QCon 演讲速递:异步处理在分布式系统中的优化作用

阅读数:383 2015 年 4 月 23 日

本文根据阿里巴巴技术保障研究员赵海平在 2015 年 QCon 全球软件开发大会(北京站)主题演讲整理而成。

赵海平在 Facebook 工作 8 年期间,主要针对后端进行性能优化的工作,包括 PHP 的优化,memcache 的优化,等等后端组件。偶然有机会跟阿里的朋友沟通他们遇到的问题,聊得比较深入,就发现虽然阿里是用 Java 的,但在大的系统优化方面遇到的问题,跟 Facebook 是很类似的,因此回国加入阿里,希望帮助阿里把整个系统优化得更好。计划第一步是先做整体的 profiling 系统,以找到性能的局部优化点;之后再进行一些大的架构优化,以及深入到 JVM 层面的优化。

回国跟很多人沟通,感觉现在到了 2015 年,国内的朋友们基本上也都对分布式系统的架构相当了解了。今天的演讲就一个主题,就是分布式系统中异步处理的优化。

单机时代的数据请求

十五年前写软件是很简单的,一个 Client 对应一个 DB Server,或者多个 Client 对应一个 DB Server,每一个 Client 执行各自的服务。当时的讨论很多是说,这个东西要写在 Client 端还是写在 DB Server 端,流行的思路有两种:

  1. 把 DB Server 写得很复杂,比如 Oracle 数据库,而 Client 端则写得很简单,只有调用返回
  2. DB 很简单,只有简单的表,而 Client 写得复杂。很多创业公司会这样做,因为他们对 SQL 不是很熟悉,但是很熟悉 PHP。早期 Facebook 就是典型的代表

大数据时代的数据请求

单机时代随着两个趋势而逐渐成为历史。一个趋势是随着互联网的流行,越来越多的人开始上网使用 Web 服务,而且很多时候用户增长速度是非常快的,结果造成一台 DB Server 无法储存下所有用户的数据。第二个趋势是计算机能力越来越强,网络服务针对每一个用户要做的事情也变多了,比如 Facebook 不仅要保存一个用户的个人信息,还有他的关系链信息,他的使用习惯、点击习惯等,就造成一个用户的数据量也大大增加,仅仅访问一个 DB Server 就准备好一个页面变成了不可能的事情。

这就带来了一个问题:针对多个 DB Server 的程序应该怎么写?

针对这个问题也有两个思路:

  1. 串行同步。先 query DB1,返回 res1,再使用 res1 做另一个 DB 的 query,返回 res2。这是在第二个 Query 依赖第一个 Query 结果的情况
  2. 并行同步。针对 DB1 的 query 跟针对 DB2 的 query 同步进行。这是两个 Query 之间没有依赖关系的情况。Facebook 早期专门写了一个并行处理的函数,用法是 ExecParallelQuery(conn1,Query1,conn2,Query2)

这个时候的代码就比以前的代码更加复杂了,不过还是能实现需要实现的需求。但这时候带来了一个新的问题,就是等待。一个页面的加载可能需要调用不同的函数,而不同的函数可能是由不同的团队写的。比如获取朋友关系的函数 getFriends 把自己需要的数据用同步的方式获取了,但如果一个第三方开发者过来,则不仅要调用这个函数,还需要调用其他函数,这样其他函数的执行就需要等待前面这个 getFriends 函数返回了结果之后才能开始执行,就很慢了。

要如何做到并行处理在代码层面很直观,在机器上的执行效率又好呢?

异步的处理思路就是这么来的。

所谓异步就是,我这个函数知道这里需要访问哪几个 DB Server,但我先不着急去访问,而是先记录一下,等等看其他函数是不是也要访问这个 DB,如果有的话,待会儿再一起去访问。异步处理的指令比如说是 conn.asyncExec(Query) ,这个可以立刻返回一个 Future 对象,意思就是“待会儿再去执行”。如果每个函数都返回这种 Future 对象,那么就可以根据这些 Future 对象来判断哪些请求没有依赖可以并行处理,哪些请求有依赖需要串行处理了。如此,不同的团队写出来的函数就不用一个等一个,而是可以在更高层面上互相合作。

然而这又带来了一个问题,那就是异步处理的写法是具有传染性的。如果一个服务中有的函数写的异步,有的函数没写异步,就会造成有的函数返回了 Future Object,有的函数返回了数值,导致无法执行。要实现异步,需要关联的所有函数都用异步的写法返回 Future Object 才可以。

所以 Facebook 在转向异步处理的过程是非常痛苦的,一开始做了局部修改,再修改调用了局部修改过的函数的函数,所有调用的调用都要修改,最后全部改成了异步,只要有调用远程服务 IO 的操作都要改。每一个 DB Query 都拆分成两步,一个 set request,一个 receive response。这里的工作量很大,所以如果创业团队的话,最好是第一天就用正确的写法,就不会这么痛苦。

所有函数改写后,每一个函数执行都会返回 Future Object。那么异步处理的第一步,就是将这些 Future Object 形成一棵依赖树的结构,好像这样:

这里每个节点都是一个 Future 对象,每一个 Future 对象有两种状态,一个是等待执行,一个是完成执行。同级的节点是没有依赖关系的,可以并行执行;上下节点是有依赖关系的,需要串行执行,先执行下层再执行上层。

树结构形成后,从下到上执行,直到最上面的 top parent 节点被执行进入完成执行的状态,就是完成,比如一个页面加载完毕。

所以异步处理之后有一个很有意思的情况,那就是 PHP 这个语言已经跟以前不同了,不再是一上来就是执行,而是一上来先 lazy 一下,看清楚所有的 Query 之后再执行。

异步处理还需要解决的问题

到目前为止,这样做异步处理似乎已经是足够好的优化,但实际上还有问题。看看下面这个例子。

比如我们现在有两个查询需求。一个是查询你在淘宝上买过东西的朋友,另一个是查询你在淘宝上买过保时捷的朋友。常理来说,我们会先想到查询你在淘宝上的朋友,再进行另一个条件的查询,比如这样:

复制代码
IdList friends = waitFor(getFriends(myId));
yield return getTaoBaoBuyers(friends);

但是对于保时捷这个查询而言,这是不对的,因为淘宝上买保时捷的人是很少的,可能就一两个,而淘宝上的好友数可能有上百。因此保时捷的查询应该是这个次序比较优化:

复制代码
IdList buyers = waitFor(getPorscheBuyer());
yield return getFriends(buyers);

这个次序应该如何决定?实际上不应该在写程序的时候决定,因为写程序的时候是无法避免有先后顺序的——编辑器只能一行一行的写代码,但是机器执行却无需管这个。所以更好的方法应该是在执行代码之前再加入一个 phase。

其实传统数据库的 cardinality(基数)功能已经解决了这个问题。你在 DB query 里面使用 INNER JOIN 这个指令,其实 DB 已经能够预判哪一个表给出的 row 会比较少,从而以更优化的次序去执行。但现在我们用的编程语言,无论是 PHP,Java,Python 还是 C/C++,并没有考虑这个问题。有人会开很多线程来解决这个问题,但这不是最佳方案,因为在 Linux 系统里,你的线程数要是上了 200-300,就会有很大的 overhead。

代码执行的次序,这是一个。另外最近几年还有一个流行的优化思路,就是上 memcache。我们有时候会看到程序员把他自己的函数放进了 memcache,相当于是依赖树的中间的一个节点,我就问他为什么要把他这个 Class 放入 memcache,他可能会说,他觉得这个节点和这个节点的 child 被调用的次数多。我觉得这可能不是特别理想的。你今天觉得这个 Class 被调用的多,可以放进 memcache,但明天是不是会有更重要的 Class 会更值得放进 memcache,于是你又要把 memcache 的资源让给这个新的 Class?如果你放入 memcache 的 Class 并不是最重要的,这就相当于真正优化的可能性被拿走了。

如何让异步执行的更好?

哪个 query 先执行,哪个 query 后执行,不应该是在编码阶段来做的。哪个 Class 该进 memcache,哪个 Class 该出 memcache,也不应该在编码阶段来做。应该有一个中间的阶段,专门进行这种调度工作,然而到目前为止,还没有公司能够做到,因为没有合适的语言。

异步处理在分布式系统中怎样做有更好的优化作用,我们需要更多的思考。希望大家能够把计算机当作科学去思考,而不仅仅是工程应用。我们现在看十几年前,对单机是非常了解了,那么未来过了五年十年再回来看,可能对分布式系统也会了解的比现在更多很多,可能给分布式系统写程序也会变得跟给单机写程序一样简单。当然这就需要更合适的工具语言去给大家提供这种异步的便利。是不是会有 Haskell 那样 lazy 的方式从系统层面解决这个问题?希望跟大家一起思考探讨。

讲师简介

赵海平,阿里巴巴技术保障研究员,从小酷爱编程,多次获得中学生计算机竞赛的各种奖项,1987 年以河北省高考状元的优异成绩进入北京大学生物系,又在美国纽约大学获得分子生物学硕士,其后放弃博士学位,进入普林斯顿获得计算机科学硕士,曾就职于微软公司。2007 年加入只有不到 50 个软件工程师的 Facebook,致力于软件性能和架构分析,在此期间创建了 HipHop 项目,重新编写和实现 PHP 语言,使其速度提高 5 到 6 倍,为公司节约数十亿美元。HipHop 项目之后,致力于“用异步处理来优化分布式系统”的设计理念中,并为此做了多项分布式数据库的优化研究,在 PHP 语言中加入了 yield 和 generator 的新功能,来帮助日趋复杂的 Facebook 网页设计。2015 年 3 月回国,加入阿里巴巴技术保障部,将重点攻克阿里在软件性能以及 Java 使用过程中遇到的技术问题。

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东风 2018 年 11 月 15 日 16:22 0 回复
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