国产开源数据库赛道又有了新玩家。近日，一体化实时 HTAP 开源数据库 StoneDB 宣布正式开源。以下内容源自 StoneDB 首席架构师、StoneDB PMC 李浩的演讲。
在 2014 年，Gartner 给出了 HTAP 的严格定义，其目的是为了打破事务型负载和分析型负载之间的壁垒，使系统能够支持更多的“数据”在两个系统之间流动，以及以这些数据为基础的 “实时业务”的决策。
回到 Gartern 所提出的问题的本源：我们来探讨一下 HTAP 此类架构的本源动力是什么？传统架构形式下，为了解决同时处理 TP 负载和 AP 负载的问题，通常采用一套 TP 系统加上一套 AP 系统的方式，TP 和 AP 之间通过 ETL 或是 binlog 等方式进行数据同步来满足业务对实时性的需求。该种方式下，我们认为存在以下几个问题：
（1）系统复杂，带来维护成本增加；
（2）涉及到众多技术栈，对技术人员要求较高；
（3）TP 数据通过 ETL 等方式同步到 AP 系统中，导致数据延时较大，数据的时效性差，难以满足业务对分析的实时性要求。
随着技术的发展，用户需求和商业需求变得越发严苛，传统的方案已无法满足，HTAP 则提供了另外一种解决方案。由此带来业务架构的简化，更少的技术栈，更好的数据的实时性等优点。
当然，任何问题都具有两面性，在给用户和业务带来便利性的同时，也需要解决一些挑战。我们认为，HTAP 需要直面如下挑战，而这也是所有 HTAP 数据库所需要面临的。其中包括：
(1) 架构的选择：one system one copy Or one system two copies, Or tow systems tow copies；
(2) 数据的高效组织，当选定系统架构后，如何高效的组织数据使得在该种模型下，数据可以满足 TP、AP 的需求；
(3) 多类型负载的处理问题以及负载间的隔离问题；
(4) 负载响应时间；
(5) TP 负载中的变化数据需及时同步到 AP 中，即：解决数据的时效性；
(6) 快速的数据加载能力；
(7) 完整而全面的生态支持。
什么是 Stone DB
Stone DB 作为一款开源的 MySQL HTAP 数据库，其主要以下几个特点：
（1）完全兼容 MySQL，无论是语法还是生态，MySQL 用户均可以无缝切换至 StoneDB；
（2）事务、分析一体化，无需经过 ETL，事务型数据可实时同步到分析引擎。使得用户可以实时获取业务分析结果；
（3）完全开源；
（4）相较于 MySQL，StoneDB 提供 10-100 倍的 AP 能力，亿级多表关联，急速响应，决策结果无需等待；
（5）高效导入速度，由于 AP 场景下，所分析数据量巨大、高效的导入速度将给您带来良好的用户体验；
（6）1/10TCO 成本，高效的压缩算法，无缝的业务迁移能力，简单架构，都能为您带来 TCO 的降低。
StoneDB 采用一体化架构，并采用列式存储方式进行组织数据用以支持 AP 负载，结合高效压缩算法使得 StoneDB 在获得高性能的同时也具有存储成本优势。
同时，采用基于知识网格的近似查询及并行处理等机制，使得 StoneDB 在处理海量数据以及复杂查询时候，能够最大限度的减少无关数据的 IO，并利用直方图、数据块位图等众多统计信息来进一步的加速查询处理速度；此外，StoneDB 采用带有延后重构模型的 Column-at-a-time 的面向列式存储的执行引擎又进一步提高执行引擎的效率。最后，StoneDB 提供高速的数据载入能力。
上述技术的运用使得 StoneDB 有潜力成为一款优秀的 HTAP 数据库，当然为了进一步的提升在 HTAP 方面的能力，StoneDB 在 2.0 版本中将推出基于内存的 In-Memory Column Store（IMCS）。
StoneDB Ver 1.0
与 TP 引擎多采用行式存储方案不同，AP 引擎多采用列式存储方案。与行存模型不同，列存模型是将数据按列的方式进行组织。StoneDB 采用，例如：lz4，bz2, zstd, snappy, zlib 等多达 20+以上的压缩算法来对数据进行压缩，从而来进一步减少查询处理过程中所需要的 IO。
查询处理作为整个数据库的大脑，查询优化算法好坏直接影响查询效率。为了使得 StoneDB 能够高效处理海量数据。我们首先再来讨论一下数据组织结构和知识网格。
在 StoneDB 中，数据以列的方式进行组织，在每个列中，数据又按更细粒度的数据块进行划分，这种方式所带来的优点有：
（1）物理数据按固定数据块进行存储，通常称之为： Data Node（或称为 Data Pack）。这样使得系统具有基于块(Block)的高效压缩/加密算法的能力；
（2）知识网格可以为查询优化器、执行和压缩算法等提供支持。例如：基于知识网格的查询，优化器会利用知识网格来决定需要抓取哪些 Data Node 来执行数据操作。
什么是优化器呢？优化器会利用知识网格对其所需要处理的数据进行剪枝：其采取的策略为：对于满足查询条件的数据节点称之为：关联性数据节点，对其采取直接读取并返回的策略；对于无法确定节点中是否存在满足查询条件的数据，我们将其称之为：对不确定性数据节点。对其采取的策略是：先进行解压，然后在进行基于查询条件的处理，最后返回处理结果；而对与查询条件完全不相关的数据节点，则直接忽略。
举例来说，对于一个查询请求，通过 KG（知识网格）可以确定 3 个关联性 DN 和 1 个不确定性 DN。如果该查询请求中包含聚合函数，此时只需要解压不确定性 DN，并计算该节点中满足条件的数据的聚合值，再结合 3 个关联性 DN 中元数据节点（Metea Node，MD）上的统计值即可得出最终结果。如果此请求需要返回具体数据，那么无论关联性 DN 还是不确定性 DN，都需要读取数据块并解压缩，以便获得最终结果集。
随着硬件技术的发展，硬件的红利也慢慢传递到数据库领域，随着 CPU 对向量化执行的支持。如今像 SIMD 指令已经广泛的应用在数据库中，用来提升执行效率。
传统火山模型采用迭代式进行数据处理，通过调用 next()函数来获取下一条记录并进行处理。该种方式下，需要产生大量的函数调用，上下文切换等等问题。因此，越来多的数据库均提供基于 SIMD 指令的向量化执行能力，用以加速执行。除了 SIMD 指令的应用，为了发挥当前 CPU 的多核能力，并行查询也是一个查询效率的倍增器。
数据的加载对于用户的体验也至关重要，通常我们需要处理的数据量非常大。为了给用户提供急速的数据加载体验，StoneDB 在数据加载方面也做了大量的工作。StoneDB 在数据加载时，数据首先在外部完成预处理，随后直接使用二进制的模式进行导入，无需通过转换为 SQL 文本来表达数据，从而避免 SQL 解析、数据验证等操作过程对服务器造成性能冲击。
StoneDB Ver 2.0
我们刚才讨论了 StoneDB ver 1.0 的架构及相关技术。虽然 StoneDB On-Disk Column Store 在 AP 场景下的表现已经非常出色，但是毕竟其是基于磁盘的解决方案。IO 和内存在数据库领域又属于极度宝贵的资源，其通常为整个数据库系统的瓶颈所在。为进一步提升 StoneDB 性能，同时也为了减少 AP 负载在执行时候对于 TP 负载的影响，而这也是我们在前面所讨论的 HTAP 所需要面临的挑战之一。
我们在 ver 2.0 中将推出了类似于 Oracle Heatwave 架构形态的基于 In-Memory Column Store 引擎的全新架构-ver 2.0，该版本将基于 mysql 8.0 构建。基于此引擎我们将实现 AP 负载的全内存计算：
（1）数据在内存中组织方式；以列存方式进行组织，同时包含元数据。元数据部分包括了：数据量，列的数量，行列的映射关系，事务信息，数据分布情况等相关元数据；
（2）数据加载的方式，由 InnoDB 并行加载至 In-Memory Column Store 中；
（3）数据的更新问题，当我们 TP 中的数据发生变化的时候，如何实时更新到 AP 中。同时，更新机制及更新时机；
（4）内存中数据持久化的问题及系统 Recovery 的问题。为了使得系统在 crash 时，能够更快速的完成 Recovery 的过程，in memory 中的数据将会被持久化到我们的 on-disk column store 中。
StoneDB 将提供导入行为的监控能力，实时感知加载进度，在加载过程中通过非阻塞，无锁机制来实现高性能数据 load 能力。
基于代价的新查询引擎也将是 ver 2.0 的重点工作。一个负载透明、且具有更加高效、准确的代价模型将是我们系统性能的保证。同时，并行查询和向量化等技术也将会得到持续的迭代。未来的分布式 AP 集群也将是我们在单节点能力构建之后，下一步的重点工作方向。
关于数据更新问题 最后，我们讨论一下数据的更新问题。当 TP 中的数据发生变化后，首先将变化数据插入到 Population buffer 中，并维护该数据的版本信息。Population buffer 中的数据最后会和 in-memory column store 中的数据进行合并，形成该数据的最新版本，更新到 in-memory column store 中。当前诸多现有的 HTAP 方案是提供一个只读的 AP 节点，通过某种机制例如：ETL、Binlog 或者 Raft 同步 Redo Log 等方式将 TP 中数据更新到 AP 节点，并由该 AP 节点对外提供 AP 处理能力，这样导致整个系统架构负载，TP 和 AP 间的数据同步无法保证实时性。
当满足如下三个条件的时候，StoneDB 会将 Population buffer 中的数据，依据版本信息依次与 in memory column store 中数据合并，构成为该数据的最新版本:
（1）当我们的 Population buffer 已经写满后，会执行一次 flush 动作，将 buffer 中的数据更新到其对于的 in-memory 数据中；
（2）到达指定的时间，例如：200ms；
（3）当 AP 负载发现其引用到的数据来自 TP 时，其会主动的检查 Population buffer 是否有最新的版本。如果有，则 StoneDB 也会进行合并动作，形成该数据的最新版本。
StoneDB GitHub 地址：https://github.com/stoneatom/stonedb
社区地址： https://stonedb.io
关于作者
李浩，StoneDB 首席架构师、StoneDB PMC。曾在华为、爱奇艺、北大方正从事数据库内核核心架构设计。超过 10 年数据库内核开发经验，擅长查询引擎、执行引擎、大规模并行处理等技术。拥有数十项数据库发明专利，著有《PostgreSQL 查询引擎源码技术探析》。