TiKV 源碼解析系列文章（十四）Coprocessor 概覽

做者： Shirly

本文將簡要介紹 TiKV Coprocessor 的基本原理，面向想要了解 TiKV 數據讀取執行過程的同窗，同時也面向想對該模塊貢獻代碼的同窗。閱讀本文前，建議讀者對 TiDB 總體架構有所瞭解，先閱讀三篇文章瞭解 TiDB 技術內幕：說存儲、說計算、談調度。

什麼是 Coprocessor

熟悉 TiDB 總體框架 的同窗可能記得，TiDB 是無狀態的，數據存儲在 TiKV 層。當 TiDB 在收到一個來自客戶端的查詢請求時，會向 TiKV 獲取具體的數據信息。那麼一個讀請求最樸素的處理過程以下：

首先須要確定的是這種方式當然能解決問題，可是性能如何呢？咱們來一塊兒分析一下：

1. TiKV 將全部數據返回，網絡開銷太大。
2. TiDB 須要計算全部數據，CPU 消耗很大，相對的，TiKV 卻並無什麼計算，很閒。

看到以上問題後，聰明如你，可能很容易就想到，能不能讓 TiKV 把本身負責的那部分數據作一次計算，再返回給 TiDB 呢？

有何不可呢？

TiKV 讀取數據並計算的模塊，咱們定義爲 Coprocessor，該概念靈感來自於 HBase，目前在 TiDB 中的實現相似於 HBase 中的 Coprocessor 的 Endpoint 部分，也可類比 MySQL 存儲過程。

有了 Coprocessor 後，從宏觀看一個讀請求是如何下發到 TiKV 的呢？如下面的請求爲例：

如圖，以上查詢語句在 TiDB 中處理以下：

1. TiDB 收到查詢語句，對語句進行分析，計算出物理執行計劃，組織稱 TiKV 的 Coprocessor 請求。
2. TiDB 將該 Coprocessor 請求根據數據的分佈，分發到全部相關的 TiKV 上。
3. TiKV 在收到該 Coprocessor 請求後，根據請求算子對數據進行過濾聚合，而後返回給 TiDB。
4. TiDB 在收到全部數據的返回結果後，進行二次聚合，並將最終結果計算出來，返回給客戶端。

主要功能及處理概覽

TiKV Coprocessor 處理的讀請求目前主要分類三種：

• DAG：執行物理算子，爲 SQL 計算出中間結果，從而減小 TiDB 的計算和網絡開銷。這個是絕大多數場景下 Coprocessor 執行的任務。
• Analyze：分析表數據，統計、採樣表數據信息，持久化後被 TiDB 的優化器採用。
• CheckSum：對錶數據進行校驗，用於導入數據後一致性校驗。

那麼 TiKV 在收到 Coprocessor 請求後，什麼時候區分這三種請求的呢？

請求到了 TiKV 層，處理過程以下：

• 由 gRPC server 接收並將請求分發給 Coprocessor Endpoint 進行處理。
• Endpoint 在收到請求後，根據請求的優先級，將請求分發給對應的線程池。
• 全部請求會先異步從存儲層獲取 snapshot，而後開始真正的處理階段。
• 根據請求的不一樣類型，構造不一樣的 Handler 進行數據的處理。

目前 Coprocessor 支持的三種接口中，後面兩種接口相對比較簡單，而 DAG 是裏面最複雜也是最經常使用的，因此本文後續將重點介紹 DAG 類請求。

DAG Request 概覽

DAG 顧名思義，是由一系列算子組成的有向無環圖，算子在代碼中稱爲 Executors。

目前 DAG 請求主要實現了兩種計算模型：

• 火山模型：每一個算子按行按需吐出，3.0 以後開始棄用。
• 向量化計算模型：每一個算子批量化處理數據，3.0 以後開始推廣。

在目前的 TiKV master 上，處於火山模型向向量化模型的過分階段，於是兩種計算模型同時存在。TiKV 收到請求時，會優先檢測是否可走向量化模型，若部分功能在向量化模型中沒有實現，則走舊的計算模型，具體處理邏輯流程以下：

相關代碼在：src/coprocessor/dag/mod.rs。

由於火山模型已在被棄用中，因此下文咱們只講向量化計算模型。

算子概覽

在向量化計算模型中，全部算子都實現了 BatchExecutor接口，其主要定義了一個 get_batch 的函數：

pub trait BatchExecutor: Send {
   fn next_batch(&mut self, scan_rows: usize) -> BatchExecuteResult;
}

pub struct BatchExecuteResult {
   pub physical_columns: LazyBatchColumnVec,
   pub logical_rows: Vec<usize>,
   pub is_drained: Result<bool, Error>,
   ...
}

參數說明：

• next_batch 中 scan_rows 由上層控制，因爲掃的數據過多會慢，所以該數字從 32 倍增到 1024。
• 返回值 BatchExecuteResult 中，因爲返回了一批空數據不表明全部數據都處理完畢了，例如可能只是全被過濾，於是使用單獨字段表示全部數據處理完畢。

目前 TiKV 支持的算子主要有如下幾類。

TableScan

• 定義：根據指定主鍵範圍掃表數據，並過濾出一部分列返回。它只會做爲最底層算子出現，從底層 KV 獲取數據。
• 源碼路徑：components/tidb_query/src/batch/executors/table_scan_executor.rs
• 案例：select col from t

IndexScan

• 定義：根據指定索引返回掃索引數據，並過濾出一部分索引列返回。它只會做爲最底層算子出現，從底層 KV 獲取數據。
• 源碼路徑：components/tidb_query/src/batch/executors/index_scan_executor.rs
• 案例：select index from t

Selection

• 定義：對底層算子的結果按照過濾條件進行過濾，其中這些條件由多個表達式組成。
• 源碼路徑：components/tidb_query/src/batch/executors/selection_executor.rs
• 案例：select col from t where a+b=10

Limit

• 定義：從底層算子吐出的數據中，限定返回若干行。
• 源碼路徑：components/tidb_query/src/batch/executors/limit_executor.rs
• 案例：select col from t limit 10

TopN

• 定義：按照給定表達式進行排序後，取出前若干行數據。
• 源碼路徑：components/tidb_query/src/batch/executors/top_n_executor.rs
• 案例：select col from t order by a+1 limit 10

Aggregation

• 定義：按照給定表達式進行分組、聚合。
• 源碼路徑：components/tidb_query/src/batch/executors/*_aggr_executor.rs
• 案例： select count(1) from t group by score + 1

混合使用各個算子

綜上，各個算子之間能夠按照如下方式任意組合，以下圖所示：

案例：select count(1) from t where age>10

小結

因爲篇幅緣由，本文只是講了一些 Coprocessor 的概要，讀者對此有個概念便可。後續咱們將推出該模塊相關的更多更深的源碼細節分析，歡迎你們繼續閱讀並給出建設性的改進意見。

原文閱讀：https://pingcap.com/blog-cn/tikv-source-code-reading-14/