TiKV + SPDK，探索存储的性能极限
近日，由 TiDB 社区主办，专属于全球开发者与技术爱好者的顶级挑战赛事——TiDB Hackathon 2020 比赛圆满落幕。今年是 TiDB Hackathon 第四次举办，参赛队伍规模创历届之最，共有 45 支来自全球各地的队伍报名，首次实现全球联动。经过 2 天时间的极限挑战， 大赛涌现出不少令人激动的项目。
本篇文章的作者为 ?️?️队的杨可奥，他们团队在本次 Hackathon 比赛中尝试使用 SPDK 提供的工具让 TiKV 基于用户态存储运行，并获得了显著的性能提升。
现代软件的结构建立在一层一层抽象之上，在大部分时候，这样的“抽象”意味着对调度细节的隐藏和对性能的损耗。应用不制定查询计划，而将制定查询计划的任务交给数据库；数据库不直接写入磁盘，而由操作系统来决定写入的时机和量；操作系统也不会直接在磁片 / 颗粒上操作，而是批量发送指令再由磁盘的控制器来决定执行的方案。在大部分时候，这些调度交由知识更加丰富的一方来进行决策，所以表现地也还不错；而隐含于其中的性能损耗（比如使用系统调用时的额外开销）对性能不敏感的应用来说也无关紧要。
可惜的是，数据库恰巧是个反例 —— 在这篇文章中，将会讲述现代储存结构中一系列抽象的弊端，以及本次 Hackathon 期间 ?️?️队通过在 TiKV 中引入 SPDK 工具来克服这些问题的努力。
问题背景
对于数据库而言，直接可用的存储抽象是从文件系统开始的，通过创建文件、对文件进行写入和读取来间接地读写硬盘。从应用发起相关的系统调用开始，直到数据落在磁盘、颗粒上，大致需要以下几个步骤：
- 操作系统收到系统调用；
- 文件系统的抽象层（VFS），页缓存等机制在此时发挥作用；
- 文件系统的具体实现；
- 对块设备的读写，IO 调度器、设备映射（device mapper）等功能在此时发挥作用；
- 通过硬件驱动向存储设备发送指令；
- 硬件内部的控制器处理这些指令，在磁盘、颗粒上进行操作。
这样做直接带来了几个问题：
其一是系统调用具有不可忽视的开销。对于 IO 操作这类复杂的系统调用，除了需要由用户态切换入内核态之外，操作系统也需要进行进程状态的保存和恢复。在存储设备的性能大幅提升的今天，这二者的开销占据的比例也逐渐变得不可忽视。
其二是文件系统的实现对上层应用的影响巨大。因为不同的文件系统使用不同的数据结构来管理文件、适用于不同的应用场景：比如 XFS 在大量小文件时表现不佳。这种影响对于上层应用来说是不可控的。
其三是 Linux 作为一个通用操作系统，在页缓存算法的选取、对底层硬件的支持上都以“通用”为第一要求，这使得它的设计无法对某类专门应用（比如数据库）和某些特定硬件（比如 NVMe 磁盘）做出充分的优化。
其四是存在着重复日志的问题。抽象的每一层都试图通过日志保证自身的稳定性：NVMe 控制器有日志、文件系统也可能有日志、RocksDB 也有日志。在现在的情形下要保证整体的稳健是缺一不可的。但如果能全局考虑、整体分析，能否节省出一些呢？
面对这些问题，解决的方式是显而易见的 —— 将应用向下延伸，探得越深，需要自己做的事情就越多越复杂，而带来的性能上的收益就越大。
技术实现
在这次实践中，我们将 “下探” 到上述的步骤五 —— 即从 TiKV 直接向 NVMe 磁盘发送指令。正如前文所言，“下探” 到哪一步事实上是一个权衡。我们团队认为当前阶段 NVMe 磁盘逐渐普及开来，并且提供了特别多相较于传统技术的新特性（比如 4KB 原子写、极低延迟和超高并发队列），这使得针对 NVMe 设备进行设计变得更有必要。
幸运的是，这种想法和社区环境是相符的：Intel 已经提供了开源的存储工具包 SPDK，里面包含了 NVMe 的用户态驱动和对它的一些包装。所谓用户态驱动，便是通过 VFIO 等方式将硬件 IO 内存映射至用户态可访问的内存，从而达到由应用程序不经过操作系统直接访问硬件的目的，这一技术更广泛地应用在虚拟机程序上，让虚拟机能够直接访问硬件（比如访问显卡或网卡）达到“穿透”的目的。
在此之上，SPDK 还实现了一套名为 BlobFS 的“文件系统”，提供类似 POSIX 文件系统的函数接口。以下是使用 SPDK BlobFS 进行 IO 操作的大致步骤：
- 应用程序调用 blobfs_create, blobfs_read 等函数；
- 从文件系统操作映射到对存储设备的操作；
- 向 NVMe 设备发送指令（技术上讲，是向 NVMe 设备对应的内存区域中写入指令）。
相比起 Linux 功能全面、复杂的 IO 栈，使用 SPDK 之后的 IO 步骤显得简单不少。相比之下，使用 SPDK blobfs 能够带来以下显著优势：
- 函数调用的开销远小于系统调用。
- blobfs 利用了 NVMe 设备能够进行原子读写的特性，简化了文件系统元数据的管理。
- 拥有不同于通用 Page Cache 的缓存策略，对连续读写有较大优化。对于 Rocksdb 来说，这种缓存策略对 LSM 的 Compaction 优化较为明显。但同时也失去了对点查的额外缓存。
可以看出，这些优势与上文提到的四个问题对应，消除了系统调用的开销、使用了更适合数据库程序和 NVMe 磁盘的数据结构与缓存算法、简化了文件系统的日志。在将 SPDK blobfs 集成至 TiKV 中之后，应该能够获得较大的性能提升。
结果分析
期待着获得性能提升的尝试最终总要跑一跑 Benchmark 来看看它是否能达到预期。因为测试资源和时间有限，同时为了单纯地比较 IO 上的提升，我们选取了 ycsb workload-a 为基准进行了测试。最终结果超出了我的预期：
图中数据点的标签为客户端线程数，可以看出在容忍相同的延迟的前提下，基于 SPDK 的 TiKV 能够提供更高的 Ops 即更大的吞吐量。
可见的未来
单论该项目的未来发展，可能更多的取决于历史的发展 —— NVMe 磁盘是否已经足够普及？TiKV 是否到了一定要通过它来提升性能的地步？我个人是很看好的：NVMe 磁盘的应用无论在民用还是工业都是大势所趋；而 TiKV 作为一款优秀的数据库产品，更高的性能也是它一贯地追求。并且现在 TiDB 的云服务问世，提供云服务对用户来说能够显著降低 SPDK 的使用和配置门槛（是无感知的提升）。
而在方法论上，进行这一选题的方法也已经在业内开花结果多年：比如将“下探”的过程更进一步，在软件中完成 NVMe 控制器的工作，既是现在的 Open Channel SSD 技术，已经有论文研究了 LSM tree 中 sst 只读与 SSD 中块只读（复写需要先擦除）的这一共性，以减少意料之外的擦除带来的性能下降；也可以后退一步，向 Linux 块设备抽象上读写，比如 Ceph 的 BlueFS，相比于直接的文件系统读写将拥有更高的性能，而比起 SPDK 这样的方法能有更好的硬件兼容性和更低的风险。
这些技术都颇为有趣，也许在将来其中的一个或多个会出现在 TiKV 中，成为迈向更高存储性能的基石。
TiDB Hackathon 2020 项目分享
腾讯云开发者
