揭秘Sharding-Proxy——面向DBA的数据库中间层(有彩蛋)
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了揭秘Sharding-Proxy——面向DBA的数据库中间层(有彩蛋)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
本文根据DBAplus社群第151期线上分享整理而成，文末还有好书送哦~
张永伦
京东金融运维部高级软件工程师
曾在传统行业工作多年，从事基础软件开发工作。后投身互联网，在京东金融开始了爬虫生涯，感叹互联网数据量之大，但心中仍对偏底层的软件感兴趣。今年有幸加入到Sharding-Sphere，能够做自己感兴趣的事情，希望以后多做些工作，提升自己，回报社会。
1、Sharding-Proxy简介
Sharding-Proxy概览
Sharding-Proxy架构
2、Sharding-Proxy功能细节
PreparedStatement功能实现
Hikari连接池配置优化
结果归并优化
Proxy的两种模式
3、小结
大家好，我今天想跟大家分享的是Sharding-Sphere的第二个产品Sharding-Proxy。
在上个月亮相的Sharding-Sphere 3.0.0.M1中首次发布了Sharding-Proxy，希望这次分享能够通过几个优化实践，帮助大家管中窥豹，从几个关键细节想象出Sharding-Proxy的全貌。至于更详细的mysql协议、IO模型、Netty等议题，以后有机会再和大家专题分享。
一、Sharding-Proxy简介
1Sharding-Proxy概览
Sharding-Proxy定位为透明化的数据库代理端，提供封装了数据库二进制协议的服务端版本，用于完成对异构语言的支持。目前先提供MySQL版本，它可以使用任何兼容MySQL协议的访问客户端操作数据（如：MySQLCommandClient、MySQLWorkbench等），对DBA更加友好。
对应用程序完全透明，可直接当做MySQL使用；
适用于任何兼容MySQL协议的客户端。
与其他两个产品（Sharding-JDBC、Sharding-Sidecar）的对比：
它们既可以独立使用，也可以相互配合，以不同的架构模型、不同的切入点，实现相同的功能目标。而其核心功能，如数据分片、读写分离、柔性事务等，都是同一套实现代码。
举个例子，对于仅使用Java为开发技术栈的场景，Sharding-JDBC对各种Java的ORM框架支持度非常高，开发人员可以非常便利地将数据分片能力引入到现有的系统中，并将其部署至线上环境运行，而DBA就可以通过部署一个Sharding-Proxy实例，对数据进行查询和管理。
2Sharding-Proxy架构
整个架构可以分为前端、后端和核心组件三部分来看：
前端（Frontend）负责与客户端进行网络通信，采用的是基于NIO的客户端/服务器框架，在Windows和Mac操作系统下采用NIO模型，Linux系统自动适配为Epoll模型，在通信的过程中完成对MySQL协议的编解码；
核心组件（Core-module）得到解码的MySQL命令后，开始调用Sharding-Core对SQL进行解析、改写、路由、归并等核心功能；
后端（Backend）与真实数据库的交互暂时借助基于BIO的Hikari连接池。BIO的方式在数据库集群规模很大，或者一主多从的情况下，性能会有所下降。所以未来我们还会提供NIO的方式连接真实数据库。
这种方式下Proxy的吞吐量将得到极大提高，能够有效应对大规模数据库集群。
二、Sharding-Proxy功能细节
1PreparedStatement功能实现
我在Sharding-Sphere的第一个任务就是实现Proxy的PreparedStatement功能。据说这是一个高大上的功能，能够预编译SQL提高查询速度和防止SQL注入攻击等。一次服务端预编译，多次查询，降低SQL编译开销，提升了效率，听起来没毛病。然而在做完之后却发现被坑了，SQL执行效率不但没有提高，甚至用肉眼都能看出来比原始的Statement还要慢。
先抛开Proxy不说，我们通过wireshark抓包看看运行PreparedStatement时MySQL协议是如何交互的。
示例代码如下：
代码很容易理解，使用PreparedStatement执行两次查询操作，每次都把参数user_id设置为10。分析抓到的包，JDBC和MySQL之间的协议消息交互如下：
JDBC向MySQL进行了两次查询（Query），MySQL返回给JDBC两次结果（Response），第一条消息不是我们期望的PreparedStatement，SELECT里面也没有问号，这就说明prepare没有生效，至少对MySQL服务来说没有生效。
对于这个问题，我想大家心里都有数，是因为JDBC的url没有设置参数useServerPrepStmts=true，这个参数的作用是让MySQL服务进行prepare。没有这个参数就是让JDBC进行prepare，MySQL完全感知不到，是没有什么意义的。接下来我们在url中加上这个参数：
交互过程变成了这样：
初看这是一个正确的流程，第1条消息是PreparedStatement，SELECT里也带问号了，通知MySQL对SQL进行预编译；第2条消息MySQL告诉JDBC准备成功；第3条消息JDBC把参数设置为10；第4条消息MySQL返回查询结果。然而到了第5条，JDBC怎么又发了一遍PreparedStatement？
预期应该是以后的每条查询都只是通过ExecuteStatement传参数的值，这样才能达到一次预编译多次运行的效果。
如果每次都“预编译”，那就相当于没有预编译，而且相对于普通查询，还多了两次消息传递的开销：Response（prepareok）和ExecuteStatement（parameter=10）。看来性能的问题就是出在这里了。
像这样使用PreparedStatement还不如不用，一定是哪里搞错了，于是我开始阅读JDBC源代码，终于发现了另一个需要设置的参数——cachePrepStmts。我们加上这个参数看看会不会发生奇迹：
果然得到了我们预期的消息流程，而且经过测试，速度也比普通查询快了：
从第5条消息开始，每次查询只传参数值就可以了，终于达到了一次编译多次运行的效果，MySQL的效率得到了提高。而且由于ExecuteStatement只传了参数的值，消息长度上比完整的SQL短了很多，网络IO的效率也得到了提升。
原来cachePrepStmts=true这个参数的意思是告诉JDBC缓存需要prepare的SQL，比如“SELECT*FROMt_orderWHEREuser_id=?”，运行过一次后，下次再运行就跳过PreparedStatement，直接用ExecuteStatement设置参数值。
明白原理后，就知道该怎么优化Proxy了。Proxy采用的是Hikari数据库连接池，在初始化的时候为其设置上面的两个参数：
config.addDataSourceProperty("useServerPrepStmts","true");
config.addDataSourceProperty("cachePrepStmts","true");
这样就保证了Proxy和MySQL服务之间的性能。那么Proxy和Client之间的性能如何保证呢？
Proxy在收到Client的PreparedStatement的时候，并不会把这条消息转发给MySQL，因为SQL里的分片键是问号，Proxy不知道该路由到哪个真实数据库。Proxy收到这条消息后只是缓存了SQL，存储在一个StatementId到SQL的Map里面，等收到ExecuteStatement的时候才真正请求数据库。
这个逻辑在优化前是没问题的，因为每一次查询都是一个新的PreparedStatement流程，ExecuteStatement会把参数类型和参数值告诉客户端。
加上两个参数后，消息内容发生了变化，ExecuteStatement在发送第二次的时候，消息体里只有参数值而没有参数类型，Proxy不知道类型就不能正确的取出值。所以Proxy需要做的优化就是在PreparedStatement开始的时候缓存参数类型。
完成以上优化后，Client-Proxy和Proxy-MySQL两侧的消息交互都变成了最后这张图的流程，从第9步开始高效查询。
2Hikari连接池配置优化
Proxy在初始化的时候，会为每一个真实数据库配置一个Hikari连接池。根据分片规则，SQL被路由到某些真实库，通过Hikari连接得到执行结果，最后Proxy对结果进行归并返回给客户端。那么，数据库连接池到底该设置多大？对于这个众说纷纭的话题，今天该有一个定论了。
你会惊喜的发现，这个问题不是设置“多大”，反而是应该设置“多小”！如果我说执行一个任务，串行比并行更快，是不是有点反直觉？
即使是单核CPU的计算机也能“同时”支持数百个线程。但我们都应该知道这只不过是操作系统用“时间片”玩的一个小花招。事实上，一个CPU核心同一时刻只能执行一个线程，然后操作系统切换上下文，CPU执行另一个线程，如此往复。
一个CPU进行计算的基本规律是，顺序执行任务A和任务B永远比通过时间片“同时”执行A和B要快。一旦线程的数量超过了CPU核心的数量，再增加线程数就只会更慢，而不是更快。一个对Oracle的测试验证了这个观点。
参考链接：http://www.dailymotion.com/video/x2s8uec
测试者把连接池的大小从2048逐渐降低到96，TPS从16163上升到20702，平响从110ms下降到3ms。
当然，也不是那么简单地让连接数等于CPU数就行了，还要考虑网络IO和磁盘IO的影响。当发生IO时，线程被阻塞，此时操作系统可以将那个空闲的CPU核心用于服务其他线程。所以，由于线程总是在I/O上阻塞，我们可以让线程（连接）数比CPU核心多一些，这样能够在同样的时间内完成更多的工作。到底应该多多少呢？PostgreSQL进行了一个benchmark测试：
TPS的增长速度从50个连接的时候开始变慢。根据这个结果，PostgreSQL给出了如下公式：
连接数=((核心数*2)+磁盘数)。即使是32核的机器，60多个连接也就够用了。所以，小伙伴们在配置Proxy数据源的时候，不要动不动就写上几百个连接，不仅浪费资源，还会拖慢速度。
3结果归并优化
目前Proxy访问真实数据库使用的是JDBC，很快Netty+MySQLProtocol异步访问方式也会上线，两者会并存，由用户选择用哪种方法访问。
在Proxy中使用JDBC的ResultSet会对内存造成非常大的压力。Proxy前端对应m个client，后端又对应n个真实数据库，后端把数据传递给前端client的过程中，数据都需要经过Proxy的内存。如果数据在Proxy内存中呆的时间长了，那么内存就可能被打满，造成服务不可用的后果。所以，ResultSet内存效率可以从两个方向优化，一个是减少数据在Proxy中的停留时间，另一个是限流。
我们先看看优化前Proxy的内存表现。使用5个客户端连接Proxy，每个客户端查询出15万条数据。结果如下图1：
（图1）
可以看到，Proxy的内存在一直增长，即时GC也回收不掉的。这是因为ResultSet会阻塞住next()，直到查询回来的所有数据都保存到内存中。这是ResultSet默认提取数据的方式，大量占用内存。
那么，有没有一种方式，让ResultSet收到一条数据就可以立即消费呢？在Connector/J文档中有这样一句话：
If you are working with ResultSets that have a large number of rows or large values and cannot allocate heap space in your JVM for the memory required , you can tell the driver to stream the results back one row at a time.
如果你使用ResultSet遇到查询结果太多，以致堆内存都装不下的情况，你可以指示驱动使用流式结果集，一次返回一条数据。
文档参考链接：
https://dev.mysql.com/doc/connector-j/5.1/en/connector-j-reference-implementation-notes.html
激活这个功能只需在创建Statement实例的时候设置一个参数：
这样就完成了。这样Proxy就可以在查询指令后立即通过next()消费数据了，数据也可以在下次GC的时候被清理掉。当然，Proxy在对结果做归并的时候，也需要优化成即时归并，而不再是把所有数据都取出来再进行归并，Sharding-Core提供即时归并的接口，这里就不详细介绍了。下面看看优化后的效果，如下图2：
（图2）
数据在内存中停留时间缩短，每次GC都回收掉了数据，内存效率大幅提升。看到这里，好像已经大功告成了，然而水还很深，请大家穿上潜水服继续跟我探索。图2是在最理想的情况产生的，即Client从Proxy消费数据的速度，大于等于Proxy从MySQL消费数据的速度。
如果Client由于某种原因消费变慢了，或者干脆不消费了，会发生什么呢？通过测试发现，内存使用量直线拉升，比图1更强劲，最后将内存耗尽，Proxy被KO。
下面我们就先搞清楚为什么会发生这种现象，然后介绍对ResultSet的第2个优化：限流。
下图加上了几个主要的缓存：
SO_RCVBUF/SO_SNDBUF是TCP缓存；
ChannelOutboundBuffer是Netty写缓存。
当Client阻塞的时候，它的SO_RCVBUF会被瞬间打满，然后通过滑动窗口机制通知Proxy不要再发送数据了，同时Proxy的SO_SNDBUF也会瞬间被Netty打满。
Proxy的SO_SNDBUF满了之后，Netty的ChannelOutboundBuffer就会像一个无底洞一样，吞掉所有MySQL发来的数据，因为在默认情况下ChannelOutboundBuffer是无界的。
由于有用户（Netty）在消费，所以Proxy的SO_RCVBUF一直有空间，导致MySQL会一直发送数据，而Netty则不停的把数据存到ChannelOutboundBuffer，直到内存耗尽。
搞清原理之后就知道，我们的目标就是当Client阻塞的时候，Proxy不再接收MySQL的数据。
Netty通过水位参数WRITE_BUFFER_WATER_MARK来控制写缓冲区：
当Buffer大小超过高水位线，我们就控制Netty不让再往里面写，当Buffer大小低于低水位线的时候，才允许写入；
当ChannelOutboundBuffer满时，Proxy的SO_RCVBUF被打满，通知MySQL停止发送数据。
所以，在这种情况下，Proxy所消耗的内存只是ChannelOutboundBuffer高水位线的大小。
4Proxy的两种模式
在即将发布的Sharding-Sphere3.0.0.M2版本中，Proxy会加入两种代理模式的配置：
MEMORY_STRICTLY：Proxy会保持一个数据库中所有被路由到的表的连接，这种方式的好处是利用流式ResultSet来节省内存。
CONNECTION_STRICTLY：代理在取出ResultSet中的所有数据后会释放连接，同时，内存的消耗将会增加。
简单可以理解为，如果你想消耗更小的内存，就用MEMORY_STRICTLY模式；如果你想消耗更少的连接，就用CONNECTION_STRICTLY模式。
MEMORY_STRICTLY的原理其实就是我们前面介绍的内容，优点已经说过了。它带来的一个副作用是，流式ResultSet需要保持对数据库的连接，必须与所有路由到的真实表成功建立连接后，才能够进行即时归并，进而返回结果给客户端。
假设数据库设置max_user_connections=80，而该库被路由到的表是100个，那么无论如何也不可能同时建立100个连接，也就无法归并返回结果。
CONNECTION_STRICTLY就是为了解决以上问题而存在的。不使用流式ResultSet，内存消耗增加。但该模式不需要保持与数据库的连接，每次取出ResultSet内的全量数据后即可释放连接。
还是刚才的例子max_user_connections=80，而该库被路由到的表是100个。Proxy会先建立80个连接查询数据，另外20个连接请求被缓存在连接池队列中，随着前面查询的完成，这20个请求会陆续成功连接数据库。
如果你对这个配置还感到迷惑，那么记住一句话，只有当max_user_connections小于该库可能被路由到的最大表数量时，才使用CONNECTION_STRICTLY。
三、小结
Sharding-Sphere自2016年开源以来不断精进和发展，被越来越多企业和个人所使用，同时也为我们提供了重要的成功案例。未来，我们将不断优化当前的特性，陆续推出大家关注的柔性事务、数据治理等更多新特性。如果大家有什么想法、意见和建议，也欢迎留言与我们交流，更欢迎加入到Sharding-Sphere的开源项目中：
https://github.com/sharding-sphere/sharding-sphere/
https://gitee.com/sharding-sphere/sharding-sphere/
Q1：Sidecar是干什么的？
A1：Sharding-Sidecar是Sharding-Sphere的第三个产品，目前仍在规划中。定位为Kubernetes或Mesos的云原生数据库代理，以DaemonSet的形式代理所有对数据库的访问。
Q2：“问如果你对这个配置还感到迷惑，那么记住一句话，只有当max_user_connections小于该库可能被路由到的最大表数量时，才使用CONNECTION_STRICTLY。”这句话是不是说反了？
A2：CONNECTION_STRICTLY就是为了省连接的。max_user_connections小，所以用CONNECTION_STRICTLY模式。
Q3：stmt.setFetchSize(custom_size)；设置的场景使用类似Mybatis之类的框架查询大量数据到内存，一般就是放到一个list中，然后处理。内存还是会占用。
A3：这种情况占的是客户端的内存，不会影响Proxy。
Q4：问出现查询大数据量到内存的场景，是不是只能使用原生JDBC，查一批处理一批，不放内存？
A4：Mybatis是在客户端控制的，不影响Proxy。
https://m.qlchat.com/topic/details?topicId=2000001395952730&minimal=1
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