benchANT 性能榜单技术解读 Part 2：查询优化
就在上月，国际权威数据库性能测试榜单 benchANT 更新了 Time Series: Devops（时序数据库）场景排名，KaiwuDB 数据库在 xsmall 和 small 两类规格下的时序数据写入吞吐、查询吞吐、查询延迟、成本效益等多项指标刷新榜单原有数据纪录。
KaiwuDB 在 xsmall 和 small 两类规格下的时序数据写入吞吐数据
上一期，我们为大家详细介绍了 KaiwuDB 写入吞吐背后的 3 大核心技术。今天，我们想和大家分享 KaiwuDB 如何优化查询的独家秘籍
01 查询吞吐优化
✅ 秘籍1：连接层优化在现代数据库中，高并发的连接管理和 I/O 操作往往是性能瓶颈的关键。特别是在时序数据库场景中，经常会有多个客户端并发向数据库写入或查询数据，而时序数据库的部署环境资源通常又比较有限，需要应对有限 CPU 和内存资源情况下的并发连接问题。多数数据库使用基于线程的方式来处理客户端的请求，例如为每个连接请求开启一个独立的线程来处理。这种方式虽然直观，但并不适用于高并发场景，因为不仅线程需要占用一定的内存资源，而且操作系统在线程之间的切换也需要一定的开销，并不适用于低资源、高并发场景。
KaiwuDB 采用多线程 Reactor 模式的连接层优化解决这一问题，实现了高效的连接处理和负载均衡。如下图所示，KaiwuDB 使用一个 Connection Handler 线程处理数据库连接请求，通过多个 Query Handler 线程组成线程池进行查询执行（如数据写入和查询等）。
Reactor 模式是一种事件驱动的架构，它将服务端接收连接和事件处理分离，对于客户端的所有请求使用一个专门的线程去处理，这个线程监听是否有客户端的请求抵达，一旦收到客户端的请求，就将其分发给事件处理程序进行处理。基于多线程 Reactor 模式，KaiwuDB 将涉及到 I/O 操作等耗时的操作交由线程池中的 Query Handler 处理，帮助数据库性能得到了可观的提升。
以本次 benchANT Time Series: DevOps 的 xSmall 场景为例，数据库部署在 2 核 8GB 的硬件资源上，需要处理来自 50 个客户端连接的高并发写入和查询请求。KaiwuDB 的多线程 Reactor 在这种资源受限但负载并发度高的场景下，既充分发挥了 CPU 的性能，又避免了单线程 Reactor 在处理某个连接上的业务时，整个进程无法处理其他连接事件的弊端。
02查询延迟优化
✅ 秘籍2：查询执行流程优化
KaiwuDB 查询延迟的提升得益于查询执行流程的整体优化，首先 KaiwuDB 在合并扩展查询中进行了 Bind 和 Execute 操作，传统数据库执行用户查询有两种方式，简单查询（Simple Query）和扩展查询（Extended Query）。简单查询的输入为 SQL 原始语句，每次执行均须重新解析查询语句及构造执行计划，执行效率较低。 扩展查询则是把简单查询切分成 Parse，Bind，Execute 等几个步骤，从而复用执行计划，以获取更高的执行效率。
KaiwuDB 在支持两种 SQL 执行方式的同时，对扩展查询中的 Bind 和 Execute 操作进行了合并处理。这在很大程度上降低了查询执行的网络开销，从而获得了10%左右的查询性能提升。在性能分析时，我们发现原始的 PostgreSQL 协议在一次 SQL 查询执行过程中，需要调用多次的 socket flush 操作，这在查询执行频率较高时，会带来非常大的网络开销。
在 Reactor 连接层优化基础上，通过对 PostgreSQL 协议的优化，我们最大程度的减少了 socket flush 操作的调用次数，从而使查询性能有 8% 左右的提升。
✅ 秘籍3：聚合算子优化
聚合查询是时序数据库中常见的负载类型，特别是带有时间窗口聚合的查询，例如 benchANT Time Series: DevOps 中涉及到的“查询指定设备在指定一小时时间段内每分钟的 usage_user 的最大值”。对此类时间窗口内的聚合查询，如果在扫描数据的同时可以完成聚合操作，则可以在很大程度上提高查询的执行效率。KaiwuDB 通过对聚合算子优化，实现了将聚合算子下推到存储层，缩短了查询执行链路、降低了数据遍历代价和数据传输开销。
如下图所示，优化前，KaiwuDB 需要在读取数据的 tag 信息后，遍历 metrics 数据并且传输到聚合算子，再在聚合算子中进行聚合操作；而优化后，聚合算子直接下推到存储层，在扫描 metrics 数据的同时，完成时间戳改写、Groupby 判别以及聚合操作。通过聚合算子下推，KaiwuDB 的执行延时获得了 1.5 倍的加速比，大大提升了查询执行性能。
与此同时，针对时序数据的特点，KaiwuDB 进一步优化聚合算子的执行流程，实现了有序 Scan 算子，可以高效地读取时序数据，并生成有序结果集。在此基础上，实现了“数据扫描聚合融合算子”（AggTableScanOP），在扫描时序数据的同时完成数据聚合，使得时序数据的聚合性能提升了 40%~50%。
✅ 秘籍4：无锁时间字符串转换优化
KaiwuDB 使用 PG 编码协议，在将内部时间戳数据编码为 PG 编码时，需要将时序引擎中 timestamp 类型的转换为字符串返回，其中涉及到 gmtime_r(&sec, &ts) 函数（将 time_t 类型转换为带有年月日等信息的 std::tm 类型），但 gmtime_r 需要对操作系统的时区文件加锁（感兴趣可参考https://stackoverflow.com/questions/53889107/why-does-gmtime-r-call-tz-convert-which-grabs-a-global-lock），在高并发情况下，锁操作对查询性能产生较大影响。如下图所示，在优化前，使用 profiling 工具观测到的编码为 PG 编码的 CPU 开销约为17%，其中，gmtime_r 的锁操作占比较高。
对此，KaiwuDB 实现了无锁版本的时间字符串转换优化，不再通过访问操作系统的时区文件获取闰秒等信息，而是直接在优化后的函数内计算时间戳对应的年、月、日等信息，避免了高并发情况下访问操作系统时区文件锁机制带来的性能影响。在优化后，profiling 的结果显示编码过程的 CPU 开销占比大幅下降，由于gmtime_r 的锁操作造成的 CPU 开销被优化。
