什麼是預讀和預擴充,如何使用 - PolarDB

本文介紹了堆表預讀、堆表預擴充以及索引建立預擴充的簡介、原理以及使用方法等。

前提條件

支援的PolarDB PostgreSQL版的版本如下：

PostgreSQL 14（核心小版本14.5.1.0及以上）
PostgreSQL 11（核心小版本1.1.1及以上）

說明

您可通過如下語句查看PolarDB PostgreSQL版的核心小版本的版本號碼：

PostgreSQL 14
```
select version();
```
PostgreSQL 11
```
show polar_version;
```

背景資訊

PolarDB PostgreSQL版底層使用PolarFS（以下簡稱為PFS）作為檔案系統。不同於 ext4 等單機檔案系統，PFS在頁擴充過程中，中繼資料更新開銷較大。且PFS的最小頁擴充粒度為4 MB。而PostgreSQL 8 KB的頁擴充粒度並不適合PFS，將會導致寫表或建立索引時效能下降。同時，PFS在讀取大塊頁面時I/O效率更高。

為了適配上述特徵，PolarDB PostgreSQL版設計了堆表預讀、堆表預擴充、索引建立預擴充的功能，使運行在PFS上的PolarDB PostgreSQL版能夠獲得更好的效能。

簡介

堆表預讀
在PostgreSQL讀取堆表的過程中，會以8 KB頁為單位通過檔案系統讀取頁面至記憶體緩衝池（Buffer Pool）中。PFS對於這種資料量較小的I/O操作並不是特別高效。因此，PolarDB PostgreSQL版為了適配PFS而設計了堆表批量預讀。
當讀取的頁數量大於1時，將會觸發批量預讀，一次I/O讀取128 KB資料至緩衝池中。預讀對順序掃描（Sequential Scan）、Vacuum兩種情境效能可以帶來一倍左右的提升，在索引建立情境下可以帶來18%的效能提升。
堆表預擴充
在PostgreSQL中，資料表空間的擴充過程中將會逐個申請並擴充8 KB的頁。即使是PostgreSQL支援的批量頁擴充，進行一次N頁擴充的流程中也包含了N次I/O操作。這種頁擴充不符合PFS最小頁擴充粒度為4 MB的特性。因此，PolarDB PostgreSQL版設計了堆表批量預擴充。
在擴充堆表的過程中，一次I/O擴充4 MB頁。在寫表頻繁的情境下（例如裝載資料），能夠帶來一倍的效能提升。
索引建立預擴充
索引建立預擴充與堆表預擴充的功能類似。索引建立預擴充特別針對PFS最佳化索引建立過程。在索引建立的頁擴充過程中，一次I/O擴充4 MB頁。這種設計可以在建立索引的過程中帶來30%的效能提升。
說明
當前索引建立預擴充只適配了B-Tree索引。其他索引類型暫不支援。

原理介紹

堆表預讀
堆表預讀的實現步驟主要分為以下四步：
1. 在Buffer Pool中申請N個Buffer。
2. 通過palloc在記憶體中申請一段大小為N*頁大小的空間，簡稱為p。
3. 通過PFS批量讀取堆表中N * 頁大小的資料拷貝至p中。
4. 將p中N個頁的內容逐個拷貝至從Buffer Pool申請的N個Buffer中。
後續的讀取操作會直接命中Buffer。資料流圖如下所示：
堆表預擴充
預擴充的實現步驟主要分為以下三步：
1. 從Buffer Pool中申請N個Buffer，不觸發檔案系統的頁擴充。
2. 通過PFS的檔案寫入介面進行批量頁擴充，並且寫入為全零頁。
3. 對申請出來的頁逐個進行頁初始化，標識頁的可用空間，結束預擴充。
索引建立預擴充
索引建立預擴充的實現步驟與預擴充類似，但沒有涉及Buffer的申請。步驟如下：
1. 寫索引頁時，通過PFS的檔案寫入介面進行批量頁擴充，並且寫入為全零頁。
2. 將Buffer Pool中已經構建好的索引頁寫入檔案系統中。

使用指南

堆表預讀
堆表預讀的參數名為polar_bulk_read_size，功能預設開啟，預設大小為128 KB。
說明
不建議使用者自行修改該參數，128 KB是貼合PFS的最優值，自行調整並不會帶來效能的提升。
- 關閉堆表預讀功能。
```
ALTER SYSTEM SET polar_bulk_read_size = 0;
SELECT pg_reload_conf();
```
- 開啟堆表預讀功能並設定預讀大小為128 KB。
```
ALTER SYSTEM SET polar_bulk_read_size = '128 KB';
SELECT pg_reload_conf();
```
堆表預擴充
堆表預擴充的參數名為polar_bulk_extend_size，功能預設開啟，預擴充的大小預設是4 MB。
說明
不建議使用者自行修改該參數值，4 MB是貼合PFS的最優值。
- 關閉堆表預擴充功能。
```
ALTER SYSTEM SET polar_bulk_extend_size = 0;
SELECT pg_reload_conf();
```
- 開啟堆表預擴充功能並設定預擴充大小為4 MB。
```
ALTER SYSTEM SET polar_bulk_extend_size = '4 MB';
SELECT pg_reload_conf();
```
索引建立預擴充
索引建立預擴充的參數名為polar_index_create_bulk_extend_size，功能預設開啟。索引建立預擴充的大小預設是4 MB。
說明
不建議使用者自行修改該參數值，4 MB是貼合PFS的最優值。
- 關閉索引建立預擴充功能。
```
ALTER SYSTEM SET polar_index_create_bulk_extend_size = 0;
SELECT pg_reload_conf();
```
- 開啟索引建立預擴充功能並設定預擴充大小為4 MB。
```
ALTER SYSTEM SET polar_index_create_bulk_extend_size = '4 MB';
SELECT pg_reload_conf();
```

效能對比

為了展示堆表預讀、堆表預擴充、索引建立預擴充的效能提升效果，在PostgreSQL 14版本的PolarDB PostgreSQL版叢集上進行了測試。

規格：8核32 GB記憶體。
測試情境：400 GB pgbench測試。

堆表預讀
- 400 GB表的Vacuum效能對比如下所示：
- 400 GB表的SeqScan效能對比如下所示：
結論：
- 堆表預讀在Vacuum和SeqScan情境下效能提升了1-2倍。
- 堆表預讀大小在超過預設值128 KB之後對效能提升沒有明顯協助。
堆表預擴充
400 GB表資料裝載效能對比如下所示：
結論：
- 堆表預擴充在資料裝載情境下帶來一倍的效能提升。
- 堆表預擴充大小在超過預設值4 MB後對效能沒有明顯協助。
索引建立預擴充
400 GB表建立索引效能對比如下所示：
結論：
- 索引建立預擴充在索引建立情境下能夠帶來30%的效能提升。
- 索引建立預擴充大小超過預設值4 MB對效能沒有明顯協助。