数据库内核月报 - 2017 / 06

MySQL · myrocks · MyRocks之memtable切换与刷盘

概述

MyRocks的memtable默认是skiplist,其大小和个数分别由参数write_buffer_size和max_write_buffer_number控制。数据写入时先写入active memtable, 当active memtable写满时,active memtable会转化为immutable memtable. immutable memtable数据是不会变化的,最终会刷入level0的sst文件中。
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memtable 内存分配

RocksDB有自己的内存分配机制,称为Arena. Arena由固定的inline_block_和动态的blocks_组成。
inline_block_固定为2048bytes, blocks_由一系列的block组成,这些block大小一般为KBlockSize, 但从arena申请较大内存时(> KBlockSize/4)单独分配一个所申请大小的block. KBlockSize由参数arena_block_size指定,arena_block_size 不指定时默认为write_buffer_size的1/8.

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这里有两个重要的概念

  • blocks_memory_
    Arena当前已分配的内存

  • alloc_bytes_remaining_
    Arena当前block已分配但未使用的内存,注意不是整个Arena已分配而未使用的内存

RocksDB在实际使用内存中用的是ConcurrentArena, 它是在Arena的基础上封装,是线程安全的。
同时ConcurrentArena为了提高并发对内存进行了分片,分片数由cpu个数决定,例如cpu核数为24, 则分片数为32,以下是分片的算法

// find a power of two >= num_cpus and >= 8
  auto num_cpus = std::thread::hardware_concurrency();
  index_mask_ = 7;
  while (index_mask_ + 1 < num_cpus) {
    index_mask_ = index_mask_ * 2 + 1;
  }

  shards_.reset(new Shard[index_mask_ + 1]);

每个分片都有已分配但未使用的内存, 分片越多浪费的内存越多。

一个有趣的例子

测试环境:CPU核数64,write_buffer_size=1G, arena_block_size=0
根据前面的算法,CPU核数64, 内存分片数为64, arena_block_size 默认为write_buffer_size的1/8,对齐后是131072000

我们用1200个连接进行并发插入,这样能够充分使用内存分片数
这是测试某个瞬间取得的内存数据

allocated_memory:1179650048
AllocatedAndUnused:1172297392
write_buffer_size:1048576000
BlockSize:131072000

注意AllocatedAndUnused和allocated_memory是如此的接近,也就是说存在巨大的内存浪费。然而这不是最严重的,更严重的是这种情况导致memtable的切换,后面会进行分析。

memtable 切换

memtable 发生切换的条件有

  1. memtable内存超过write_buffer_size会切换
  2. WAL日志满,WAL日志超过rocksdb_max_total_wal_size,会从所有的colomn family中找出含有最老日志(the earliest log containing a prepared section)的memtable进行切换,详见HandleWALFull
  3. Buffer满,全局的write buffer超过rocksdb_db_write_buffer_size时,会从所有的colomn family中找出最先创建的memtable进行切换,详见HandleWriteBufferFull
  4. flush memtable前会切换memtable, 下节会介绍

下面详细介绍memtable满切换

  • memtable 满切换

memtable内存超过write_buffer_size会切换,由于arena的内存使用,memtable控制内存使用的算法更加精细,切换条件从源码中很容易理解

bool MemTable::ShouldFlushNow() const {
  // This constant variable can be interpreted as: if we still have more than
  // "kAllowOverAllocationRatio * kArenaBlockSize" space left, we'd try to over
  // allocate one more block.
  const double kAllowOverAllocationRatio = 0.6;

  // If arena still have room for new block allocation, we can safely say it
  // shouldn't flush.
  auto allocated_memory = table_->ApproximateMemoryUsage() +
                          range_del_table_->ApproximateMemoryUsage() +
                          arena_.MemoryAllocatedBytes();

  // if we can still allocate one more block without exceeding the
  // over-allocation ratio, then we should not flush.
  if (allocated_memory + kArenaBlockSize <
      moptions_.write_buffer_size +
      kArenaBlockSize * kAllowOverAllocationRatio) {
    return false;
  }

  // if user keeps adding entries that exceeds moptions.write_buffer_size,
  // we need to flush earlier even though we still have much available
  // memory left.
  if (allocated_memory > moptions_.write_buffer_size +
      kArenaBlockSize * kAllowOverAllocationRatio) {
    return true;
  }

 return arena_.AllocatedAndUnused() < kArenaBlockSize / 4;
}

而上一节举出的例子正好符合切换的条件,正如前面所说的,内存都分配好了,还没来得及使用就发生切换了,白忙活了一场。

这里的现象是虽然write_buffer_size是1G,但最后刷到level0的sst都远远小于1G。

那么如何避免这种情况呢

  • 减少内存分片数,不建议
  • 调小arena_block_size, 亲测可用

这里有一个原则是arena_block_size*内存分片数应该小于write_buffer_size

  • memtable 切换实现
  1. NewWritableFile //创建日志文件
  2. ConstructNewMemtable //创建memtable
  3. cfd->imm()->Add(cfd->mem(), &context->memtables_to_free_); //设置immutable
  4. cfd->SetMemtable(new_mem); //设置新的memtable

flush memtable

immutable memtable会不断flush到level0的SST文件中

触发flush的条件有

  • WAL日志满,WAL日志超过rocksdb_max_total_wal_size,会从所有的colomn family中找出含有最老日志(the earliest log containing a prepared section)的column family进行flush,详见HandleWALFull
  • Buffer满,全局的write buffer超过rocksdb_db_write_buffer_size时,会从所有的colomn family中找出最先创建的memtable的column family进行flush,详见HandleWriteBufferFull
  • 手动设置参数force_flush_memtable_now/rocksdb_force_flush_memtable_and_lzero_now时
  • CompactRange时
  • 创建checkpoint时
  • shutdown时avoid_flush_during_shutdown=0会flush所有memtable

other

rocksdb中设置max_background_flushes=-1可以禁止flush,而MyRocks中rocksdb_max_background_flushes最小值限制为0. 因此,MyRocks若要禁止flush需放开此限制。