NVM原生数据库技术解读
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2021-10-26 13:23
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今天为大家带来“DB · 洞见”系列活动第一期的部分内容，由中国人民大学信息学院计算机科学与技术系主任柴云鹏教授解读NVM原生数据库技术，以下是分享实录：
NVM原生数据库概述
今天我分享的主题为“NVM原生数据库技术”，内容分三个部分，主要涉及到下面这五篇VLDB 2021的论文。首先我先来介绍下NVM原生数据库整体的情况。
1.1 NVM原生数据库发展状况现有的数据库系统可以分成OLTP数据库、OLAP数据库和HTAP数据库。
OLAP数据库传统上一直是以磁盘数据库为主，即使到现在很多地方都以SSD为主，但还是采用磁盘数据库技术。从早期的单机架构发展到分布式，从主从到现在的存算分离，磁盘数据库发展出了很多优秀数据库产品，是发展的最快的领域。另外一个分支则是比较高端的内存数据库或一体机，比较典型的就是HANA系统。磁盘数据库和内存数据库的产品区分很明确，定位的场景、价格、容量各方面差距都很大。
OLAP数据库方面也是类似的情况，因为大数据分析的量比较大，还是以磁盘数据库为主。少部分的内存或者GPU数据库速度比较快，但数据规模特别小，所以实际上使用范围也不是特别大。HTAP数据库也一样，传统上也是分磁盘和内存两种介质。
NVM即非易失内存是近年来新出现的介质。严格来说，NVM指的不是一种介质，而是一系列的介质，包括PCM相变存储器、STT-MRAM、ReRAM忆阻器等，这些介质之间也有很大的差别。NVM产品真正推出是在2019年，由英特尔公司研发，目前已经有了第二代产品。
NVM从性质上看介于磁盘和内存两者之间，性能明显优于外存，存储密度高于DRAM,成本也更低。此外，它还类似于DRAM，可以按位访问，最小的粒度一般还是256B。
NVM这种介质如果后续逐渐成熟，对整个数据库产品会有很大的意义。基于现在的内存数据库或者重新定制NVM原生的数据库，它可以达到内存数据库的性能，而且可以扩展内存空间，达到一个数量级左右，同时也可以帮助OLTP、OLAP、或者HTAP数据库降低成本，数据规模也可以上得去，做得更实用。
但它也带来了很多挑战。首先，因为NVM是一个全新的东西，它既像内存又像外存，可以当成内存去用，但现在不能直接的保持持久化，必须要加额外的汇编指令，如果把它当成外存又好像浪费了它的某些属性，这种情况下怎么去用它就是一个问题。其次，数据库传统当中各个核心模块的技术研究了几十年，如果应用到NVM上就有很多模块需要重新设计。最后，这些年新出的存储性硬件的特性都很强，但NVM介质还存在很多问题，要如何去适应硬件的特性也是个问题。
目前对于NVM的研究还处于模块化阶段，还不够完善，还没有真正比较大规模、比较实用的产品出现，当前的研究主要集中在以下几个方面：首先是最流行的NVM索引研究，在NVM设备出来之前就已经有人在研究了。索引里又可分为几种：第一种是比较快速的Hash索引，但是它不支持范围查询，所以数据库里一般还是有序索引比较多；第二种是基于B-Tree的索引；第三种是基于前缀树的索引；第四种是基于LSM Tree即日志结构合并树的索引，很多人认为从原理上讲它不是很适合NVM，但因为LSM Tree确实有自己的优势，比如说写操作比较好、访问连续、利于压缩，同时NVM的特性又没有想象中那么接近于内存，它的连续和随机写之间差别比较大，所以慢慢很多人也开始研究LSM Tree的NVM化，就是把SSD/NVM都加到这里面，做成一个更大容量但性能比SLM Tree引擎好很多的索引；最后一种是混合索引，即用DRAM加上NVM，它们之间的配合可能是多个索引，也可能是拼接索引，虽然这方面的研究不是特别主流，但因为DRAM性能远远好于NVM，因此混合还是有意义的。
其次是空间的分配，因为NVM和DRAM有很大差别，它多了一个空间分配。再者是日志和恢复，因为NVM本身是关于持久化的，所以NVM的按位访问，它的一种介质既可以持久化，又可以非持久化，这就会带来很大差别。最后是缓冲区。
1.2 NVM硬件特性：现在与未来这部分主要是借助VLDB的这篇论文来介绍现在的NVM产品，以及畅想未来的NVM产品的特性。首先我们先来了解下目前NVM的硬件特性，这些都是业界认可的。
下面我们就这篇论文来详细分析。该论文总结了NVM硬件的七个特征，并简单介绍了它的特征以及主要原因，还有适用哪几类NVM的类型。注：下图中的C1指的是比较早的NVM硬件，上面的介质还是DRAM，只是加了电池或电容。C2、C3是假想的，即假设某些产品用了一些cache和预取器，在这种情况下看各个特征是不是对每一类都适用。C4指的是英特尔已经推出的产品。
前两类都是读写不平衡，store指的是持久化的store，它的延迟和带宽都不匹配。首要的原因是介质的影响，我们现在用的3D XPoint或者PCM实际上就是读快写慢。此外，在延迟方面也和CPU的缓存有很大的关系。
在带宽方面，除了介质的原因外，控制器相关的征用对一些资源也有影响。在数据DRAM中，读的带宽能到76G/s，写的带宽能到42G/s，两者有一定差别，但不是很大。但到了NVM，读是30G/s，写大概是8G/s，差别就比较大。在读写差异这一点上，NVM比内存放大很多，是2.5倍和5.2倍的差别。
从访问粒度来看，从小到大，性能带宽应该是逐渐提高的，到256B之后基本逐渐比较稳定，但是到4K一般会有下滑，再后面就基本比较稳定。到4K比较差的原因是内部有interleave。一般情况下，一个CPU可以放6条NVM，它会做interleave即并行化，这个力度是4K。如果都是4K，很多访问可能就会在各个通道上负载不均衡，从而导致性能有一定下滑。 
第四类就是NUMA影响更大。下图的测试中，上面是内存的NUMA访问和普通访问之间的性能差异，下面则是NVM的NUMA访问和普通访问之间的性能差异。绿色表示差异不大，颜色越深越蓝说明差异越大。从图上看，NVM的NUMA访问明显更差。原因则和NVM之间的连接以及预取器有关。
第五类是有时store的带宽比持久化的p-spore还要小。
第六类是连续访问和随机访问比较快。
最后一类是NVM的并发度有较大的限制。内存能够支持的并发数量比较大，它的性能比较好。但是NVM就不同，读和写的并发度并不一致。
这篇文章也给了部分建议：避免持久化的写，适度的、按照硬件特征的并发，避免特别小的I/O，要限制NUMA访问，尽量避免随机I/O和避免transactions等。但是要在实际系统中去用好这些NVM的特性也并非容易。 
NVM原生数据库核心技术
2.1 NVM索引技术
索引方面的研究是最多的，最主流的是基于B+树、B树或前缀树这种树型结构的有序索引，这个对数据库来说可能更重要些。
NVM索引技术的研究前几年做得比较多，大体的研究思路是：树形结构里，最下面一层放到NVM里，前面的中间节点放在DRAM，这样可以减少一些NVM的写入，恢复的时候可以通过最下面一层再把上面一层恢复出来，利用这些减少写来提升性能。
这篇论文实际上是对NVM内存上的哈希索引做了一个比较全面的测评，他选了六种比较常见的、比较新的结构，分别是Level Hash、Clevel Hash、CCEH、Dash、PCLHT、SOFT六个索引。接下来我们先介绍下这六种技术。
首先，Level Hash和Clevel Hash实际上是一个系列工作，最大的特征是减少和解决哈希冲突。最上面这一层是正常的桶，每两个后面可以加一个bottom层的桶，这个的好处在于，一开始下面的桶是空的，一旦冲突了就可以利用下面的桶往里放。因为冲突的情况不是特别频繁，所以它的容量比上面正常TOP层的要少一半，关键是左右两个分支都可以共用这样的结构。这就从空间利用上和减小哈希冲突的开销上起到了trade off的作用。
Clevel Hash也是类似的，可能是更深层次和动态决定的多层结构。上面也用了哈希，有两个哈希尽可能的减少冲突，涉及了log-free这种slot级别的锁来优化它。
第三个CCEH是FAST19的研究，是Cache Line相关的可扩展的索引。传统上这种Extendible Hash 已经有比较多的研究，它的架构都是有目录，再连到下面的数据。但这种传统结构的指针比较多，而指针在NVM上并不是很友好。指针的更新是比较小粒度的随机写，可能数据量不大，但对NVM的开销比较大，所以传统结构不太适合NVM。因此它做了一个比较大的改进，改成了一个更简单的结构，就是三层的结构，directory、segment、bucket。下图中大的是segment，里面一行行的是一个个的bucket，每个Key里通过最前面的这部分来确定是哪个segment，通过后面来确定bucket。它解决哈希冲突的最原始版本就是，当冲突时把segment翻倍，再扩大一个segment，这样第二个冲突就可以写到后面新的segment里，这种叫Extendible，它可以很灵活地扩展哈希表的空间。但如果直接用也会产生问题，为了一个bucket冲突去扩展segment，那这个segment上下会有很多空置，平均算下来空间利用率很低。所以这里也做了一些改进，先去做探索，尽可能提高segment里的空间利用率，实在不行再去做扩展，也有一些lazy的策略减少开销。
第四个Dash是VLDB2020的研究，基本结构和CCEH相似，但它针对CCEH空间利用率较低的问题做了改进，主要是三个技术：第一个是Balanced insert，指每次插入的位置实际上有多个选择，这样就降低了冲突的概率；第二个是Displacement，指如果b和b+1这两个都满了，就可以调整，这样就减少一些冲突；第三个是Stash，指最后有两个隐藏的空间，如果这个segment实在是调不开，那就可以利用隐藏的空间存，这在一定程度上也可以减少segment再扩展的频率，每个segment可以相对压得更实一点，提高空间利用率，后面的实验结果也可以看出，它这方面比CCEH强。 
最后两个都是链式的哈希表。PCLHT是链式的并发哈希，它原来有DRAM的版本，后面做了NVM的改进，包括对cache的友好，原则性的访问等等。SOFT的特点是，有VM的部分，也有NVM的部分，它的数据在这两边都会存。
下图是这篇论文测评结果。从图中可以看出，左边是Uniform分布，左边是倾斜分布，中间这两个是读和写的情况。读的操作里，这几个索引都不错，但还是链式的PCLHT，它的性能是相对比较好，在这里面比较突出。写的方面是SOFT，CCEH比较好。写的性能影响到PM的写放大，每个索引和原始的写操作比起来，写放大都很多，写放大的多少直接影响到它的性能，包括resize，整体来看还是这个各种情况下相对比较好，像CCEH、Dash这些确实是优秀的。 
下图中这个值代表内存利用率。Dash也是基于CCEH做了空间的改进，确实是最优。中间这个图是它的PM写放大，最下面这个灰色的是它原始的写入，其他的都是放大出来的，所以可以很清楚地看到谁放大得比较多，像SOFT、CCEH这两个写放大比较少，所以它的性能确实是比较好。
在恢复时间上这几个都差不多，只有SOFT有点差，这方面是它典型的劣势，且SOFT没办法扩展，现在还不是特别实用，但其他几个索引还是不错的。
这篇文章也总结了以下经验，这些不一定局限在哈希，在更大的范围内都是有效的。 
2.2 NVM日志技术第二部分介绍日志技术。日志传统上采用的是WAL，它的好处有很多，首要的是可以更好地利用buffer。我们写入设备主要是连续写，性能还是不错的，但缺点是数据和日志要写两遍，这个会有一定的开销。
这方面之前比较经典的研究是VLDB 2016 的WBL，它和WAL是相反的两种很典型的技术。它最大的诉求是只写一遍。为了达到这个目标，它把日志缩得很小，只有一些元信息和时间信息，而数据不用放到日志里。数据再读完后直接写到下面持久化的设备里，上面是volatile，下面是durable，它实际上是写完buffer之后先写数据，但是是以MVCC的方式去写。当一个数要提交的时候，必须保证是写到数据表里，这时数据才能提交。这样的话，写放大明显减少了，带来更大的好处是，因为数据不在日志里，是在表里，不用扫数据，也不用去重构，所以它的回来时间可以忽略不计，速度达到上百倍的提升。
今天介绍的这两篇论文，实际上在事务、日志和恢复这方面都是沿着WBL的思路，但也会有一些新的东西。
陈世敏老师团队的这篇论文，主要针对的是：假设用NVM构建OLTP数据库，实际上会面临三个比较大的性能挑战。第一个是元数据要进行频繁的修改，尤其是在事务执行过程中为了进行闭环控制，需要有很多元数据的修改。传统上我们会把元数据持久化保存到持久化设备中，比如说NVM里，带来的小粒度随机写是很多的，这个是很大的性能开销。第二个是WAL的数据、日志写两遍的问题。第三个则是WAL的空间分配有其特殊的问题。
DRAM的空间分配之所以简单，是因为当DRAM真正宕机去恢复的时候，实际上系统是从空的开始，只需要从日志里构建内存的东西就行。但是在NVM里，它的数据是非易失的，所以当它重启后，里面的数据是直接去用的，而不是播放一遍日志去重建，所以这时每个分配出来的空间到底用没用，一定要把元数据弄清楚，不然就会出现空间的泄露或者是不一致。
接下来这篇论文总结了NVM数据库的四种架构：第一种是基于传统的内存数据库扩展，比如用部分NVM空间去扩展这些内存的空间，因为NVM可以当成易失的模式，还有一部分NVM当成非易失的模式，用来存日志，这是一个简单又典型的思路，也能基于现有的内存数据库的代码进行继承和修改。
但是它有两个缺点：第一个缺点是有三份重复写，除了传统WAL和checkpoint这两部分外，volatile的NVM也充当DRAM的角色，但是它的写实际上要比DRAM要慢，所以一个数据可能先要写到这边，然后再写到日志里，它的写放大会更严重。第二个缺点是数据规模在增大的时候，DRAM起的作用会越来越小，主要还是NVM来起作用，所以它的性能会随着使用下降，由NVM来去制约。
第二种是WBL，它基本上没什么日志，主要都是在数据里。第三种是WAL，每一个数据有两个指针，一个指向内存里的page cache，一个指向NVM当中的快照，cache有的就从这读，没有的从快照里读，从日志的角度看还是WAL，但它的性能相对是比较差的。
第四种是论文提出来的架构，和WBL架构有些接近。接下来我将介绍它的几个技术。第一个重要的技术是matcache in DRAM，就是要尽可能的把DRAM的性能用好。它存储的形式是：DRAM的索引不持久化，全在DRAM里，很多元数据也都在这里面，包括分配器的元数据，尽量把内存的空间用完，全都用做缓存，NVM里只存少量的元数据还有正常的表。前面说的tuple的元数据在控制过程中用到的元数据的修改，实际上都可以在内存里进行，这样性能就会好很多，可以减少很多NVM的写入。
第二个重要的技术是在每一条NVM的进入里都有一个LP bit，它可能是0或者1，其作用很重要。当一个事务在提交时有多条记录，但前面的每一条都是0，只有到最后一条时它的LP bit才是1。这样的好处是，当中间突然宕机的时候，如果发现这个事务号只有0没有1，说明这个事务没有完成，那这条数据就可以忽略不计了。但如果发现这条事务有1，那说明前面的都写完了，自然这个事务就是一个已经完成的事务，恢复时就可以把这个当成是一个提交的事务去做。通过这样的机制就做成了log-free的结构。
第三个重要的技术是空间管理。它分了两层，一个是配置级别的，按照固定大小来分。另一个则是按照Tuple来分，且Tuple实际上不需要在NVM里保存元数据，用DRAM就行，起来时都依靠恢复去做。 
实际上论文提出的Zen架构在本质上有点像交换。它在恢复时做的事情比较多，要扫描整个数据，并且扫一遍还不行，必须扫一遍多。但是WBL技术可以做到基本不用扫数据，它实际上也是一种交换。下图种绿色的是Zen，它的性能基本上都是最好的。 
下图是恢复性能的比较。可以看到第一个方案确实恢复比较差，因为它要去做日志读取，再去做redo，整个过程要80多秒，而后两个方案都是个位数级别。WBL按照它的原则是不需要扫描的，基本上是零点几秒，非常快就能恢复，但因为索引也是要恢复的，也要扫一遍数据，所以也需要几秒的时间。Zen因为它的恢复更复杂些，除了扫一遍数据确定哪些数据提交之后，有一些还要再扫一部分数据，所以它的性能稍慢一点。但这里有个小疑问，论文中的数据规模比较小，如果数据规模更大，把所有的开销都推到恢复，那恢复是否还能做到这样快，这个值得后续探讨。
第二篇论文也是关于日志方面的，但是并不是数据库层面，而是在LSM-tree层面做日志。实际上LSM-tree在写的时候也有一个日志，也有内存里的buffer。它为了提高性能尽可能地把数据先写到内存里，然后综合competition再去做持久化，再写到下面，但为了保证安全性必须先写日志，写日志的开销实际上就代表了整个性能的高低。这里把NVM加进去之后，它对整个LSM-tree做了较大的改动，最重要的是改成了lock-free结构，性能就很好。
大体的思路是，先把数据写到Chainlog里，在经过 LSM-tree多层次转移的时候，只从逻辑上去做，物理上数据只写一遍就可以了，后面不需要再去写。
这里和日志最相关的是下面的技术。LSM-tree上可能有很多transaction并行在提交，它关心的是提交的时候怎么持久化。以下图为例，这里有并行大量的持久化，为了让力度更大就会把它变成批次来写，但每一批怎么能做到lock-free呢？它计两个值，两个gidx，1就是1号版本，2是2号版本，3是3号版本。前面的值指的是之前已经提交的正确版本，后面就表示当前正在提交的版本。
在这个例子中，当前是1、2的状态，前两个批次已经都提交了，现在正在提交第3个批次，第3个批次第一个已经提交完了，第二、第三个还没提交完，但是后面这个节点就挂掉了，挂掉之后在恢复的时候，因为这个地方是持久化的，它知道正在做2的过程中出问题了，我们只要回到上一个2就行了，如果前面这失败了，再回滚到前面这个2就可以了，前面这个就不用管了，有一部分更新到3，最后也可以回滚到2，所以不会出问题，而且整个过程是必须要写日志的。
它的结构上也采用了半持久化，中间的索引部分是易失的，下面的部分是非易失的，这样来减少NVM的操作。
2.3 混合内存技术最后要分享的这篇论文，将介绍NVM的混合内存技术。
此前很多研究都假设NVM与内存比较接近，因此尽量要用NVM直接去写，不做写放大，避免重复的写，但实际上两者性能差别很大，因此还是要用好NVM。如何让DRAM和cache进行分工协作，就成为了一个很重要的问题，这篇论文就是按照这样的思路来开展研究的。
这篇论文发现NVM的连续写性能和DRAM相差不大，而随机写差别就比较大，因此建议NVM尽量不要随机写，要用连续写。
因此整个思路是：在DRAM里采用易失性索引，因为索引有很多小粒度的随机更新，放在NVM里效果肯定不太理想，所以索引干脆放弃，直接放在DRAM里；PMEM里主要是对数据进行持久化的写入，而且尽可能把它组织好之后再连续的写；然后把数据组织成4K对齐，横着最大的是Vblock，小的4K的是Vpage，这样除了数据规整以外还有利于并行度的控制；采用的结构是并行模型，尽可能均匀地分到各个DIMM上，Vblock直接对应下面不同的DIMM通道，因此每个用户写进去后，每个通道上拿到的并行都差不多，尽可能做到均衡，从并行的角度有一定的优化，里面也支持变长和定长的结构。 这里有一个值得学习的比较通用的小技巧，即如何让NVM的元数据持久化的开销尽可能小。要先写数据，再写元数据，且要保证元数据是8字节内的原子写，这样就不需要WAL。在下面这个例子中，先把数据写进去，写完之后，把beat从0改成1，这个小beat肯定是原子写的。如果前面这个过程挂掉了，这个数据因为beat没有set，我们就知道这个数据没写成功，甚至空间都没有分配出去，那就可以直接下次再用。如果已经写完了1，说明上面肯定是完成的。通过这个技巧可以减少很多开销。
总结与思考
在很长时间内，NVM介质还是明显弱于DRAM。目前只有英特尔公司在做NVM产品，其发展不会很快，迭代的周期也会很长，所以前面介绍的硬件特性可能会长期存在，这也给未来数据库的发展带来了更多的机会。
如果要和内存数据库、磁盘数据库做对比，实际上NVM数据库应该更接近于内存数据库。因此基于内存数据库去改造NVM数据库要更方便，当然也可以是原生的重新设计，这样效果可能会更好。
但NVM数据库和内存数据库虽然接近，实际上两者还是有较大的差别。
一方面，内存数据库的空间是受限的，场景和成本都是它的问题，而NVM数据库在存储力度、成本上有较大的优势，将来可能会应用在很多场景里。另一方面，内存数据库的日志持久化部分也带来较大的性能开销，而NVM数据库在这方面还会有较多的提升空间，即使是从内存数据库优化的角度，也能让内存数据库的性能更好。
此外从系统设计的角度来看，NVM原生数据库的设计也和内存数据库有很大的区。 
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