突破DBMS局限性，阿里借力Spark提升查询性能
我们知道SQL Server是一款技术上和商业上都很成功的产品，这一次微软选择拥抱Spark大数据生态，着实令人有些惊讶。国内的几款产品也丝毫不落后，阿里云的DRDS、腾讯云TDSQL也都各自推出了与Spark相融合的产品。
今天我们就来谈一谈，如何在数据库这个老生常谈的话题下，借力Spark给数据库带来新的价值。
一、传统数据库的不足
不用多说，MySQL是互联网企业中使用最广泛的数据库。但是MySQL专注于OLTP能力，对复杂的分析型查询并不在行。为什么这么说呢？
这是由MySQL的整个系统设计决定的，MySQL从最初就被设计为每个请求由单线程来处理。之所以这么设计，是因为OLTP查询大多很简单，SELECT多以点查居多，让一个线程来处理已经足够了。
在后来的改进中，MySQL增加了线程池、高低优先级等等，但是仍未改变其本质：一个线程对应一个查询请求。
对于这样的架构，即使增加机器配置，对提升OLAP查询性能也没什么显著帮助，因为无法利用多核并行的能力。
MySQL之上有很多支持水平拆分的分布式方案，能让数据均匀分摊到多个节点上，从而获得Scale Out的能力。以阿里云DRDS（分布式关系型数据库）为例，DRDS支持分布式事务、平滑扩容、读写分离、权限管理等特性，架构如下图所示：
通过合理选择Sharding方式，我们可以在这种架构上比较好地处理一些聚合Join等查询。但是，如果数据量较大，例如遇到难以索引的ad-hoc查询，这一架构同样力不从心。
二、解决OLAP难题
一般解决OLAP有两种思路。最常见的思路是，在业务库之外再拷贝一份数据，搭建数据仓库。大多数数仓都采用分布式MPP架构，MPP全称是Massively Parallel Processing，即大规模并行处理，顾名思义是用多节点并行计算的方式来加速复杂查询计算；另一方面，数仓大多使用share-nothing架构，数据被分片存储到各个节点上：
上面的思路有时也被称为ROLAP，与此相对的，另一种方案是跳出查询本身：MOLAP通过对数据进行预建模来加速查询。例如，我们通常选择时间维度、加上若干个业务维度，对它们的各种组合方式预先做好聚合。
下图就是一个例子：
从(year, item, city)三个维度枚举出8种组合方式，我们对这8种方式的聚合都进行预先计算，这有时也被形象地称为Data Cube。
如果用户查询与预建模匹配，只需要在之前聚合结果的基础上再做计算就行了，显然，查询代价大大减少。MOLAP的典型代表是Apache Kylin。
但很显然，MOLAP所能计算的查询严格受建模方式限制，这让它的门槛大大提高。所以综合来看，使用的不如ROLAP广泛。
三、Spark与Spark SQL
Spark是当下最流行的大数据框架，支持编程接口和声明式(SQL)接口，支持批处理任务和流计算任务。它使用Scala编写，支持Java、Scala、Python等语言的编程接口。
虽然我们常常把Spark归入Hadoop生态系统中，但事实上Spark并不依赖Hadoop，只是因为Spark本身不包含存储，通常和HDFS一起部署搭配使用。
Spark的设计比MapReduce更先进。为什么这么说？
我们回顾一下MapReduce模型：MapReduce处理复杂任务需要分成多个MR Stage，每个Stage都要写入中间结果到HDFS，之后再被下个Stage读出。之所以要持久化中间结果，目的是要达到Worker级的失败容忍，但是这个代价过于大了点。
Spark RDD模型中，则采用另一套失败容忍方案。
Spark假设所有计算都是确定性的，因而也就可以通过重算恢复丢失的分区，避免写HDFS、把数据尽量放在内存，性能得以大大提告。
RDD全称是“弹性分布式数据集”，“分布式”意为每个RDD都包含多个分区、分布在多个节点上；“弹性”意为每个分区都可以容易的被恢复——只要它的依赖方还在，就可以重算来恢复。
Spark的查询计划包中，像filter、map这些算子是可以在分区内部以pipeline的方式执行的；但另一些算子，例如Join，通常需要在Join之前对左右两边的数据都按Join Key做Shuffle，这就导致想要执行Join之前必须等待左右所有数据都完成才能继续。这个点被称为Pipeline-breaker。执行计划中，不可避免地会出现几个Pipeline-breaker，所以就也产生了多个Stage，这和MR有些相似。
查询执行的时候，我们沿着Stage的依赖关系从左往右计算即可，例如对于上图，先执行Stage 1、Stage 2（二者可以并行），再执行Stage 3。Stage内部则以pipeline方式执行。
Spark SQL则是在Spark RDD API上的二次封装，下图是一段Native API的例子：
此外也可以直接输入SQL，二者无非是是否经过Parser的区别。
四、为什么用Spark？
之前说到，MySQL那样的架构不足以满足我们对复杂查询的需求。本着透过现象看本质的精神，让我们重新审视一下各种DBMS以及大数据的执行方式，无非是以下几种：
● 单机执行： 以MySQL为代表，这显然不够；● 单机并行（SMP）： 以PostgreSQL为代表，不具备Scale Out能力，也可以排除；
● 分布式并行（MPP）： 以数据仓库和各种大数据框架为代表。
其中，MPP又可以根据能否做到Worker级的失败容忍，进一步细分成两种：分布式并行和批处理。这二者之间的性能差异已经很小了，更多的是看其他方面，例如：业务中是否需要做小时级的查询、生态是否完善等。
从上表可以看出，Spark SQL足以胜任我们的需求。之所以没有选择Hive等，还有其他一些技术性、非技术性的考虑，不一定是绝对的，在这里也就不引战了。
五、DRDS HTAP的实践
阿里云DRDS只读实例中引入了Fireworks引擎，它是我们基于Apache Spark定制的分布式MPP引擎。
从接口上看，计算方式是对用户透明的，执行引擎自动根据用户输入的SQL来决定是否要进行分布式执行，如果需要分布式执行，则将执行计划下发给Fireworks集群，只需等待计算完成即可。
DRDS HTAP并没有引入新的存储，而是利用了数据库本身的备库。不同于ETL等数据Pipeline，数据库主备之间的binlog同步速度非常快，通常在毫秒级别，足以满足绝大部分查询的实时性要求。从备库拉取数据，也是为了保障主库不会增加额外负担、对业务造成影响。
Q & A
Q：Optimizer这层如果收到复杂查询需要转到Spark计算的话是解析成Spark的logicplan吗？那如何跟Spark对接？
A：我们目前是直接使用的Spark SQL接口，因为不需要侵入到内部。这样可能造成的后果是Spark的优化器会再优化一次。不过我们的执行计划已经很具体了，通常Spark优化后依然和预期一样。
原文发布时间为：2018-11-5
本文作者：傅宇
