sysbench在美团点评中的应用
原创 广友 [美团技术团队](javascript:void(0)
2017-07-14 18:19
如何快速入门数据库？以我个人经验来看，数据库功能和性能测试是一条不错的捷径。当然从公司层面，数据库测试还有更多实用的功能。这方面，美团点评使用的是知名工具sysbench，主要是用来解决以下几个问题：
- 统一测试方法，以便测试结果的可重复和可对比。
- 结合美团点评的业务特点和硬件特性，得到最优的参数配置。
- 扩展sysbench的测试能力，比如增加对JSON测试的支持。
数据库测试虽然入门简单，但是却能在测试中获得对数据库、操作系统等的感性认识，为日后深入的研究数据库和性能调优打下很好的基础。如果你不满足于仅仅使用测试工具，还想开发自己的测试工具，那么在本文的最后，还会从源码层面解读sysbench的高性能秘密。
测试可重复性
如果只是把测试工具运行起来，获得一个输出结果，那么测试就变成一个没有任何技术含量，也没有实际意义的事情。一个经得起推敲的测试，首先要保证测试结果的可重复性。测试结果的可重复性可能与系统的硬件、操作系统的版本、I/O调度算法、CPU调度算法、数据库版本、数据库的配置、测试工具、测试时间等息息相关。美团点评集团DBA有两位数以上，如果没有一个统一的测试平台，那么每个DBA的测试结果将难以比较，整个团队也无法有效协作。为了解决这个问题，我们做了几点的强制统一：测试工具及其参数的统一、MySQL配置的统一。
为何选用sysbench
当前可采用的测试工具有sysbench、TPCC-MySQL以及公司或者个人开发的压测工具。从功能上来讲，无论采用哪种方式都可以满足要求。美团点评采用sysbench有如下几点考虑：
- sysbench作为业界流行的测试工具，绝大多数DBA都熟悉它。
- MySQL几大主流厂商Oracle、Percona等在发布性能数据时，都采用sysbench作为测试工具。使用相同的测试工具，更便于复现测试结果。
- sysbench目前已支持MySQL 8.0的测试，因此从长远来看，该工具将会持续活跃。美团点评可以充分利用开源社区资源，降低测试工具的维护成本。
- sysbench内嵌了Lua脚本。在不需要修改核心的C语言代码的情况下，通过增添或者修改Lua脚本，即可扩展新的测试场景，大大提高了DBA人员对sysbench的掌控能力。
测试参数统一
sysbench提供了丰富的测试选项，包括测试表数量、单表数据量、测试预热时间等。我们根据美团点评的业务特征和使用sysbench的经验，为了避免新同学走不必要的弯路和降低测试的时间，将部分测试参数统一。另外在测试中，对MySQL核心参数做了强制统一。比如sync_binlog=1，innodb_flush_log_at_trx_commit=2，innodb_io_capacity=2000等。这里不一一赘述。
这里简要介绍sysbecnh测试过程中涉及到的几个重要参数：
sysbench助力参数优化
相对于业务更新速度，数据库的变化较为缓慢，然而影响MySQL数据库性能的因素却不断呈现出来。硬件方面，比如SATA、SSD、PCIe的出现，让数据库的IO能力相对于传统的机械硬盘有几百甚至上千倍的提升；CPU多核技术的发展，让单台服务器拥有上百个核；单GB内存的价格越来越低，服务器配置的内存也越来越大。软件方面，MySQL 5.7的出现，增强了多核处理能力，提高了从库的复制速度等。
如何将新硬件和新版本的性能发挥到极致，是每个DBA都会遇到的问题。美团点评DBA团队在前期理论调研后，会设计符合公司业务特征的场景进行严格的性能测试，确定最终的参数配置方案。下面以确定MySQL 5.7中多线程复制的slave_parallel_workers参数为例，来了解如何使用sysbench来优化参数配置。
为了测试从库的复制速度，我们使用sysbench的oltp_write_only.lua（包括增、删、改）在主库制造负载（TPS:33,336），观察从库的TPS，如下图所示。
从上图看出，工作线程在8时，从库的TPS达到最大。到这里为止，对于数据库新人来说，我们可以很自信的宣称自己学会了通过测试进行数据库调优。但是我们不能只满足于此，应该做更深入的探究。比如，多线程复制的原理是怎样的？如何进一步提升从库的TPS？建议有兴趣的读者可以继续调研binlog_group_commit_sync_delay和binlog_group_commit_sync_no_delay_count参数。
sysbench可扩展性
测试场景可扩展
sysbench不仅具有丰富的功能，还具有优良的设计与实现。为了把测试场景完全交给客户定制，所有的测试用例，均使用Lua编写；如果需要支持新的数据库，只要实现sysbench提供的10来个接口即可；而其他通用功能，均由sysbench提供。架构图如下。
使用过sysbench或者其他同类型测试工具的都知道，数据库测试分为三个阶段，包括prepare阶段、warmup阶段、运行阶段。这三个过程的实现完全使用Lua来控制，因此很容易定制。sysbench提供的默认测试用例有只读测试、只写测试、读写混合等。这些测试用例也是用Lua实现的，通过修改这些测试用例，测试人员可以很快的掌握编写自己测试用例的技巧。
比如，日前在评估MySQL 5.7 JSON替代MongoDB的可行性。与业务人员交流过程中发现，业务中并没有使用MongoDB的一些复杂特性，比如内嵌JS代码、map/reduce等特性，但是其TPS较高，较为关注MySQL 5.7+JSON与MongoDB的性能比较。因此需要一款可以测试MySQL JSON性能的测试工具。在前一节的分析中，我们只需更改sysbench中几个Lua文件即可拥有这样的测试工具。
性能可伸缩
sysbench的高性能有两个方面，一方面是其采用多线程结构，同时模拟多个客户端去并发操作，这方面无需赘言；另一方面是其高效的性能收集，比如多个线程同时执行多个任务，那么性能信息的更新可能会存在热点等状况，本节来解密其高性能的数据收集技术。
性能数据收集
数据库的性能往往不能用简单的TPS或者QPS来反映，还需要知道压测过程中系统的运行是否平稳（响应时间和QPS等）。
如果仅给出系统的最大TPS，比如10000左右，可能掩盖了系统中的重要信息。比如上图中，系统的TPS随着时间，周期性的严重抖动，值得数据库和开发人员关注。通过打开sysbench的周期性报表，即可获得这样的统计信息。
引入热点的性能信息收集
在上图中，可以看到TPS和QPS的数值。在多线程编程环境中，想要获得一段时间内执行的事务数量或者SQL数量，可以通过引入一个原子变量，当执行完一个事务和SQL后，就自增一次。
如此一来，全局的事务计数器与SQL计数器就会成为多个线程竞争的热点，影响sysbench的扩展性甚至严重干扰测试结果，尤其是在目前的多核处理架构，如下图所示。
据某著名数据库专家的话，凡是有热点的地方，解决之道只需一个字：拆。比如大家耳熟能详的分库分表，将大表拆成小表，大库拆成小库；像在大内存的系统中，MySQL会自动创建多个buffer pool instance，就是为了避免多个线程同时去竞争一个互斥量。sysbench在解决这个问题时，也不能例外。它为每个工作线程都分配一个局部的计数器，增加计数时，只需更新线程内部的计数器；当需要获得全局计数时，把局部计数器的值汇总即可。这种办法获得的计数值精确度比上一种办法要低，但是其可以线性扩展，而且在性能数据收集这个角度其精确度已经足够了。具体代码在sb_counter.c中，有兴趣的可以下载代码阅读。
SQL响应时间分布
在评估数据库的响应时间时，我们经常会提到90线、95线和99线（分别代表90%，95%和99%的响应时间在某个值之下）。因为最大值和最小值往往受偶然因素的影响很大，而平均值往往会淹没更多的细节。一个SQL响应时间的分布可以让DBA更好的了解数据库的性能，因此优秀的测试工具必须支持这个功能。
在实际的编程中，我们往往会遇到一个矛盾的问题。数据库的响应时间往往差距很大，比如快的可能在0.01ms以下，而遇到数据库抖动或者复杂查询时，可能到秒级别，甚至几十秒都有可能。如果使用算术刻度，比如单位为0.01ms，那么就需要长度为千万级别的整型数组去表示，耗费大量内存。而且在响应时间为秒级别时，如此精确的计数也没有必要。我们需要的是随着响应时间越小，精度越高，响应时间越长，精度可以适当放低，而“对数刻度”正好具有这种特性。
对数刻度
sysbench正是使用该方法做时间统计。当sysbench得到一个响应时间时，通过k=floor((log(response_time) +6.908) * 55.35 + 0.5) ，获得刻度值k。当响应时间为response_time=0.001时，k为0；response_time=0.01时，k=128;当response_time=10时，k=509；当response_time=100时，k=1023。随着响应时间的增加，k的变化越缓慢。其中横轴为刻度k，纵轴为响应时间，单位为ms。
当测试完成时，需要将k转化为响应时间。算法为respone_time = exp((k/55.535)-6.908)。这样就可以使用较少的空间，完成较大时间跨度的记录，而且精度是动态变化的，响应时间越小，精度越高。
响应时间收集之热点
在官方给出的MySQL性能测试数据库中，我们可以看到在高端机型上QPS已经达到百万，即使在一般的企业级服务器，也能达到几十万的级别。在前面的介绍中知道，响应时间是记录在一个数组上的，如果响应时间比较稳定，假设有50%的响应时间是落在一个刻度上，那么该刻度对应的变量就会被每秒更新几十万次，形成一个更新热点。参考下图。
在前面性能信息收集上也遇到类似的热点问题，当然我们也可以给每个线程各配备一个response[1024]的数组来避免热点。sysbench采用了类似的方法，但是做了些改变。它也是采用多个response[1024]的数组，但是其数量被固定为128个。
响应时间收集之避免热点
结论
美团点评运用sysbench进行性能测试以调整MySQL配置参数，也扩展了sysbench的功能来做JSON测试。通过对其源码研究，我们了解了其良好的功能扩展性以及其性能扩展性。未来美团点评会在sysbench上做进一步的定制，比如将测试做成服务化，让开发和运维人员能够方便使用sysbench做数据库的容量测试，也可以让数据库爱好者更快上手数据库测试。
作者简介
广友，美团点评到店综合事业群资深MySQL DBA，2012年毕业于中国科学技术大学，2017年加入美团点评，长期致力于MySQL及周边工具的研究。
金龙，2014年加入新美大，主要从事相关的数据库运维、高可用和相关的运维平台建设。对运维高可用与架构相关感兴趣的同学可以关注个人微信公众号**“自己的设计师”**，定期推送运维相关原创内容。
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【思考题】
文中从最简单的性能测试开始，然后进一步探讨性能优化，到从脚本层面进行功能扩展，最后去分析其设计和实现的优秀之处。在整个过程中，我们需要广泛的掌握Linux下性能监测与调优工具，也需要深入分析一种数据库或者数据库测试工具的源码。大家在专精一门技术的同时，往往还有多种辅助技术。聊一聊你在工作过程中最得力的辅助技术，以及如何用它来解决技术问题。
文章转发自微信公众号美团技术团队