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23 | 数据库查询串讲：重难点回顾+思考题答疑+知识全景图
你好，我是王磊。
这一讲是我们课程的第三个答疑篇，我会和你一起回顾第16讲到22讲的主要内容，这部分内容是围绕着数据库的“查询”展开的。同时，我也会集中解答留给大家思考题，并回复一些大家关注的热点内容。
第16讲：慎用存储过程
第16讲，我首先分享了自己职业生涯中的一个小故事，说的是如何用Oracle的存储过程将程序执行速度提升了60倍。这是个值得骄傲的事情，但后来我也发现了存储过程的局限性，就是难以移植、难以调试。所以，我个人的建议是不使用或者少使用存储过程。
然后，我们对分布式数据库的支持现状做了介绍，只有OceanBase 2.0版本支持Oracle存储过程，但官方并不建议在生产环境中使用。Google的F1中通过引入独立的UDF Server来支持存储过程，可以使用Java等多种高级语言进行开发，这样调试和迁移会更加方便，但是普通企业的网络带宽能否支撑这种架构还不好说。
最后，我们重点介绍了VoltDB。它是一款内存分布式数据库，大量使用内存、单线程、主要使用存储过程封装SQL是它的三个特点。VoltDB的存储过程也支持Java开发，更加开放。
这一讲的是思考题是“VoltDB的设计思路很特别，在数据的复制上的设计也是别出心裁，既不是NewSQL的Paxos协议也不是PGXC的主从复制，你能想到是如何设计的吗？”
VoltDB数据复制的方式是K-safety，也叫做同步多主复制，其中K是指分区副本的数量。这种模式下，当前分区上的任何操作都会发送给所有副本去执行，以此来保证数据一致性。也就是说，VoltDB是将执行逻辑复制到了多个分区上，来得到同样的结果，并不是复制数据本身。
对这个问题，“佳佳的爸”在留言区给出了一个标准答案。同时，针对存储过程的使用，“Jxin”和“佳佳的爸”两位同学都谈了自己的经验和体会，都讲得非常好，点赞。
同时，我也看到有的同学表达了不同的观点，这个我还是蛮能理解的。调试难、移植难这都是主观判断，没有统一的标准。难还是易，说到底是和个体能力有关系。但是，今天已经是软件工程化的时代，越来越重视协作，孤胆英雄的开发模式在多数情况下已经不适用了。
如果你的整个团队都能低成本地使用这项技能，确实可以考虑继续使用，但这样也不是完全没有风险。作为管理者，你肯定还要考虑团队技术栈和市场上多数程序员的技术栈是否一致，来降低人员变动带来的风险。我碰到过不少项目，开发语言选C++或Java都可以，但就是因为C++程序员太少，所以选择了Java。
第17讲：自增主键 VS 随机主键
第17讲的核心内容是自增主键的使用，它是一个具体的特性，因为要依赖全局性约束，所以很有代表性。我们首先介绍了MySQL的自增主键，很多同学会认为它能够保证单调递增，但如果发生事务冲突时，自增主键是会留下空洞的。
而且，当并发很大时，也不能直接使用MySQL的自增列，因为会成为性能瓶颈。然后，我介绍了如何使用Oracle的Sequence配合应用系统共同支持海量并发。
在分布式数据库下，自增主键与Range分片共用会引发“尾部热点”问题，我们用CockroachDB与YugabyteDB的性能测试数据来验证这个判断。因为Range分片是一种普遍的选择，所以通常是舍弃自增主键转而用随机主键替换，仅保证ID的唯一性。具体技术方案分为数据库内置和应用系统外置两种，内置方案包括UUID和Random，外置方案包括Snowflake算法。
这一讲的是思考题是“使用Range分片加单调递增主键会引发‘尾部热点’问题，但是使用随机主键是不是一定能避免出现‘热点’问题？”
答案是，随机主键可能会出现热点问题。因为按照Range分片原理，一张数据表初始仅有一个分片，它的Key范围是从无穷小到无穷大。随着数据量的增加，这个分片会发生分裂（Split），数据存储才逐渐散开。这意味着，在一段时间内，分片数量会远小于集群节点数量时，所以仍然会出现热点。
解决的方法就是采用预分片机制（Presplit），在没有任何数据的情况下，先初始化若干分片并分配不同的节点。这样在初始阶段，写入负载就可以被分散开，避免了热点问题。目前Presplit在分布式键值系统中比较常见，例如HBase，但不是所有的分布式数据库都支持。
第18讲：HTAP VS Kappa
在第18讲中，我们讨论了HTAP的提出背景、现状和未来。HTAP是Gartner提出的OLTP与OLAP一体化的解决思路，旨在解决数据分析的时效性。同年，LinkedIn提出的Kappa架构也是针对这个问题。所以，我们将HTAP和Kappa作为两种互相比较的解决方案。
Kappa下的主要技术产品包括Kafka、Flink等，是大数据生态的一部分，近年来的发展比较迅速。HTAP的主要推动者是OLTP数据库厂商，进展相对缓慢，也没有强大的生态支持。所以，我个人更看好Kappa架构这条路线。
要实现HTAP就要在计算和存储两个层面支持OLTP和OLAP，其中存储是基础。OLTP通常使用行式存储，OLAP则一般使用列式存储，存在明显差异。HTAP有两种解决思路。一种是Spanner的PAX，一种新的融合性存储，在行存的基础上融合列存的特点。另外一种是TiDB提出的，借助Raft协议在OLTP与OLAP之间异步复制数据，再通过OLAP的特殊设计来弥补异步带来的数据不一致问题。
这一讲的思考题是“每次TiFlash接到请求后，都会向TiKV Leader请求最新的日志增量，本地replay日志后再继续处理请求。这种模式虽然能够保证数据一致性，但会增加一次网络通讯。你觉得这个模式还能优化吗？”
问题的答案是，可以利用Raft协议的特性进行优化。如果你有点记不清了，可以回到第7讲复习一下Raft协议。Raft在同步数据时是不允许出现“日志空洞”的，这意味着如果Follower节点收到时间戳为300的日志，则代表一定已经收到了小于这个时间戳的所有日志。所以，在TiFlash接收到查询请求时，如果查询时间戳小于对应分片的最后写入时间戳，那么本地分片的数据一定是足够新的，不用再与TiKV的Leader节点通讯。
我在留言区看到“游弋云端”和“tt”同学都给出了自己的设计方案，都很棒。“tt”同学的方案非常接近于我给出的答案，“游弋云端”同学的心跳包方案也值得深入探讨。
第19讲：计算下推的各种形式
第19讲中，我们谈的核心内容是计算下推，这是计算存储分离架构下主要的优化方法。
计算下推又可以细分为很多场景，比较简单的处理是谓词下推，就是将查询条件推送到数据节点执行。但在不同的架构下实现难度也有差异，比如TiDB因为设计了“缓存写提交”所以就会更复杂些。分区键对于处理计算下推是个很好的帮助，在PGXC架构中常见，而NewSQL架构主要采用Range分片所以无法直接使用。
分布式数据库沿用了索引来加速计算。在分布式架构下，按照索引的实现方式可以分为分区索引和全局索引。分区索引可以保证索引与数据的同分布，那么基于索引的查询就可以下推到数据节点执行，速度更快。但是，分区索引无法实现全局性约束，比如就没法实现唯一索引，需要全局索引来实现。
不过，全局索引没有同分布的约束，写入数据会带来分布式事务，查询时也会有两轮通讯处理索引查询和回表，性能会更差。在分布式架构下要慎用全局索引。
这一讲的思考题是讲“将‘单表排序’操作进行下推，该如何设计一种有冗余的下推算法？”
排序是一个全局性的处理，任何全局性的控制对分布式架构来说都是挑战。这个设计的关键是有冗余。假如我们执行下面这一条SQL，查询账户余额最多的1,000条记录。
select * from balance_info order by balance_num limit 1000;
一个比较简单的思路是计算节点将这个SQL直接推送给所有数据节点，每个数据节点返回top1,000，再由计算节点二次排序选择前1,000条记录。
不过，这个方式有点太笨拙。因为当集群规模比较大时，比如有50个节点，计算节点会收到50,000条记录，其中49,000都是无效的，如果limit数量再增加，那无效的数据会更多。这种方式在网络传输上不太经济，有一点像读放大情况。
我们可以基于集群节点的数量适当缩小下推的规模，比如只取top 500，这样能够降低传输成本。但相应地要增加判断逻辑，因为也许数据分布很不均衡，top 1,000账户都集中在某个节点上，那么就要进行二次通讯。这个方式如果要再做优化，就是在计算节点保留数据统计信息，让数据量的分配符合各节点的情况，这就涉及到CBO的概念了。
第20讲：关联查询经典算法与分布式实现
在第20讲，我们讨论了关联查询（Join）的实现方案。关联查询是数据库中比较复杂的计算，经典算法分为三类，嵌套循环、排序归并和哈希。这三类算法又有一些具体的实现，我们依次做了介绍，其中哈希算法下的Grace哈希已经有了分布式执行的特点。
有了算法的基础，我又从分布式架构的角度讨论了关联查询的实现。首先涉及到并行执行框架的问题，多数产品的执行框架比较简单，只能做到计算下推这种比较简单的并行。因为数据节点之间是不通讯的，所以计算节点容易成为瓶颈。另外一些产品，比如OceanBase和CockroachDB引入了类似MPP的机制，允许数据节点之间交换数据。
我们把关联查询这个问题聚焦到大小表关联和大表关联两个场景上。大小表关联的解决方案是复制表方式，具体又包括静态和动态两种模式。大表关联则主要通过数据重分布来实现，这个过程需要数据节点之间交换数据，和上一段的并行执行框架有很密切的关系。
这一讲的思考题是“当执行Hash Join时，在计算逻辑允许的情况下，建立阶段会优先选择数据量较小的表作为Inner表，我的问题就是在什么情况下，系统无法根据数据量决定Inner表呢？”
选择数据量较小的作为Inner表，这是典型的基于代价的优化，也就是CBO（Cost Based Optimizer），属于物理优化阶段的工作。在这之前还有一个逻辑优化阶段，进行基于关系代数运算的等价转化，有时就是计算逻辑限制了系统不能按照数据量来选择Inner表。比如执行左外连接（Left Outer Join），它的语义是包含左表的全部行（不管右表中是否存在与它们匹配的行），以及右表中全部匹配的行。这样就只能使用右表充当 Inner 表并在之上建哈希表，使用左表来当 Outer 表，也就是我们的驱动表。
第21讲：查询执行引擎的三个模型
第21讲，我们的关键词是查询执行引擎，它的责任是确保查询计划能被快速执行，而执行速度则取决于引擎采用的执行模型。执行模型分为三种，火山模型、向量化模型和代码生成。
火山模型是多数数据库使用的模型，有20年的历史，运行非常稳定。火山模型由一组运算符嵌套组成，运算符之间低耦合，通用性高，但它的缺点是无法使用现代CPU的特性，尤其是虚函数过多。
向量化模型将运算符的输入从行集合变成向量块，减少了调用虚函数的次数，也提高了CPU使用效率。
代码生成的逻辑则是通过编译器生成针对性的代码，从根本上解决虚函数过多的问题。
向量化模型和代码生成是现代高效查询模型的代表，已经获得越来越多认可，在很多数据库中被使用。TiDB和CockroachDB都进行了向量化改造，而OceanBase也实现了表达式级别的代码生成。
这一讲的思考题是“基础软件演进中一个普遍规律，每当硬件技术取得突破后就会引发软件的革新。那么，我的问题就是你了解的基础软件中，哪些产品分享了硬件技术变革的红利呢？”
就像问题中所说的，每次硬件技术的突破都会引发软件的革新，比如VoltDB出现的背景就是内存技术成熟，价格日益降低，即使使用内存作为主存储设备也有足够的商业竞争力。
通过这一讲，你应该已经了解到，查询引擎的优化就是围绕着现代CPU特性展开的。而在第22讲存储引擎部分，我介绍了WiscKey模型，它是伴随着硬盘技术的发展而提出的，具体来说就是SSD的技术。
SSD的物理结构与传统的HDD非常不同，没有物理磁头，所以寻址成本更低对于随机写支持等更好，但是反复擦写却更影响SSD的使用寿命。WiscKey模型就是基于适合这两个特性提出的。随着SSD价格逐步降低，未来很可能成为服务器的标准配置。
第22讲：存储引擎的优化选择
第22讲，我们主要谈的是存储引擎，也就是数据落盘的最后一步。
在开始的部分，我们先引入RUM猜想这个框架，指出任何数据结构，只能在读放大、写放大和空间放大三者之间优化两项。
然后，我们又回到数据库架构下，分析了B+ Tree与LSM的区别。它们并不是简单地读优化和写优化。LSM的两种策略Tiered和Leveled也会带来不同的效果，其中Leveled是RocksDB采用的模型，适用范围更广。
因为RocksDB是一个优秀的单机存储引擎，所以TiDB和CockroachDB最初都直接引入了它。但是随着产品的演进，TiDB和CockroachDB分别推出了自己的存储引擎TiTan和Pebble。
Titan是借鉴了新的存储模型WiscKey，与LSM最大的差异是将Value分离出来单独存储，这样的好处是在Compact环节减少了写放大。
选择Pebble的不是为了优化模型，而是出于工程上的考虑。一方面是Go语言调用C++编写RocksDB是有额外的延迟，另一方面是RocksDB的不断膨胀引入了更多的变更风险。而Pebble使用Go语言开发，更加小巧，满足了工程方面的要求。
这一讲的思考题是“Scan操作是否可以使用Bloom Filter来加速，如果可以又该如何设计呢？”
Bloom Filter是很有意思的数据结构，通过多个Hash函数将一个数值映射到某几个字节上。这样用少量的字节就可以存储大量的数值，同时能快速地判断某个数值是否存在。虽然没有做映射的数值会有一定概率的误报，但可以保证“数值不存在”是绝对准确的，这就是假阳性。
这种模式显然是不能直接支持Scan操作的，这是需要将数值做一定的转化。这个方法在RocksDB中称为“Prefix Bloom Filter”，也就是取Key的左前缀（Prefix）进行判断。因为K/V系统是按照Key字典序排列的，那就是说相邻的Key通常具有相同的Prefix，这种匹配方式相当于对一组Key做了检验，可以更好地适应Scan的特点。
对这个问题，“扩散性百万咸面包”和“可怜大灰狼”两位同学都给出了很准确的答案，点赞。
小结
第16到第22这七讲大多是围绕着查询这个主题展开的。之所以安排这么大的篇幅，是因为我认为对数据库来说，查询是除了事务以外最重要的功能。
当然OLTP的查询功能和OLAP还有很大的区别，也不能满足所有的查询需求。但了解了这些，可以让我们更准确地管理对分布式数据库的预期。如果你对查询场景更有兴趣，希望这些内容能够为你奠定一个基础，未来更高效地学习OLAP数据库的相关内容。
如果你对今天的内容有任何疑问，欢迎在评论区留言和我一起讨论。要是你身边的朋友也对数据库的查询执行过程感兴趣，你也可以把今天这一讲分享给他，我们一起讨论。
分布式数据全景图3/4
