向量化引擎怎么提升数据库性能

数据库向量化是一项工程性很大的挑战，但可为StarRocks等实时分析引擎提供数量级性能提升。

1、向量化引擎为什么可以提升性能

本文讨论的数据库都是基于CPU架构，数据库向量化一般指基于CPU的向量化，因此数据库性能优化的本之在于：基于CPU的程序如何进行性能优化。这引出2个关键问题：

1）如何衡量CPU性能

2）哪些因素影响CPU性能

第一个问题可以用以下公式总结：CPU Time = (instruction numbers) * CPI * (clock cycle time)。其中，instructions numbers指CPU产生的指令数；CPI（cycles per instruction）指执行一个指令需要的CPU周期；Clock cycle time是一个CPU周期需要的实际，和CPU硬件特性强相关。

在软件层密可以改变的有前两项。那么具体到一个CPU程序，有哪些因素影响指令数和CPI？

我们知道CPU的指令执行分为下面5步：

1）取指令

2）指令译码

3）执行指令

4）内存访问

5）结果写回寄存器

其中，CPU的frontend负责前两部分，backend负责后面三部分。Intel提出了《top-down microarchitecture analysis method》的CPU微架构性能分析方法，如下图：

为了便于大家理解，我们可以将上图简化为下图（不完全准确）：

即影响一个 CPU 程序的性能瓶颈主要有4大点：Retiring、Bad Speculation、Frontend Bound 和 Backend Bound，4个瓶颈点导致的主要原因（不完全准确）依次是：缺乏 SIMD 指令优化，分支预测错误，指令 Cache Miss， 数据 Cache Miss。

再对应到之前的 CPU 时间计算公式，我们就可以得出如下结论：

而数据库向量化对以上 4 点都会有提升。 主要原因如下，相比于传统的按行解释执行，向量化执行有以下优点：

1）Interpretation 执行的开销更低（批量执行的优点），更少的虚函数调用，更少的分支预测失败

2）对 SIMD 执行更加优化 （按列执行的优点）

3）对 CPU Cache 更加优化 （经常操作顺序的内存）

4）延迟物化：只需要在最后必要的时候将最终需要的列拼成行

2、向量化基本原理

这里关注SIMD数据库向量化。

SIMD顾名思义，就是单指令多数据，一条指令可以并行操作多个数据。而SISD（单指令单数据）体系架构则是一套指令仅操作单个数据点。

如上图，SISD架构，操作是标量的，一次进处理一个数据。4个加法会涉及8次load操作（每个变量1次），4个加法操作，4个存储操作。如果使用128位的SIMD，则仅需2次load、1次加法、一次存储。理论上可以达到4倍性能提升。现在CPU已支持512位SIMD寄存器，所以可以达到16倍性能提升，当然这仅是理论上的提升。

2.1 如何进行向量化编程

方法一：编译器自动向量化

不需要更改代码，编译器会自动将标量代码转成向量化代码。只有一些简单的场景才能自动转换。

方法二：编译器向量化提示

提供额外信息，编译器可以转换更多SIMD代码

方法三：并行编程API

OpenMP或者intel的TBB API可以帮助开发产生向量化代码。

方法四：使用SIMD库

这些库包装了启用SIMD指令的库

方法五：使用SIMD intrinsics

intrinsics是一组汇编码函数，允许使用C++函数调用和变量来代替汇编指令。

方法六：直接写入程序代码

考虑到上面的选项，我们希望尽可能多地调用编译器的自动生成矢量化。换言之，我们希望将重点放在方法1和方法2上。对于无法自动转换为矢量代码的性能关键操作，我们将使用SIMD内部函数。

2.2 校验程序产生了SIMD代码

有两种方法。

1）添加编译选项

有这些选项，若产生了向量化代码则会输出，若没有产生会提示原因。例如添加：-fopt-info-vec-all, -fopt-info-vec-optimized, -fopt-info-vec-missed, 和-fopt-info-vec-note

2）查看执行的程序集代码

可以使用perf或vtun或者https://gcc.godbolt.org/来检测。如果汇编代码中有xmm,ymm,zmm等或者以v开头的指令，那么就知道代码被向量化了。

3、数据库向量化

虽然StarRocks项目已经发展成为一个成熟、稳定、行业领先的MPP数据库（甚至从CelerData衍生出了一个企业版），但社区必须克服许多挑战才能实现这一目标。我们最大的突破之一，数据库矢量化，也是我们最大的挑战之一

3.1 挑战

1）端到端的列式数据

数据的存储、传输、处理都需要以列式格式，需要消除存储、网络、内存层的“格式不匹配”。需要重新设计存储引擎和查询引擎。

2）所有算子、表达式和函数都需要向量化

这是一项艰巨的任务，需要多人几年才能完成。

3）内存管理

需要重新设计内存管理，从而充分利用CPU的SIMD并行能力

4）新的数据结构

核心算子需要的数据结构，比如Join\agg\sort等都需要重新设计以支持向量化

5）算子和表达式需要尽可能使用SIMD指令。这需要逐行进行优化

6）系统优化

StarRocks目标是提升5倍性能，这就需要数据库中每个部件都进行充分优化。

3.2 向量化算子和表达式

算子向量化和表达式向量化是主要模块。如上图，可总结为按列批量计算。

Batch可以减少分支 misperdictions和instruction cache miss。按列计算可减少数据cache miss以及简化SIMD优化。实现batch计算相对容易，困难的是对关键操作比如join\agg\sort\shuffle等算子的列式处理。在进行列式处理的同时调用尽可能多的SIMD优化是一个更大的挑战。

3.3 如何用数据库向量化提高数据库性能

前面提到，数据库向量化是一个巨大的、系统的性能优化工程，两年来，我们实现了数百个大大小小的优化点。我将 StarRocks 向量化两年多的性能优化经验总结为 7 个方面 （注意，由于向量化执行是单线程执行策略，所以下面的性能优化经验不涉及并发相关）：

高性能第三方库：在一些局部或者细节的地方，已经存在大量性能出色的开源库，这时候，我们可能没必要从头实现一些算法或者数据结构，使用高性能第三方库可以加速我们整个项目的进度。在 StarRcoks 中，我们使用了 Parallel Hashmap、Fmt、SIMD Json 和 Hyper Scan 等优秀的第三方库。

数据结构和算法：高效的数据结构和算法可以直接在数量级上减少 CPU 指令数。在 StarRocks 2.0 中，我们引入了低基数全局字典，可以通过全局字典将字符串的相关操作转变成整型的相关操作。如下图所示，StarRcoks 将之前基于两个字符串的 Group By 变成了基于一个整型的 Group By，这样 Scan、Hash 计算、Equal、Memcpy 等操作都会有数倍的性能提升，整个查询最终会有 3 倍的性能提升。

自适应优化：很多时候，如果我们拥有更多的上下文或者更多的信息，我们就可以做出更多针对性的优化，但是这些上下文或者信息有时只能在查询执行时才可以获取，所以我们必须在查询执行时根据上下文信息动态调整执行策略，这就是所谓的自适应优化。下图展示了一个根据选择率动态选择 Join Runtime Filter 的例子，有 3 个关键点：

a. 如果一个 Filter 几乎不能过滤数据，我们就不选择；

b. 如果一个 Filter 几乎可以把数据过滤完，我们就只保留一个 Filter;

c. 最多只保留 3 个有用的 Filter

SIMD 优化：如下图所示，StarRcoks 在算子和表达式中大量使用了 SIMD 指令提升性能。

C++ Low Level 优化：即使是相同的数据结构、相同的算法，C++ 的不同实现，性能也可能相差好几倍，比如 Move 变成了 Copy，Vector 是否 Reserve，是否 Inline， 循环相关的各种优化，编译时计算等等。

内存管理优化：当 Batch Size 越大、并发越高，内存申请和释放越频繁，内存管理对性能的影响越大。我们实现了一个 Column Pool，用来复用 Column 的内存，显著优化了整体的查询性能。下图是一个 HLL 聚合函数内存优化的代码示意，通过将 HLL 的内存分配变成按 Block 分配，并实现复用，将 HLL 的聚合性能直接提升了 5 倍。

CPU Cache 优化：做性能优化的同学都应该对下图的数据了熟于心，清楚 CPU Cache Miss 对性能的影响是十分巨大的，尤其是我们启用了 SIMD 优化之后，程序的瓶颈就从 CPU Bound 变成了 Memory Bound。同时我们也应该清楚，随便程序的不断优化，程序的性能瓶颈会不断转移。L1 cache访问需要3个CPU周期，L2需要9个CPU周期，L3需要大约40个，主存则需要大约200个CPU周期。

下面的代码展示了我们利用 Prefetch 优化 Cache Miss 的示例，我们需要知道，Prefetch 应该是最后一项优化 CPU Cache 的尝试手段，因为 Prefetch 的时机和距离比较难把握，需要充分测试。

向量化执行相比按行执行的缺点如下：

1）更多的内存占用

2）内存更容易成为瓶颈，从而抵消向量化的好处

3）对 UDF 不友好

4、总结

查询编译和SIMD向量化并不互相排斥，可结合协作提升性能。

5、参考

https://www.infoworld.com/article/3678300/how-vectorization-improves-database-performance.html

https://perf.bcmeng.com/2%20database-principle/executor.html#%E7%AE%97%E5%AD%90%E5%92%8C%E8%A1%A8%E8%BE%BE%E5%BC%8F%E5%90%91%E9%87%8F%E5%8C%96%E7%9A%84%E5%85%B3%E9%94%AE%E7%82%B9