一文带你搞懂GaussDB数据库性能调优
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《【GaussTech技术专栏】GaussDB性能调优》
，作者：GaussDB 数据库。
数据库性能调优是一项复杂且系统性的工作，需要综合考虑多方面的因素。因此，调优人员应对系统软件架构、软硬件配置、数据库配置参数、并发控制、查询处理和数据库应用拥有广泛而深刻的理解。
本文旨在剖析GaussDB性能调优的总体思路，探讨系统整体性能问题，以及对锁阻塞问题进行分析和优化。
1. 性能调优思路
GaussDB总体性能调优的思路是：先进行性能瓶颈点分析，找到相应的瓶颈点之后，再针对性地进行优化，直到系统性能到达业务可接受的范围内。
调优思路，如图1所示：
图1 GaussDB总体性能调优思路
首先，应该确认应用压力是否传递到数据库，可以通过分析数据库节点的资源使用情况，如CPU、I/O、内存以及数据库线程池、活跃会话等信息来辅助判断。GaussDB数据库的管控平台提供了丰富的监控指标体系，便于性能分析人员查看数据库的实时或者历史资源使用情况。
登录管控平台后，进入监控巡检菜单，选择监控大盘，即可查看对应实例的CPU/内存使用率，如图2所示：
图2 对应实例的CPU/内存使用率
点击磁盘/存储菜单，可以查看磁盘I/O使用率，重点关注磁盘读写速率以及时延是否符合预期，如图3所示：
图3 磁盘读写速率以及时延情况
点击网络菜单，可以查看网络传输速率及网卡是否有丢包、错包等情况，如图4所示：
图4 网络传输速率及网卡发送速率
选择连接菜单，可以查看数据库的连接及会话状态，如图5所示：
图5 连接及会话状态
图5中，如果活跃会话的占比远低于应用的并发数，说明数据库中大量会话处于空闲状态。同时，如果CPU使用率也很低，那么，就可以判断压力没到达数据库，此时需要排查应用端是否存在瓶颈。
导致应用侧瓶颈的问题比较常见的原因有：
应用服务器资源瓶颈。比如，应用服务器的CPU满载，应用程序内存分配不足等；
应用到数据库网络问题。比如，网络时延高，带宽满，存在丢包现象等；
应用自身逻辑处理速度慢；
应用配置不优，比如连接池参数、内存相关配置等设置不当。
例如，某个客户通过 jmeter 做大并发压测，性能不及业务预期。经过分析，发现是 jmeter 工具分配的最大可用内存不足，导致压力没有到达数据库。通过修改如下配置，问题得到了解决。
编辑jmeter.sh文件：set HEAP=-Xms1g -Xmx4g
确认压力到达数据库后，再针对相应的瓶颈点进行分析优化。主要从以下两个方面进行：
1）排查数据库中是否存在性能不优的业务SQL语句，并对性能不优的SQL进行优化。通过如下语句，查看数据库中耗时高的TOP SQL语句，并对那些执行性能不符合预期的SQL语句逐一进行分析与调优。
select unique_sql_id,substr(query,1,50) as query ,n_calls,round(total_elapse_time/n_calls/1000,2) avg_time,round(total_elapse_time/1000,2) as total_time from dbe_perf.summary_statement t where n_calls>10 and avg_time>3 and user_name='root' order by total_time desc;如图6所示，n_calls 表示该SQL语句在数据库中的执行次数，avg_time 为该SQL 语句的平均执行时间，total_time 为该SQL语句的总耗时。对于平均执行时间超过阈值的SQL语句，重点进行分析与优化。
图6 SQL语句指标及对应数据展示
针对执行性能不优的SQL语句，通过unique_sql_id可以查看该SQL语句的执行详情，帮助分析SQL语句的性能瓶颈点。
select * from dbe_perf.statement where unique_sql_id=3508314654;如图7所示，该视图记录了SQL语句在数据库的详细执行情况，比如，总执行次数（n_calls）和总耗时（total_elapse_time），便于获取该SQL的总耗时以及平均耗时。
图7 SQL语句在数据库中的详细执行情况视图
行活动，
包括随机扫描、顺序扫描行数、返回的行数、插入/更新/删除的行数以及buffer命中的页面数等信息。此外，还记录了软解析（n_soft_parse）、硬解析（n_hard_parse）的次数，比如SQL大量硬解析导致的数据库CPU飚高，可以通过该指标进行分析定位。
时间模型
，包含db_time、cpu_time、execution_time、plan_time、data_io_time、net_send_info、net_recv_info、sort_time以及hash_time等指标，有助于判断SQL在数据库中的时间消耗在哪个阶段。例如，若某环境磁盘性能不佳，则data_io_time的耗时占比就会比较高。
如果需要进一步分析SQL本身的性能问题，比如执行计划是否最优、索引是否最优等性能问题，可以借助SQL的执行计划进行分析。
通过如下方式，可查看SQL的执行计划：
explain analyze SELECT c_id FROM bmsql_customer WHERE c_w_id = 1 AND c_d_id = 1 AND c_last = 'ABLEABLEABLE' ORDER BY c_first;结合SQL的执行计划，分析SQL性能的瓶颈点，再进行性能优化，如图8所示：
图8 SQL性能优化过程
2）从系统层面进行操作系统级和数据库系统级的调优，充分利用机器的CPU、内存、I/O和网络资源，避免资源冲突，从而提升整个系统查询的吞吐量。
2. 系统级性能问题分析
2.1 CPU使用率高
数据库的CPU使用率高，通常是由业务SQL语句引起的，我们可以通过如下方式，获取数据库中消耗CPU资源高的SQL语句，并对相应的业务SQL语句进行优化。
select unique_sql_id,substr(query,1,50) as query ,n_calls,round(total_elapse_time/n_calls/1000,2) avg_time,round(total_elapse_time/1000,2) as total_time,round(cpu_time/1000,2) as cup_time from dbe_perf.statement t where n_calls>10 and avg_time>3 and user_name='root' order by cpu_time desc limit 5;常见的导致CPU资源消耗高的原因有：
SQL语句大量使用了全表扫描，这可能是由索引缺失、索引失效、执行计划不优等因素所导致。
SQL语句大量进行硬解析，通常是因为应用逻辑未使用PBE（Prepare Bind Execute）。
SQL语句扫描了大量的元组，比如，分区表分区剪枝失效，扫描了全分区，表中存在大量的死元组，导致扫描了大量无用页面等。
如果CPU使用率高是由非业务SQL语句引起的，可以借助火焰图来进行分析定位。通过火焰图，可以直观地了解程序中哪些函数占用了大量的 CPU 时间或资源，并且可以追踪函数调用路径。
GaussDB在内核505版本中内置了火焰图工具，默认每5分钟会自动采集一次，保存在$GAUSSLOG/gs_flamegraph/{datanode}路径下，详细信息可参考GaussDB产品文档《内置perf工具》章节。
例如，某客户在压测过程中发现数据库服务器的CPU SYS占用率超过70%，通过抓取压测期间的火焰图进行分析，如图9所示，发现数据库加载时，区文件的线程占比超过40%。
图9 某客户压测期间的火焰图
经分析，原因是在高并发频繁建立连接时，数据库每次建连都需要读取时区文件以获取时区信息，而应用未使用长连接，导致CPU SYS使用率飙升。
2.2 内存不足
内存资源，也是影响数据库性能的关键因素之一。在分析内存问题之前，我们先了解一下GaussDB的内存管理机制。
如图10所示，GaussDB的内存管理采用动态内存与静态内存相结合的方式，由参数 max_process_memory 控制数据库可用的最大内存。其中，静态内存区域主要用作数据库的共享缓冲区，用于缓存数据页面，由shared_buffers参数控制。动态内存区域，则由数据库根据需要进行动态分配，主要包括元数据的缓存、执行计划的缓存、用户建连以及内部线程的内存消耗等。
图10 GaussDB的内存管理机制
内存导致的性能问题，通常分为以下几个方面：
1）共享缓存区不足，导致SQL的buffer命中率低。为了查看相应的性能指标，可以借助GaussDB的管控平台或者WDR报告。通常情况下，TP数据库的buffer命中率应该在99%以上。如果数据库的buffer命中率较低，建议排查数据库的shared_buffers参数设置是否合理（如图11所示）。
图11 数据库的buffer命中率
2）在GaussDB中，SQL的hash join或者sort算子存在数据落盘操作，work_mem参数控制可下盘算子可用的物理内存空间。如果work_mem所限定的物理内存不够，算子运算的数据将被写入临时表空间，会带来5-10倍的性能下降。为了优化性能，可以查看SQL的执行计划，如果算子存在落盘的情况（如图12所示），可适当调整work_mem参数值。
图12 算子落盘情况
3）数据库动态内存不足，导致业务执行报错（ERROR：memory is temporarily unavailable ）或者性能不足。当动态内存不足时，可以通过如下SQL语句找出内存消耗高的SQL语句，以便排查是否存在不优的SQL 语句。借助SQL的执行计划分析，可以检查是否有不合理的join顺序，或者是否存在非必要的排序操作，从而避免消耗大量内存。
select unique_sql_id,substr(query,1,50) as query ,n_calls,round(total_elapse_time/n_calls/1000,2) avg_time,round(total_elapse_time/1000,2) as total_time,hash_mem_used,sort_mem_used from dbe_perf.statement t where n_calls>10 and avg_time>3 and user_name='root' order by (hash_mem_used+sort_mem_used) desc;如果需要排查由非业务SQL语句导致的异常的内存消耗问题，比如内存堆积、内存泄露等，GaussDB提供了丰富的内存相关的监控视图，可以通过下面的视图（如图13所示），查看数据库节点的内存消耗情况。
图13 GaussDB内存相关的监控视图
基于上面的查询结果，如果dynamic_used_shrctx的占用率高，说明是全局共享动态内存的占用高。可以通过如下SQL语句，查看全局共享动态内存上下文的消耗情况。
select contextname, sum(totalsize)/1024/1024 totalsize, sum(freesize)/1024/1024 freesize, count(*) count from gs_shared_memory_detail group by contextname order by totalsize desc limit 10;如果max_dynamic_memory的占用率高，但是dynamic_used_shrctx的占用率低，那么说明是线程或者会话占用的内存多。可以通过如下SQL语句，查询数据库线程的内存上下文消耗情况。
select contextname, sum(totalsize)/1024/1024 totalsize, sum(freesize)/1024/1024 freesize, count(*) sum from gs_thread_memory_context group by contextname order by sum desc limit 10;查询结果如下图所示，可以看出，当前数据库中内存占用最高的为元数据的缓存(LocalSysCacheShareMemory)。结合图14中的查询结果，排查是否存在不合理的内存占用情况。
图14 数据库线程的内存上下文消耗情况
2.3 IO瓶颈
通过 iostat 命令，可以查看数据库节点 I/O 的繁忙度和吞吐量，分析是否存在由于 I/O 导致的性能瓶颈。如图15所示：
图15 数据库节点 I/O 的繁忙度和吞吐量
重点关注磁盘的读写吞吐量和读写时延。通常情况下，SSD盘的读写时延在2ms以下，单盘带宽在300MB以上。如果磁盘性能存在异常，优先排查硬件是否存在故障，如磁盘存在坏盘、慢盘、RAID卡故障或磁盘读写策略不正确等。如果磁盘硬件性能正常，而I/O 压力大，可以适当调整数据库I/O 相关的参数，以降低数据的I/O 消耗，从而优化数据库的整体性能。I/O 相关的关键参数链接如下：
后端写进程：
https://support.huaweicloud.com/distributed-devg-v2-gaussdb/gaussdb-12-1124.html
异步I/O：
https://support.huaweicloud.com/distributed-devg-v2-gaussdb/gaussdb-12-1125.html
2.4 网络异常
在传统集中式数据库环境下，应用服务器与数据库服务器通常部署在同一个机房内，从而确保应用与数据库间的网络开销较小。然而，在云+分布式数据库环境下，应用服务器到数据库服务器的网络链路较长，网络耗时对交易性能至关重要。在此情境下，我们不仅需要关注应用与数据库之间的网络状况（通常应该小于0.2ms），还需考虑数据库内部节点之间的网络情况，也会对性能产生较大的影响。
GaussDB要求AZ内网络时延小于0.2ms，AZ间的网络时延小于2ms，region间网络时延小于100ms。可以通过linux的ping命令，排查两个服务器之间的网络时延及丢包等情况，如图16所示：
图16 ping命令，排查两个服务器之间的网络时延及丢包等情况
通过 sar -n DEV 1 命令，查看网络的传输情况。
如图17所示，“rxkB/s”为每秒接收的千字节数，“txkB/s”为每秒发送的千字节数，主要关注每个网卡的传输量是否达到传输上限。
图17 sar -n DEV 1 命令，网络传输情况
3. 锁阻塞问题分析
数据库锁机制是一种用于管理并发访问的技术。它通过对数据库中的数据进行锁定，来确保在多个用户并发访问数据库时，数据的一致性和完整性。
在并发访问的场景下，经常会遇到因为锁冲突导致的性能问题。下面我们看一下在GaussDB中应该如何定位和分析锁冲突的问题。
如果应用正在运行，可以通过下面的SQL语句，查看当前数据库中正在执行的会话是否存在锁阻塞。
集中式场景：
SELECT a.pid as w_pid,a.query as w_query,a.state,d.query as locking_query,d.state as l_state,d.pid as l_pid,d.sessionid as l_sessionid
FROM pg_stat_activity AS a
JOIN pg_thread_wait_status b ON b.query_id = a.query_id
JOIN pg_thread_wait_status c
ON c.sessionid = b.block_sessionid and c.node_name=b.node_name
JOIN pg_stat_activity d
on d.sessionid=c.sessionid
;分布式场景：
SELECT a.pid as w_pid,a.query as w_query,a.state as w_state, a.datname, a.usename,d.query as lock_query,d.state as l_state,d.pid as l_pid,d.sessionid as l_sessionid
FROM pgxc_stat_activity AS a
JOIN pgxc_thread_wait_status b ON b.query_id = a.query_id
JOIN pgxc_thread_wait_status c ON c.sessionid = b.block_sessionid and c.node_name=b.node_name
JOIN pgxc_stat_activity d
on substring(d.global_sessionid,0,instr(d.global_sessionid,'#')) ilike substring(c.global_sessionid,0,instr(c.global_sessionid,'#'))
;查询结果如图18所示，可以获取当前库中存在锁阻塞的SQL语句，同时获取到阻塞它的会话ID、线程ID以及对应的查询。
图18 锁阻塞查询结果展示
要找到并结束阻塞当前查询的会话，可以使用以下语句。
SELECT PG_TERMINATE_BACKEND(pid);如果是历史的锁阻塞导致的性能问题，可以通过下面语句查询指定时间段内的数据库等待事件。如果发现有大量的acquire lock（包括transaction ID、relation、tuple）事件，表示该时间段内数据库存在锁阻塞问题。
select wait_status,event,count(*) from gs_asp where sample_time>='20241016 18:45:00' and sample_time <='20241016 19:00:00' group by 1,2 order by 3 desc;ASP（Active Session Profile，活跃会话概要信息），通过采样实例中活跃会话的状态信息，以低成本的方式复现过去一段时间内的系统活动，主要包含会话基本信息、会话事务、执行的语句，等待事件，会话状态（如active、idle等）、当前正阻塞在哪个事件上、正在等待哪个锁或被哪个会话阻塞。
如图19所示，该时间段数据库占比最高的两个等待事件，一个是等待dn_6004_6005_6006分片返回执行结果，这需要进一步排查该分片上性能瓶颈的原因；另外一个等待事件是acquire lock（relation），表示存在大量的表级锁等待。
图19 特定事件内数据库占比最高的两个等待事件
结合数据库的归一化视图，可以获取数据库中存在锁等待的SQL语句，如图20所示：
图20 获取数据库中存在锁等待的SQL语句
通过该语句的Unique_query_id，获得查询阻塞该语句的query_id。
execute direct on datanodes $$select t1.unique_query_id,t1.thread_id,t1.sessionid,t1.wait_status,t1.event,t1.state,t2.query_id as lock_query_id from gs_asp t1,gs_asp t2 where t1.block_sessionid=t2.sessionid and t1.unique_query_id=168353725$$;如图21所示，lock_query_id 为阻塞该SQL语句的query_id。
图21 获取阻塞锁等待SQL语句的query_id
利用上一步查询出来的query_id，并结合gs_asp视图，可以通过如下语句获取该SQL语句的详情。查询结果如图22所示，可以看到，阻塞该语句的也是同一张表的update语句，这表明是由于并发更新同一行数据所导致的锁冲突。
图22 锁等待的SQL语句查询结果
通常情况下，解决并发更新锁冲突问题的解决思路需要从业务角度出发，审视存在并发更新同一行的情况是否符合业务场景。如果业务中不存在这样的场景，那应该从业务逻辑或者业务数据上进行优化，以避免并发更新同一行的情况发生。
4. 总结
数据库性能调优涉及硬件、操作系统、数据库、应用等多个层面，因此，在性能调优过程中，需要综合考虑各方面因素的影响。本文介绍了在GaussDB中分析性能问题时常见的手段和思路，帮助大家熟悉GaussDB数据库性能诊断常用的工具及使用方法。
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