PostgreSQL并行查询体验

IT那活儿发布于2023-01-11 13:20 / 1434人阅读

PostgreSQL并行查询体验

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背景介绍

数据库查询性能是评价数据库的核心指标，随着现代服务器的资源配置越来越强大，为充分发挥硬件性能提升数据库查询性能，可以通过把操作分解成多个并行执行来实现。

什么是并行查询？

并行查询可以利用多个CPU同时参与查询处理工作，充分发挥硬件性能，以提高运行速度。

如何使用并行查询？

在测试的版本（Version 12.1）中，数据库默认启用了2路并行。

此功能主要涉及以下几个参数和默认值：

max_worker_processes：数据库支持的最大后台进程数，默认值为8。

max_parallel_workers：数据库支持的最大并行查询数，实际分配的数量受上面的max_worker_processes参数限制，默认值为8。

max_parallel_workers_per_gather：目前可以启动的并行数，实际分配的数量受上面的max_parallel_workers参数限制，max_parallel_workers_per_gather默认值为2。

worker进程数量越多，查询性能越高吗？

不是，目前在笔者的测试场景中发现，worker进程可以设置的很高，但是数据库会根据实际需要分配worker，比如设置了max_parallel_workers_per_gather=16，但实际上执行计划中可能分配不到这么多的worker。性能不会随着并行度的提升而线性增加。建议设置的数值不超过服务器CPU数量。

如果服务器资源比较紧张，建议在个别重要查询的会话级别（如夜间批量同步任务）中多带带提高并发数。

怎么看到并行的任务？

在Linux中可以通过ps和top命令查看到相应的进程和相关连的worker进程：

系统中有以下进程，第1个是leader进程，2个worker进程：

postgres 3279 2158 2 01:59 ? 00:04:51 postgres: postgres music [local] SELECT

postgres 12501 2158 93 04:47 ? 00:00:02 postgres: parallel worker for PID 3279

postgres 12502 2158 93 04:47 ? 00:00:02 postgres: parallel worker for PID 3279

top中也可以抓的到进程的性能数据：

top - 04:51:16 up 6:24, 2 users, load average: 0.10, 0.06, 0.10

Tasks: 147 total, 4 running, 143 sleeping, 0 stopped, 0 zombie

%Cpu(s): 46.0 us, 6.5 sy, 0.0 ni, 47.4 id, 0.0 wa, 0.0 hi, 0.1 si, 0.0 st

KiB Mem : 14.0/3861364 [|||||||||||||| ]

KiB Swap: 20.1/2097148 [|||||||||||||||||||| ]

PID USER PR NI VIRT RES SHR S %CPU %MEM TIME+ COMMAND

3279 postgres 20 0 404368 144000 140976 R 71.4 3.7 5:00.69 postgres: postgres music [local] SELECT

12693 postgres 20 0 400824 6056 4608 R 71.4 0.2 0:02.15 postgres: parallel worker for PID 3279

12694 postgres 20 0 400824 6056 4608 R 70.8 0.2 0:02.13 postgres: parallel worker for PID 3279

下面用图来描述一下相关进程的关系，在多路并发的情况下，会根据并发数创建新的worker进程来分担并发任务：

能否看到更详细的执行情况？

能。在执行计划中可以看得到。

我们看一个实际的执行计划：

首先将并行度提升到6路：

music=# set max_parallel_workers_per_gather = 6;

SET

看一下实际的执行计划

music=# EXPLAIN (ANALYZE,VERBOSE) SELECT * FROM rock WHERE name = Bon_Jovi;

QUERY PLAN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Gather (cost=1000.00..471830.76 rows=1 width=25) (actual time=0.270..2811.900 rows=1 loops=1)

Output: id, name, create_time

Workers Planned: 6

Workers Launched: 6

-> Parallel Seq Scan on public.rock (cost=0.00..470830.66 rows=1 width=25) (actual time=2374.703..2775.358 rows=0 loops=7)

Output: id, name, create_time

Filter: ((rock.name)::text = Bon_Jovi::text)

Rows Removed by Filter: 7142857

Worker 0: actual time=2756.906..2756.906 rows=0 loops=1

Worker 1: actual time=2765.581..2765.581 rows=0 loops=1

Worker 2: actual time=2769.584..2769.584 rows=0 loops=1

Worker 3: actual time=2778.855..2778.855 rows=0 loops=1

Worker 4: actual time=2752.952..2752.952 rows=0 loops=1

Worker 5: actual time=2799.014..2799.014 rows=0 loops=1

Planning Time: 0.048 ms

Execution Time: 2811.918 ms

从下往上看，最下层的节点，显示了6个Worker的执行信息信息，包括启动时间、总时间等。他们都属于并行顺序查询节点（Parallel Seq Scan开头那一行）。再往上提示，一共规划了6个节点，实际分配了6个节点。第一行是Gather节点的成本和时间等信息，Gather节点汇总了各个节点读取的数据。

下面在开头的图里进一步详细描述一下该语句的执行详情：

设置了并行就会启动并行查询？

有时候会出现设置了并发但是不会真正启动并发进程的情况：

music=# EXPLAIN SELECT * FROM rock WHERE id = 1;

QUERY PLAN

---------------------------------------------------------------------------------------

Index Scan using idx_rock_id on rock (cost=0.56..8.58 rows=1 width=25)

Index Cond: (id = 1)

(2 rows)

music=# EXPLAIN (ANALYZE,VERBOSE) SELECT * FROM rock WHERE id = 1;

QUERY PLAN

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Index Scan using idx_rock_id on public.rock (cost=0.56..8.58 rows=1 width=25) (actual time=0.087..0.088 rows=1 loops=1)

Output: id, name, create_time

Index Cond: (rock.id = 1)

Planning Time: 0.079 ms

Execution Time: 0.111 ms

(5 rows)

采用了索引扫描，由于cost的值比较低，尽管有设置并发，但是cost未触发到并发所需的条件，所以说不会启用并发。也有可能因为评估不需要那么多的并发而启动一部分数量的worker（后文有演示）

触发并发的条件有以下两个，当以查询的代价触发到以下两个参数的值时，才会触发并行：

parallel_setup_cost = 1000

parallel_tuple_cost = 0.1

在本次查询中，索引扫描的cost值总体才到8.58，因此未触发并行机制。

同样，在bitmap等查询场景中，成本达不到cost值触发条件的话，均不会启动并发查询，如：

在笔者使用体验过程中，发现也有并发度按需分配的情况：

music=# set max_parallel_workers_per_gather = 6;

SET

music=# EXPLAIN ANALYSE SELECT * FROM rock WHERE id = 1 OR id = 2;

QUERY PLAN

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Bitmap Heap Scan on rock (cost=9.15..17.16 rows=2 width=25) (actual time=0.019..0.020 rows=2 loops=1)

Recheck Cond: ((id = 1) OR (id = 2))

Heap Blocks: exact=1

-> BitmapOr (cost=9.15..9.15 rows=2 width=0) (actual time=0.015..0.015 rows=0 loops=1)

-> Bitmap Index Scan on idx_rock_id (cost=0.00..4.57 rows=1 width=0) (actual time=0.013..0.013 rows=1 loops=1)

Index Cond: (id = 1)

-> Bitmap Index Scan on idx_rock_id (cost=0.00..4.57 rows=1 width=0) (actual time=0.002..0.002 rows=1 loops=1)

Index Cond: (id = 2)

Planning Time: 0.059 ms

Execution Time: 0.040 ms

(10 rows)

索引并行扫描的场景触发并行的情况可以看一下以下案例：

music=# EXPLAIN (ANALYZE,VERBOSE) SELECT count(*) FROM rock WHERE id < 10000000;

QUERY PLAN

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

--------------------------------------------------

Finalize Aggregate (cost=279145.34..279145.35 rows=1 width=8) (actual time=3482.259..3482.259 rows=1 loops=1)

Output: count(*)

-> Gather (cost=279144.71..279145.32 rows=6 width=8) (actual time=3453.374..3487.724 rows=7 loops=1)

Output: (PARTIAL count(*))

Workers Planned: 6

Workers Launched: 6

-> Partial Aggregate (cost=278144.71..278144.72 rows=1 width=8) (actual time=3436.943..3436.943 rows=1 loops=7)

Output: PARTIAL count(*)

Worker 0: actual time=3427.536..3427.536 rows=1 loops=1

Worker 1: actual time=3440.951..3440.951 rows=1 loops=1

Worker 2: actual time=3433.833..3433.833 rows=1 loops=1

Worker 3: actual time=3438.579..3438.579 rows=1 loops=1

Worker 4: actual time=3438.378..3438.379 rows=1 loops=1

Worker 5: actual time=3426.513..3426.513 rows=1 loops=1

-> Parallel Index Only Scan using idx_rock_id on public.rock (cost=0.56..273988.62 rows=1662437 width=0) (

actual time=2.701..3281.001 rows=1428571 loops=7)

Output: id

Index Cond: (rock.id < 10000000)

Heap Fetches: 9999999

Worker 0: actual time=0.605..3271.022 rows=1466562 loops=1

Worker 1: actual time=0.170..3286.350 rows=1449726 loops=1

Worker 2: actual time=0.424..3291.647 rows=1301496 loops=1

Worker 3: actual time=3.191..3258.715 rows=1658712 loops=1

Worker 4: actual time=12.856..3273.552 rows=1509750 loops=1

Worker 5: actual time=1.608..3284.193 rows=1294323 loops=1

Planning Time: 2.203 ms

Execution Time: 3488.023 ms

(26 rows)

从下往上看分别进行了：并行索引扫描---并行聚合---最终聚合

首先启动了6个worker进程进行了索引条件扫描，在数据库估算开销时认为每一个worker的扫描成本都高于1000，因此触发了并发。当每一个worker将数据扫描后，进行分别处理后，最终给gather汇总整合输出。

执行过程可参考下图：

设置了并行参数后，一定会启动并行吗？

然后对几类常见的查询场景进行了测试，除了在上面的顺序扫描、索引扫描之外，在聚合、bitmap、嵌套循环、merge join、hash join和索引创建场景，在数据量足够大的场景下，均可触发启动并行。

一定会启动设定的并行度吗？

不一定，其中在嵌套循环（Nest loop）场景中，发现尽管我们设置了6路并发，但是实际根据需要仅启动了5路，在实战中遇到此类情况，不要疑惑，也属正常，勤俭节约是美德：

music=# show max_parallel_workers_per_gather;

max_parallel_workers_per_gather

---------------------------------

(1 row)

music=# EXPLAIN (ANALYZE,VERBOSE) SELECT pop.name FROM rock,pop WHERE rock.id = pop.id AND pop.id < 10000;

QUERY PLAN

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-------------------

Gather (cost=1000.57..174222.54 rows=18002 width=13) (actual time=5.881..3276.311 rows=19998 loops=1)

Output: pop.name

Workers Planned: 5

Workers Launched: 5

-> Nested Loop (cost=0.56..171422.34 rows=3600 width=13) (actual time=3.189..3258.998 rows=3333 loops=6)

Output: pop.name

Worker 0: actual time=2.591..3259.895 rows=1850 loops=1

Worker 1: actual time=0.180..3251.631 rows=4081 loops=1

Worker 2: actual time=1.344..3261.433 rows=555 loops=1

Worker 3: actual time=8.603..3262.411 rows=3330 loops=1

Worker 4: actual time=0.821..3259.297 rows=4623 loops=1

-> Parallel Seq Scan on public.pop (cost=0.00..141721.20 rows=3600 width=17) (actual time=1.020..3223.285 rows=3333 loops

=6)

Output: pop.id, pop.name

Filter: (pop.id < 10000)

Rows Removed by Filter: 2663334

Worker 0: actual time=0.054..3237.921 rows=1850 loops=1

Worker 1: actual time=0.049..3215.862 rows=4081 loops=1

Worker 2: actual time=0.102..3236.592 rows=555 loops=1

Worker 3: actual time=0.296..3235.327 rows=3330 loops=1

Worker 4: actual time=0.055..3188.732 rows=4623 loops=1

-> Index Only Scan using idx_rock_id on public.rock (cost=0.56..8.24 rows=1 width=4) (actual time=0.008..0.010 r

ows=1 loops=19998)

Output: rock.id

Index Cond: (rock.id = pop.id)

Heap Fetches: 19998

Worker 0: actual time=0.011..0.011 rows=1 loops=1850

Worker 1: actual time=0.008..0.008 rows=1 loops=4081

Worker 2: actual time=0.044..0.044 rows=1 loops=555

Worker 3: actual time=0.007..0.007 rows=1 loops=3330

Worker 4: actual time=0.006..0.015 rows=1 loops=4623

Planning Time: 0.579 ms

Execution Time: 3277.727 ms

(31 rows)

以上语句在实际工作中一般需要添加以下索引，提高一下查询速度，当添加玩索引之后，发现查询的代价下降的很少，以至于不需要触发那么多并发进程了：

music=# CREATE INDEX idx_pop_id ON pop(id);

WARNING: concurrent insert in progress within table "b"

CREATE INDEX

music=# set max_parallel_workers_per_gather = 6;

SET

music=# EXPLAIN (ANALYZE,VERBOSE) SELECT pop.name FROM rock,pop WHERE rock.id = pop.id AND pop.id < 10000;

QUERY PLAN

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-------------------

Gather (cost=1388.64..108804.88 rows=20599 width=13) (actual time=1.316..35.770 rows=19998 loops=1)

Output: pop.name

Workers Planned: 3

Workers Launched: 3

-> Nested Loop (cost=388.64..105744.98 rows=6645 width=13) (actual time=0.341..27.475 rows=5000 loops=4)

Output: pop.name

Worker 0: actual time=0.095..26.337 rows=5365 loops=1

Worker 1: actual time=0.091..26.641 rows=5753 loops=1

Worker 2: actual time=0.101..28.578 rows=3145 loops=1

-> Parallel Bitmap Heap Scan on public.pop (cost=388.08..51229.82 rows=6645 width=17) (actual time=0.298..1.265 rows=5000 loops=4)

Output: pop.id, pop.name

Recheck Cond: (pop.id < 10000)

Heap Blocks: exact=31

Worker 0: actual time=0.044..1.111 rows=5365 loops=1

Worker 1: actual time=0.044..1.205 rows=5753 loops=1

Worker 2: actual time=0.049..0.681 rows=3145 loops=1

-> Bitmap Index Scan on idx_pop_id (cost=0.00..382.93 rows=20599 width=0) (actual time=1.012..1.012 rows=19998 loops=1)

Index Cond: (pop.id < 10000)

-> Index Only Scan using idx_rock_id on public.rock (cost=0.56..8.19 rows=1 width=4) (actual time=0.004..0.004 rows=1 loops=19998)

Output: rock.id

Index Cond: (rock.id = pop.id)

Heap Fetches: 19998

Worker 0: actual time=0.004..0.004 rows=1 loops=5365

Worker 1: actual time=0.003..0.004 rows=1 loops=5753

Worker 2: actual time=0.004..0.004 rows=1 loops=3145

Planning Time: 0.264 ms

Execution Time: 37.025 ms

(27 rows)

总结

1、并行查询在优化器评估执行计划的代价后，在设定的max_parallel_workers_per_gather参数值范围内按需启动（启动一部分或不启动）work并发进程进行查询。

2、并行查询对数据量大的查询效果明显。

3、并行创建索引的时候，除了设置max_parallel_workers_per_gather参数之外，还需要配置max_parallel_maintenance_workers参数来配合处理工作。

4、并行度不是越大越好，尽管可以强制设置并行，但是建议不要在生产环境中冒险。

5、可以在会话级别启动并行，主要用于数据量较大、并且及时性较强的任务中较好，如果第一次使用，需要密切关注服务器整体性能负载情况。

END

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