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openGauss学习笔记-57 openGauss 高级特性-并行查询

openGauss的SMP并行技术是一种利用计算机多核CPU架构来实现多线程并行计算，以充分利用CPU资源来提高查询性能的技术。在复杂查询场景中，单个查询的执行较长，系统并发度低，通过SMP并行执行技术实现算子级的并行，能够有效减少查询执行时间，提升查询性能及资源利用率。SMP并行技术的整体实现思想是对于能够并行的查询算子，将数据分片，启动若干个工作线程分别计算，最后将结果汇总，返回前端。SMP并行执行增加数据交互算子（Stream），实现多个工作线程之间的数据交互，确保查询的正确性，完成整体的查询。

57.1 适用场景与限制

SMP特性通过算子并行来提升性能，同时会占用更多的系统资源，包括CPU、内存、I/O等等。本质上SMP是一种以资源换取时间的方式，在合适的场景以及资源充足的情况下，能够起到较好的性能提升效果；但是如果在不合适的场景下，或者资源不足的情况下，反而可能引起性能的劣化。SMP特性适用于分析类查询场景，这类场景的特点是单个查询时间较长，业务并发度低。通过SMP并行技术能够降低查询时延，提高系统吞吐性能。然而在事务类大并发业务场景下，由于单个查询本身的时延很短，使用多线程并行技术反而会增加查询时延，降低系统吞吐性能。

• 适用场景

  • 支持并行的算子：计划中存在以下算子支持并行。

    • Scan：支持行存普通表和行存分区表顺序扫描、列存普通表和列存分区表顺序扫描。
    • Join：HashJoin、NestLoop
    • Agg：HashAgg、SortAgg、PlainAgg、WindowAgg（只支持partition by，不支持order by）。
    • Stream：Local Redistribute、Local Broadcast
    • 其他：Result、Subqueryscan、Unique、Material、Setop、Append、VectoRow

  • SMP特有算子：为了实现并行，新增了并行线程间的数据交换Stream算子供SMP特性使用。这些新增的算子可以看做Stream算子的子类。

    • Local Gather：实现实例内部并行线程的数据汇总。
    • Local Redistribute：在实例内部各线程之间，按照分布键进行数据重分布。
    • Local Broadcast：将数据广播到实例内部的每个线程。
    • Local RoundRobin：在实例内部各线程之间实现数据轮询分发。

  • 示例说明，以TPCH Q1的并行计划为例。

    

    在这个计划中，实现了Scan以及HashAgg算子的并行，并新增了Local Gather数据交换算子。其中3号算子为Local Gather算子，上面标有的“dop: 1/4”表明该算子的发送端线程的并行度为4，而接受端线程的并行度为1，即下层的4号HashAggregate算子按照4并行度执行，而上层的1~2号算子按照串行执行，3号算子实现了实例内并行线程的数据汇总。

    通过计划Stream算子上表明的dop信息即可看出各个算子的并行情况。

• 非适用场景

  • 索引扫描不支持并行执行。
  • MergeJoin不支持并行执行。
  • WindowAgg order by不支持并行执行。
  • cursor不支持并行执行。
  • 存储过程和函数内的查询不支持并行执行。
  • 不支持子查询subplan和initplan的并行，以及包含子查询的算子的并行。
  • 查询语句中带有median操作的查询不支持并行执行。
  • 带全局临时表的查询不支持并行执行。
  • 物化视图的更新不支持并行执行。

57.2 资源对SMP性能的影响

SMP架构是一种利用富余资源来换取时间的方案，计划并行之后必定会引起资源消耗的增加，包括CPU、内存、I/O等资源的消耗都会出现明显的增长，而且随着并行度的增大，资源消耗也随之增大。当上述资源成为瓶颈的情况下，SMP无法提升性能，反而可能导致数据库实例整体性能的劣化。下面对各种资源对SMP性能的影响情况分别进行说明。

• CPU资源

  在一般客户场景中，系统CPU利用率不高的情况下，利用SMP并行架构能够更充分地利用系统CPU资源，提升系统性能。但当数据库服务器的CPU核数较少，CPU利用率已经比较高的情况下，如果打开SMP并行，不仅性能提升不明显，反而可能因为多线程间的资源竞争而导致性能劣化。

• 内存资源

  查询并行后会导致内存使用量的增长，但每个算子使用内存上限仍受到work_mem等参数的限制。假设work_mem为4GB，并行度为2，那么每个并行线程所分到的内存上限为2GB。在work_mem较小或者系统内存不充裕的情况下，使用SMP并行后，可能出现数据下盘，导致查询性能劣化的问题。

• I/O资源

  要实现并行扫描必定会增加I/O的资源消耗，因此只有在I/O资源充足的情况下，并行扫描才能够提高扫描性能。

57.3 其他因素对SMP性能的影响

除了资源因素外，还有一些因素也会对SMP并行性能造成影响。例如分区表中分区数据不均，以及系统并发度等因素。

• 数据倾斜对SMP性能的影响

  当数据中存在严重数据倾斜时，并行效果较差。例如某表join列上某个值的数据量远大于其他值，开启并行后，根据join列的值对该表数据做hash重分布，使得某个并行线程的数据量远多于其他线程，造成长尾问题，导致并行后效果差。

• 系统并发度对SMP性能的影响

  SMP特性会增加资源的使用，而在高并发场景下资源剩余较少。所以，如果在高并发场景下，开启SMP并行，会导致各查询之间严重的资源竞争问题。一旦出现了资源竞争的现象，无论是CPU、I/O、内存，都会导致整体性能的下降。因此在高并发场景下，开启SMP往往不能达到性能提升的效果，甚至可能引起性能劣化。

57.4 配置步骤

1. 观察当前系统负载情况，如果系统资源充足（资源利用率小于50%），执行2；否则退出。

2. 设置query_dop=1（默认值），利用explain打出执行计划，观察计划是否符合适用场景与限制中的适用场景。如果符合，进入3。

3. 设置query_dop=value，不考虑资源情况和计划特征，强制选取dop为1或value。

4. 在符合条件的查询语句执行前设置合适的query_dop值，在语句执行结束后关闭query_dop。举例如下。

   openGauss=# SET query_dop = 4;
   openGauss=# SELECT COUNT(*) FROM t1 GROUP BY a;
   ......
   openGauss=# SET query_dop = 1;
   

   说明：

   • 资源许可的情况下，并行度越高，性能提升效果越好。
   • SMP并行度支持会话级设置，推荐客户在执行符合要求的查询前，打开smp，执行结束后，关闭smp。以免在业务峰值时，对业务造成冲击。

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