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TiDB 7.5.0 LTS 高性能数据批处理方案

 TiDB社区小助手  发表于  2024-02-02
转载新版本/特性解读

本文作者：PingCAP 售前顾问 汤博文

过去，TiDB 由于不支持存储过程、大事务的使用也存在一些限制，使得在 TiDB 上进行一些复杂的数据批量处理变得比较复杂。

TiDB 在面向这种超大规模数据的批处理场景，其能力也一直在演进，其复杂度也变得越来越低：

  • 从 TiDB 5.0 开始，TiFlash 支持 MPP 并行计算能力，在大批量数据上进行聚合、关联的查询性能有了极大的提升
  • 到了 TiDB 6.1 版本，引入了 BATCH DML ( https://docs.pingcap.com/zh/tidb/stable/non-transactional-dml ) 功能，该功能可以将一个大事务自动拆成多个批次去处理，在单表基础上进行大批量更新、删除、写入时能够大幅提升处理效率，同时避免了大事务所产生的一些影响。
  • 而到了 7.1 LTS 版本，正式 GA 了 TiFlash 查询结果物化 ( https://docs.pingcap.com/zh/tidb/stable/tiflash-results-materialization#tiflash-查询结果物化 ) 的功能，使得 insert/replace into ... select ... 这种操作中的复杂 select 能够利用 TiFlash MPP 并行处理的能力，大幅提升了这种操作的处理性能。
  • 前不久刚发布的 7.5 LTS，正式 GA 了一个 IMPORT INTO ( https://docs.pingcap.com/zh/tidb/stable/sql-statement-import-into#import-into ) 的功能，该功能将原本 tidb-lightning 的物理导入能力集成到 TiDB 计算节点上，使用一条 SQL 语句就可以完成大批量数据的导入，大幅简化了超大规模数据写入时的复杂度。

一、TiDB 上之前有哪些批处理方案

1. INSERT INTO ... SELECT 完成查询和写入

  • 现状：适用于小批量数据处理，性能较高
  • 挑战：大批量数据写入时，会产生大事务，消耗内存较高
  • 说明：写入+单表查询场景可使用 BATCH DML 功能自动拆批

2. 针对 INSERT INTO/INSERT INTO ... ON DUPLICATE .../REPLACE INTO 这些 SQL 使用批量接口执行，降低应用与数据库之间的交互次数，提升批量写入时的性能

  • 现状：在合适的拆批方案、表结构设计上，处理性能非常高
  • 挑战：编码不合理、表结构设计不合理时，可能会遇到热点问题，导致性能不佳

3. 通过 ETL 和调度平台提供的数据读取和写入能力实现大批量数据的处理

  • 现状：主流的 ETL 平台，如 datax、spark、kettle 等，在合理表结构设计时，性能也比较高
  • 挑战：多线程并行写入时，也有可能会遇到热点问题

4. 针对上游传过来的 csv 文件的数据，使用 LOAD DATA 来完成批量数据的写入，提升批量写入时的性能

  • 现状：在对文件进行拆分+多线程并行后，处理性能非常高
  • 挑战：当 LOAD DATA 一个大文件时此时是大事务，导致性能不佳；多线程处理时也有可能遇到热点问题，导致性能不佳

针对以上几种批处理方案，以及最新推出的 IMPORT INTO 功能，我们开展了一次测试，探索哪种批处理方案效率最高，消耗资源更低，以及使用上更加简单。

二、TiDB 中不同批处理方案的测试

1. 测试环境

1.1 TiDB 资源：3 台 16VC/64GB 虚拟机 + 500GB SSD 云盘（3500 IOPS + 250MB/S 读写带宽）

a. TiDB 版本：TiDB V7.5.0 LTS

b. TiDB 组件：TiDB/PD/TiKV/TiFlash（混合部署）

1.2 存储资源：8C/64GB 虚拟机 + 500GB SSD 云盘（3500 IOPS + 250MB/S 读写带宽）

  • 存储服务：NFS 服务、Minio 对象存储

1.3 测试资源：8C/64GB 虚拟机 + 500GB SSD 云盘（3500 IOPS + 250MB/S 读写带宽）

  • datax + Dolphin 调度/java 程序/dumpling、tidb-lightning 工具以及 MySQL 客户端

image.png

2. 测试场景

将大批量查询结果快速写入到目标表，既考验查询性能，同时也考验批量写入的性能。

2.1 查询部分：多表关联+聚合

基于 TPCH 100GB 数据，扩展 Q10 查询中的字段和查询范围，返回 8344700 行数据。

select  c_custkey,c_name,sum(l_extendedprice * (1 - l_discount)) as revenue,
        c_acctbal,n_name,c_address,c_phone,c_comment,min(C_MKTSEGMENT),min(L_PARTKEY), 
        min(L_SUPPKEY,min(L_LINENUMBER),min(L_QUANTITY), max(L_TAX), max(L_LINESTATUS), 
        min(L_SHIPDATE), min(L_COMMITDATE), min(L_RECEIPTDATE), min(L_SHIPINSTRUCT), 
        max(L_SHIPMODE), max(O_ORDERSTATUS), min(O_TOTALPRICE), min(O_ORDERDATE), 
        max(O_ORDERPRIORITY), min(O_CLERK), max(O_SHIPPRIORITY), 
        @@hostname as etl_host,current_user() as etl_user,current_date() as etl_date
from
        tpch.customer,tpch.orders,tpch.lineitem,tpch.nation
where
        c_custkey = o_custkey and l_orderkey = o_orderkey
        and o_orderdate >= date '1993-10-01' and o_orderdate < date '1994-10-01'
        and l_returnflag = 'R' and c_nationkey = n_nationkey
group by
        c_custkey,c_name,c_acctbal,c_phone,n_name,c_address,c_comment
order by c_custkey;

源表数据量

image.png

2.2 写入：29 列，1 个主键+2 个索引

CREATE TABLE `tpch_q10` (
  `c_custkey` bigint(20) NOT NULL,
  `c_name` varchar(25) DEFAULT NULL,
  `revenue` decimal(15,4) DEFAULT NULL,
   ...
  `etl_host` varchar(64) DEFAULT NULL,
  `etl_user` varchar(64) DEFAULT NULL,
  `etl_date` date DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`c_custkey`) /*T![clustered_index] CLUSTERED */,
  KEY `idx_orderdate` (`o_orderdate`),
  KEY `idx_phone` (`c_phone`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_bin;

3. 测试结果

image.png

4. 测试分析

4.1 JAVA 程序使用 SQL 进行批处理

使用 JAVA 处理时，StreamingResult 流式读取+多并发写入方式能够获得非常好的性能。强烈不建议使用 limit 分页这种形式拆批，这种逻辑数据库将执行 844 条查询 SQL，效率极低，消耗的资源极高。同时 StreamingResult 这种流式读取还可以使用于数据导出的场景，对比使用 limit 分页处理，效率也更高。

在程序 4 中，将原本查询 SQL 里的 order by c_custkey 换成了 order by revenue desc 后，对性能也有一定影响，原因主要是多线程写入时 RPC 开销严重放大。

在程序 5 中，将原本查询 SQL 中的 c_phone 换成 '132-0399-0111' as c_phone，模拟索引热点。

image.png

4.2 LOAD DATA 方式

如果使用 LOAD DATA 要获得比较高的性能，建议对单个文件进行拆分，同时 csv 中文件的顺序建议与目标表主键顺序一致，如一个 CSV 文件存储 20000 行，再通过多线程并行来写入，此时写入性能也比较高。

如果仅 LOAD DATA 导入单个大文件，那么性能较低，且消耗内存较高。

4.3 ETL+调度平台方式

  • 作业类型：datax(mysqlreader + mysqlwriter)，简单，效率一般

调度平台执行 datax 作业：使用 mysqlreader 方式读取时，默认就使用流式读取，但是对于多表查询的 query 时，写入时无法并发

  • 作业类型：shell + datax(txtfileread + mysqlwriter)，较复杂，效率较高

    • 调度平台执行 shell：使用 dumpling 导出成多个 csv 文件
    • 再调度 datax 作业：使用 txtfilereader + mysqlwriter，此时可以多线程并发写入，效率较高

  • 作业类型：SQL，简单高效

    • 调度平台执行 SQL：select ... into outfile
    • 调度平台执行 SQL：import into

4.4 SELECT ... INTO OUTFILE 导出查询结果（当前仅支持导出到文件系统）

该功能大家平时可能使用比较少，但该功能非常有价值，它可以高效的将数据一批导出、并且数据是完全一致的状态，可以用于：

a. 批量数据处理：JAVA 程序可直接执行该 SQL 完成结果的导出

b. 在简单的数据导出场景，使用导出 csv 替换原本 limit 处理逻辑，应用将查询结果导出到一个共享 NFS/S3 对象存储中，再读取 NFS/S3 对象存储中的 CSV，进行结果的处理，极大的降低了数据库的压力，同时性能将比之前使用 limit 分批处理更高。

4.5IMPORT INTO 导入 CSV（当前支持 S3 协议对象存储以及文件系统）

该功能 7.5.0 引入，极大的简化了数据导入的难度，JAVA 程序可直接执行该 SQL 完成 CSV 数据的导入，在进行批处理时应用节点几乎不需要消耗 CPU/内存资源。以下是使用示例：

IMPORT INTO test.tpch_q10 FROM '/mnt/nfs/test.tpch_q10.csv' with FIELDS_TERMINATED_BY='\t',split_file,thread=8;

需要注意的是：IMPORT INTO 导入过程中，不会产生日志，所以针对需要 CDC 同步或 Kafka 分发的场景，该方案不适用。

5. 测试小结

image.png

部分测试代码示例：https://github.com/Bowen-Tang/batch-samples

三、总结与展望

TiDB 7.5.0 引入的 IMPORT INTO 功能，结合 SELECT ... INTO OUTFILE、以及 NFS/对象存储，让 TiDB 上增加了一种更加简单且非常高效的批处理方案，JAVA 应用程序处理时更加简单，ETL 调度也更简单。

以下是 TiDB 使用 IMPORT INTO、SELECT ... INTO OUTFILE 的架构示例：

image.png

IMPORT INTO 功能当前仅支持 CSV 导入，未来 TiDB 8.x 版本中 IMPORT INTO 将直接集成 IMPORT INTO ... SELECT ... 功能，极致简化批处理操作，性能也更进一步提升（187 秒），敬请大家期待：

image.png

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