NDBAPI类似，但它可以和InnoDB交互，这个概念最初是由Kazuho Oku去年在Cybozu实验室提出并创建了原型，他编写了使用memcached协议的MyCached UDF，我的同事Akira Higuchi实现了另一个插件：HandlerSocket，下图显示了HandlerSocket可以做的事情。




图 1 Hanldersocket是什么？

Hanldersocket是一个MySQL守护进程插件，它让应用程序可以将MySQL当NoSQL使，Hanldersocket的主要目的是与存储引擎，如InnoDB交互，而不需要SQL相关的开销。访问MySQL表时，Hanldersocket仍然需要打开和关闭表，但不是每次访问都要求打开和关闭，因此减少了互斥争夺，极大地提高了系统性能，当流量变小时，Hanldersocket会关闭表，因此它永远不会阻止管理命令（DDL）。

它和使用MySQL+Memcached有什么不同？比较图1和图2，我想你会发现很多差异的，图2显示了典型的Memcached和MySQL用法，Memcached用于缓存数据库记录，这是因为Memcached的get操作比MySQL的内存中/磁盘上的主键查询要快很多，如果HandlerSocket的查询速度和Memcached一样快，我们就不用Memcached缓存记录了。





图 2 MySQL+Memcached的常见架构模式

使用HandlerSocket

举一个例子，假设有一个“user”表，我们需要通过user_id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;

在MySQL中，可以通过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。

首先需要安装HandlerSocket，具体安装步骤请参考这里，基本步骤如下：

1、从这里下载HandlerSocket；

2、生成HandlerSocket（客户端和服务器端）；

./configure --with-mysql-source=... --with-mysql-bindir=... ; make; make install

3、安装HandlerSocket

mysql> INSTALL PLUGIN 'HandlerSocket' soname 'HandlerSocket.so';

因为HandlerSocket是MySQL插件，你可以象使用其它插件，如InnoDB、Q4M和Spider插件那样使用它，也就是说，你不需要修改MySQL源代码，MySQL最好是5.1或更高版本，生成HandlerSocket时需要MySQL源代码和MySQL库。

接下来需要编写HandlerSocket客户端代码，我们提供了C++和Perl客户端库，下面是一个简单的Perl代码示例，它通过主键查询获取一行记录。

#!/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();

上面的代码从user表查询user_name，user_email和created列，查询条件是user_id=101，因此查询结果和前面的SELECT语句一样。

[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，你可以使用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

绿色表示请求数据包，字段必须用Tab键分隔。

基准测试

现在是时候展示我们的基准测试结果了，我使用上面的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），我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，我使用了一个传统的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%

通过HandlerSocket比传统的SQL语句吞吐量要高出7.5倍，这说明了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快178%，并且Memcached消耗的%system资源也更多，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是运行在MySQL内部的，并直接与InnoDB打交道，你可以使用常见的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     |
...

测试用机详细规格如下：

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版本：5.1.50，InnoDB插件

Memcached/libmemcached版本：1.4.5（Memcached），0.44（libmemcached）

网络：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的成绩是260000qps，Memcached的成绩是220000qps。

HandlerSocket的特点和优势

HandlerSocket有许多特点和优势，其中有一些是对我们真正有益的。

1、支持大量的查询模式

HandlerSocket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，不支持未使用任何索引的操作，multi_get操作（类似于in(1,2,3)） - 通过单一网络往返获取多行数据 – 也是支持的。

2、可以处理大量并发连接

HandlerSocket连接是轻量级的，因为HandlerSocket采用了epoll()和工作线程/线程池架构，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），因此你可以建立上千或上万的网络连接，稳定性不会受到任何影响（消耗太多的内存，造成巨大的互斥竞争等，如bug#26590，bug#33948，bug#49169）。

3、极好的性能

HandlerSocket相对于其它NoSQL阵容性能表现一点也不逊色，事实上，我还没有看到哪个NoSQL产品在一台普通服务器上可以执行750000+次查询。
HandlerSocket不仅消除了SQL相关的函数调用，也优化了网络/并发相关的问题。

***更小的网络数据包

HandlerSocket协议和传统MySQL协议相比更简单，更小，因此整个网络的流量也更小。

***运行有限的MySQL内部线程数

参考上面的内容。

***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，这样可以大大地提高性能，只是要牺牲一点响应时间，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

4、没有重复的缓存

当你使用Memcached缓存MySQL/InnoDB记录时，在Memcached和InnoDB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！），由于HandlerSocket插件访问InnoDB存储引擎，记录可以缓存在InnoDB缓冲池中，这样其它SQL语句就可以重复使用它。

5、没有数据不一致的现象

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

6、崩溃安全

后端存储是InnoDB，它是事务性和崩溃安全的，即使你设置innodb-flush-log-at-trx-commit!=1，在服务器崩溃时也只会丢掉<1秒内的数据。

7、可以从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，你可以从MySQL客户端发送SQL语句，当你需要高吞吐量时最好使用HandlerSocket协议。

8、MySQL所有操作都将受益

因为HandlerSocket在MySQL内部运行，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。

9、不需要修改/重建MySQL

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

10、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。

注意事项和限制

1、需要学习HandlerSocket API

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

2、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。

3、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。

DeNA在生产环境中使用HandlerSocket

我们已经在生产环境中使用了HandlerSocket插件，效果是很明显的，最终我们减少了许多Memcached和MySQL从属服务器，整个网络流量也减少了，目前我们还没有发现任何性能问题（如响应时间慢，延迟等）。

我认为MySQL完全被NoSQL/数据库社区低估了，MySQL的历史悠久，我的前同事们也在不断改进它，从NDBAPI可以看出MySQL有成为NoSQL的潜力，存储引擎API和守护进程接口是完全独立的，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，不只作为一个RDBMS，也应该成为NoSQL阵营中的一员。

HandlerSocket插件是开源的，可以免费使用，欢迎你下载和使用，并希望听到你的反馈。

原文出处：Using MySQL as a NoSQL - A story for exceeding 750,000 qps on a commodity server