千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化

千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化对「千万量级数据中查询 10W 量级的数据」的诉求,设计了不同的技术方案,包括多线程+CK翻页,Elasticsearch scroll scan深翻页,ES+Hbase,RediSearch。

参考资料

前言

在开发中遇到一个业务诉求,需要在千万量级的底池数据中筛选出不超过 10W 的数据,并根据配置的权重规则进行排序、打散(如同一个类目下的商品数据不能连续出现 3 次)。

下面对该业务诉求的实现,设计思路和方案优化进行介绍,对「千万量级数据中查询 10W 量级的数据」设计了如下方案

  1. 多线程 + CK 翻页方案
  2. ES scroll scan 深翻页方案
  3. ES + Hbase 组合方案
  4. RediSearch + RedisJSON 组合方案

初版设计方案

整体方案设计为

  1. 先根据配置的「筛选规则」,从底池表中筛选出「目标数据」
  2. 在根据配置的「排序规则」,对「目标数据」进行排序,得到「结果数据」

技术方案如下

  1. 每天运行导数任务,把现有的千万量级的底池数据(Hive 表)导入到 Clickhouse 中,后续使用 CK 表进行数据筛选。
  2. 将业务配置的筛选规则和排序规则,构建为一个「筛选 + 排序」对象 SelectionQueryCondition
  3. 从 CK 底池表取「目标数据」时,开启多线程,进行分页筛选,将获取到的「目标数据」存放到 result 列表中。
//分页大小 默认 5000
int pageSize = this.getPageSize();
//页码数
int pageCnt = totalNum / this.getPageSize() + 1;

List<Map<String, Object>> result = Lists.newArrayList();
List<Future<List<Map<String, Object>>>> futureList = new ArrayList<>(pageCnt);

//开启多线程调用
for (int i = 1; i <= pageCnt; i++) {
    //将业务配置的筛选规则和排序规则 构建为 SelectionQueryCondition 对象
    SelectionQueryCondition selectionQueryCondition = buildSelectionQueryCondition(selectionQueryRuleData);
    selectionQueryCondition.setPageSize(pageSize);
    selectionQueryCondition.setPage(i);
    futureList.add(selectionQueryEventPool.submit(new QuerySelectionDataThread(selectionQueryCondition)));
}


for (Future<List<Map<String, Object>>> future : futureList) {
    //RPC 调用
    List<Map<String, Object>> queryRes = future.get(20, TimeUnit.SECONDS);
    if (CollectionUtils.isNotEmpty(queryRes)) {
        // 将目标数据存放在 result 中
        result.addAll(queryRes);
    }
}
  1. 对目标数据 result 进行排序,得到最终的「结果数据」。

CK分页查询

在「初版设计方案」章节的第 3 步提到了「从 CK 底池表取目标数据时,开启多线程,进行分页筛选」。此处对 CK 分页查询进行介绍。

  1. 封装了 queryPoolSkuList 方法,负责从 CK 表中获得目标数据。该方法内部调用了 sqlSession.selectList 方法。
public List<Map<String, Object>> queryPoolSkuList( Map<String, Object> params ) {
    List<Map<String, Object>> resultMaps = new ArrayList<>();

    QueryCondition queryCondition = parseQueryCondition(params);
    List<Map<String, Object>> mapList = lianNuDao.queryPoolSkuList(getCkDt(),queryCondition);
    if (CollectionUtils.isNotEmpty(mapList)) {
        for (Map<String,Object> data : mapList) {
            resultMaps.add(camelKey(data));
        }
    }
    return resultMaps;
}
// lianNuDao.queryPoolSkuList

@Autowired
@Qualifier("ckSqlNewSession")
private SqlSession sqlSession;

public List<Map<String, Object>> queryPoolSkuList( String dt, QueryCondition queryCondition ) {
    queryCondition.setDt(dt);
    queryCondition.checkMultiQueryItems();
    return sqlSession.selectList("LianNu.queryPoolSkuList",queryCondition);
}
  1. sqlSession.selectList 方法中调用了和 CK 交互的 queryPoolSkuList 查询方法,部分代码如下。
<select id="queryPoolSkuList" parameterType="com.jd.bigai.domain.liannu.QueryCondition" resultType="java.util.Map">
    select sku_pool_id,i
    tem_sku_id,
    skuPoolName,
    price,
    ...
    ...
    businessType
    from liannu_sku_pool_indicator_all
    where
    dt=#{dt}
    and
    <foreach collection="queryItems" separator=" and " item="queryItem" open=" " close=" " >
        <choose>
            <when test="queryItem.type == 'equal'">
                ${queryItem.field} = #{queryItem.value}
            </when>
            ...
            ...
        </choose>
    </foreach>
    <if test="orderBy == null">
        group by sku_pool_id,item_sku_id
    </if>
    <if test="orderBy != null">
        group by sku_pool_id,item_sku_id,${orderBy} order by ${orderBy} ${orderAd}
    </if>
    <if test="limitEnd != 0">
        limit #{limitStart},#{limitEnd}
    </if>
</select>
  1. 可以看到,在 CK 分页查询时,是通过 limit #{limitStart},#{limitEnd} 实现的分页。

limit 分页方案,在「深翻页」时会存在性能问题。初版方案上线后,在 1000W 量级的底池数据中筛选 10W 的数据,最坏耗时会达到 10s~18s 左右。

使用ES Scroll Scan 优化深翻页

对于 CK 深翻页时候的性能问题,进行了优化,使用 Elasticsearch 的 scroll scan 翻页方案进行优化。

ES的翻页方案

关于「ES 翻页方案」,详情参考 ES翻页优化和性能优化 | 掘金

ES 翻页,有下面几种方案

  1. from + size 翻页
  2. scroll 翻页
  3. scroll scan 翻页
  4. search after 翻页
翻页方式 性能 优点 缺点 场景
from + size 灵活性好,实现简单 深度分页问题 数据量比较小,能容忍深度分页问题
scroll 解决了深度分页问题 需要维护一个 scrollId(快照版本),无法反应数据的实时性;可排序,但无法跳页查询 查询海量数据
scroll scan 基于 scroll 方案,进一步提升了海量数据查询的性能 无法排序,其余缺点同 scroll 查询海量数据
search after 性能最好,不存在深度分页问题,能够反映数据的实时变更 实现复杂,需要有一个全局唯一的字段。连续分页的实现会比较复杂,因为每一次查询都需要上次查询的结果 不适用于大幅度跳页查询,适用于海量数据的分页

对上述几种翻页方案,查询不同数目的数据,耗时数据如下表。

ES 翻页方式 1-10 49000-49010 99000-99010
from + size 8ms 30ms 117ms
scroll 7ms 66ms 36ms
search_after 5ms 8ms 7ms

耗时数据

此处,分别使用 Elasticsearch 的 scroll scan 翻页方案、初版中的 CK 翻页方案进行数据查询,对比其耗时数据。

千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化

千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化

如上测试数据,可以发现,以十万,百万,千万量级的底池为例

  1. 底池量级越大,查询相同的数据量,耗时越大
  2. 查询结果 3W 以下时,ES 性能优;查询结果 5W 以上时,CK 多线程性能优

ES+Hbase组合查询方案

在「使用 ES Scroll Scan 优化深翻页」中,使用 Elasticsearch 的 scroll scan 翻页方案对深翻页问题进行了优化,但在实现时为单线程调用,所以最终测试耗时数据并不是特别理想,和 CK 翻页方案性能差不多。

在调研阶段发现,从底池中取出 10W 的目标数据时,一个商品包含多个字段的信息(CK 表中一行记录有 150 个字段信息),如价格、会员价、学生价、库存、好评率等。对于一行记录,当减少获取字段的个数时,查询耗时会有明显下降。如对 sku1的商品,从之前获取价格、会员价、学生价、亲友价、库存等 100 个字段信息,缩减到只获取价格、库存这两个字段信息。

如下图所示,使用 ES 查询方案,对查询同样条数的场景(从千万级底池中筛选出 7W+ 条数据),获取的每条记录的字段个数从 32 缩减到 17,再缩减到 1个(其实是两个字段,一个是商品唯一标识 sku_id,另一个是 ES 对每条文档记录的 doc_id)时,查询的耗时会从 9.3s 下降到 4.2s,再下降到 2.4s。

千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化

从中可以得出如下结论

  1. 一次 ES 查询中,若查询字段和信息较多,fetch 阶段的耗时,远大于 query 阶段的耗时。
  2. 一次 ES 查询中,若查询字段和信息较多,通过减少不必要的查询字段,可以显著缩短查询耗时。

下面对结论中涉及的 queryfetch 查询阶段进行补充说明。

ES查询的两个阶段:query和fetch

详情参考 ES翻页优化和性能优化 | 掘金

在 ES 中,搜索一般包括两个阶段,queryfetch 阶段

  1. query 阶段
    • 根据查询条件,确定要取哪些文档(doc),筛选出文档 ID(doc_id
  2. fetch 阶段
    • 根据 query 阶段返回的文档 ID(doc_id),取出具体的文档(doc

ES的filesystem cache

  • ES 会将磁盘中的数据自动缓存到 filesystem cache,在内存中查找,提升了速度
  • filesystem cache 无法容纳索引数据文件,则会基于磁盘查找,此时查询速度会明显变慢
  • 若数量两过大,基于「ES 查询的的 query 和 fetch 两个阶段」,可使用 ES + HBase 架构,保证 ES 的数据量小于 filesystem cache,保证查询速度

组合使用Hbase

在上文调研的基础上,发现「减少不必要的查询展示字段」可以明显缩短查询耗时。沿着这个优化思路,参照参考链接 ref-1,设计了一种新的查询方案

  1. ES 仅用于条件筛选,ES 的查询结果仅包含记录的唯一标识 sku_id(其实还包含 ES 为每条文档记录的 doc_id
  2. Hbase 是列存储数据库,每列数据有一个 rowKey。利用 rowKey 筛选一条记录时,复杂度为 O(1)。(类似于从 HashMap 中根据 keyvalue
  3. 根据 ES 查询返回的唯一标识 sku_id,作为 Hbase 查询中的 rowKey,在 O(1) 复杂度下获取其他信息字段,如价格,库存等。

千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化

使用 ES + Hbase 组合查询方案,在线上进行了小规模的灰度测试。在 1000W 量级的底池数据中筛选 10W 的数据,对比 CK 翻页方案,最坏耗时从 10~18s 优化到了 3~6s 左右。

也应该看到,使用 ES + Hbase 组合查询方案,会增加系统复杂度,同时数据也需要同时存储到 ES 和 Hbase。

RediSearch+RedisJSON优化方案

RediSearch 是基于 Redis 构建的分布式全文搜索和聚合引擎,能以极快的速度在 Redis 数据集上执行复杂的搜索查询。RedisJSON 是一个 Redis 模块,在 Redis 中提供 JSON 支持。RedisJSON 可以和 RediSearch 无缝配合,实现索引和查询 JSON 文档。

根据一些参考资料,RediSearch + RedisJSON 可以实现极高的性能,可谓碾压其他 NoSQL 方案。在后续版本迭代中,可考虑使用该方案来进一步优化。

下面给出 RediSearch + RedisJSON 的部分性能数据。

RediSearch 性能数据

在同等服务器配置下索引了 560 万个文档 (5.3GB),RediSearch 构建索引的时间为 221 秒,而 Elasticsearch 为 349 秒。RediSearch 比 ES 快了 58%。

数据建立索引后,使用 32 个客户端对两个单词进行检索,RediSearch 的吞吐量达到 12.5K ops/sec,ES 的吞吐量为 3.1K ops/sec,RediSearch 比ES 要快 4 倍。同时,RediSearch 的延迟为 8ms,而 ES 为 10ms,RediSearch 延迟稍微低些。

对比 Redisearch Elasticsearch
搜索引擎 专用引擎 基于 Lucene 引擎
编程语言 C 语言 Java
存储方案 内存 磁盘
协议 Redis 序列化协议 HTTP
集群 企业版支持 支持
性能 简单查询高于 ES 复杂查询时高于 RediSearch

RedisJSON 性能数据

根据官网的性能测试报告,RedisJson + RedisSearch 可谓碾压其他 NoSQL

  • 对于隔离写入(isolated writes),RedisJSON 比 MongoDB 快 5.4 倍,比 ES 快 200 倍以上
  • 对于隔离读取(isolated reads),RedisJSON 比 MongoDB 快 12.7 倍,比 ES 快 500 倍以上

在混合工作负载场景中,实时更新不会影响 RedisJSON 的搜索和读取性能,而 ES 会受到影响。

  • RedisJSON 支持的操作数/秒比 MongoDB 高约 50 倍,比 ES 高 7 倍/秒。
  • RedisJSON 的延迟比 MongoDB 低约 90 倍,比 ES 低 23.7 倍。

此外,RedisJSON 的读取、写入和负载搜索延迟,在更高的百分位数中远比 ES 和 MongoDB 稳定。当增加写入比率时,RedisJSON 还能处理越来越高的整体吞吐量。而当写入比率增加时,ES 会降低它可以处理的整体吞吐量。

总结

本文从一个业务诉求触发,对「千万量级数据中查询 10W 量级的数据」介绍了不同的设计方案。对于「在 1000W 量级的底池数据中筛选 10W 的数据」的场景,不同方案的耗时如下

  1. 多线程 + CK 翻页方案,最坏耗时为 10s~18s
  2. 单线程 + ES scroll scan 深翻页方案,相比 CK 方案,并未见到明显优化
  3. ES + Hbase 组合方案,最坏耗时优化到了 3s~6s
  4. RediSearch + RedisJSON 组合方案,后续会实测该方案的耗时

今天的文章千万级数据查询中CK、ES、RediSearch方案的优化分享到此就结束了,感谢您的阅读。

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