打造一款强大成熟的数据库有多难？

时间：2022-12-08 18:12:45

作者：康凯森，StarRocks PMC，负责查询方向的研发（本文转自其个人博客“编程小梦”）

从 2015 年开始，我在美团先后维护和研发过 Apache HBase、Apache Kylin、Apache Druid 和 Apache Doris，对大数据系统和 OLAP 数据库有了深入理解。

2020 年开始，我加入了 StarRocks 社区。我们先后打造了业界领先的向量化执行器、CBO 优化器、Pipeline 并行引擎、支持高效 Update 的存储引擎和极速数据湖分析。支持存储分离的 Cloud Native 版本也即将面世。

一路走来，随着 StarRocks 项目攻克一个又一个技术难题，解决一个又一个用户需求和难题，服务着越来越多的用户，我对如何打造一个强大且成熟的数据库有了更深的理解。在这篇文章中，我会和大家介绍打造一个强大且成熟的数据库都有哪些难点。

 

#01

本质矛盾

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无论是一个年轻的社区团队，还是一家大公司的数据库部门，打造一款强大且成熟的数据库都会有下面两个本质矛盾：

有限人力和无限工作之间的矛盾

各种各样的用户需求，无止境的性能优化，永远也修不完的 Bug，一个又一个 Killer Feature 的打造，时刻不停的代码重构，增加不完的测试 Case，不间断的技术调研和系统设计。这些工作都需要大量人力，但无论哪家公司，人力总是不足的，优秀的数据库人才更是稀缺。

飞速增长与成熟稳定的矛盾

如果数据库的代码不大变，面对的应用场景不大变，我们让一个数据库变稳定会容易很多。但是如果一个数据库的代码在飞速变化和增长，应对的应用场景不断丰富和变化，让一个数据库稳定下来就会很难。

 

#02

定位和独特性之难

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一款数据库想要在产品和商业上取得成功，想在很多竞品中脱颖而出，就必须有清晰的定位和自己的独特性。一款数据库的独特性就是自己的价值点，比如目前 StarRocks 的价值点就是极速统一。

一旦定位和独特性定义清楚，便意味着产研资源重心和方向的倾斜。而一款数据库想要让自己的独特性成为 Killer Feature，就必须超越所有竞品。这就意味着，这个数据库团队必须有足够强大的创新能力，足够强大的工程能力，才能做到其他数据库公司一定时间内无法做到的。

 

#03

架构之难

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一个数据库的架构决定了一个数据库未来的上限，决定了一个数据库未来支持更多用户需求的难易程度。如果架构设计有误，后面的很多功能和优化成本就会很高，甚至无法实现。不过在当下，云时代数据库的架构逐渐趋同，想要有足够的独特性和明显的优势还是比较困难。

 

#04

功能之难

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Killer Feature 的创新性和独特性

一般数据库在产品功能上肯定会推出几个 Killer Feature，作为自己产品的卖点。但是想作为 Killer Feature，就必须比竞品好很多，这时候 Killer Feature 就必须拥有一定的创新性和独特性。

持续不断的用户需求

用户越来越多，用户的需求自然就会越多，有些用户的需求很小众。但有时候为了服务一个用户，我们却不得不做，而且有时候做了还会给系统带来额外的复杂性。

各种各样的认证

认证里面的一些功能其实并不是你的数据库产品所必须的，做了不会明显增加产品竞争力。为了满足并获取更多企业级用户，还是得投入大量人力去通过认证。

用户迁移时的功能对齐

当一个新系统越来越好，要扩大市场规模，必然要去替换用户已有的旧数据库，但是替换过程中经常会遇到语法、函数、功能不对齐的场景。这时候，如果这个用户很重要，你就不得不去做一些和传统数据库功能对齐的事情。

系统越强大会越复杂

  • 越强大的优化可能跨模块越多：比如 StarRocks 的低基数优化和导入、查询、Delete、Update、Compaction、Schema Change、 MVCC 等很多模块都有关系，所以这类功能的测试本身就会很复杂

  • 一个新的功能或者优化可能会打破旧的功能或者优化的假设：比如 Tablet 并行可能和 Local exchange 有冲突，比如 Query Cache 可能和 Shared Scan 有冲突

系统越成熟，新的功能和优化要求越高，大规模使用周期越长

  • 新系统的第一个版本往往会给用户建立一个 Baseline，之后的版本做的功能和优化就必须考虑所有用户的场景，在自己的用户场景下没有或者很少有 Bad Case

  • 用户使用一个系统稳定后，升级的动力会越来越弱，所以越靠后的版本得到用户大规模验证的周期也会更长

 

#05

性能之难

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CBO 优化器 Plan 的稳定性和正确性

  • 统计信息的变化会导致查询 Plan 发生剧变

  • 某些优化就是会导致部分查询变快， 部分查询变慢

  • 选择度估计和基数估计一般都假设了数据的均匀分布，但这和实际情况并不相符

  • 统计信息收集如何做到相对准确又不耗费大量的系统资源

单核性能优化

单核性能优化是一个没有止境的过程，我在 StarRocks 技术内幕：向量化编程精髓 一文中已经解释了单核优化的关键点和方法论，所有算子和函数的深度优化是需要数十人年的事情。

多核扩展性优化

StarRocks 单核性能登顶 ClickBench 后，我们在优化多核性能上投入了大量精力。相比单核，突破多核扩展性的瓶颈要更困难些，目前已经做了大量优化、还远远不够。不同类型的查询在高并发下会遇到不同的瓶颈：Lock，线程池，RPC，调度问题，NUMA，CPU Cache，内存管理，IO 异步等。

多机扩展性优化

多机的扩展性的常见瓶颈点主要包括：

  • RPC 的扩展性

  • 元数据的扩展性

  • 如何解决数据倾斜

  • 如何通过调度策略解决热点，充分调用整个集群的算力

  • 优化器要确保每个算子，函数都可以生成分布式的执行计划，不会有单点执行的瓶颈

存储引擎的优化

存储引擎需要在导入性能和查询性能之间进行权衡，一般情况下，导入时候做的事情越多，查询时候的代价就更低些：

  • 更新能力的持续优化

  • 导入能力的持续优化

  • 压缩和编码

  • Compaction 策略的持续优化

  • 事务能力的优化

  • 内存使用上的优化

  • 各个级别 Cache 能力的优化

针对特定场景的性能优化一般会增加系统复杂性

数据库一般都是面向通用场景开发，但是在特定场景下可以获取更多信息和上下文，这时就可以进行更多的针对性优化。但这样也会带来问题，比如系统的代码逻辑更加复杂，测试和维护的难度更高。

如何保证性能不退化

当系统复杂之后，多人协作经常会出现的问题是，一个人之前精心写的一段对性能影响很大的代码，被后人不小心改掉了。或者是优化 A 优化了某些场景的性能，但是却导致之前优化 B 的优化失效了。

如何能 Cover 不同的硬件环境

数据库这个复杂的软件是构建在硬件之上的，硬件是决定性能的基础。但是 CPU 有不同的型号，网络带宽有高有低，磁盘的吞吐和 IOPS 也有很大的差别，有可能一些软件层面的优化只对某些硬件环境生效。

 

#06

稳定性之难

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一款数据库的成熟，主要体现在稳定性上，而打造一个稳定的数据库有如下难点：

SQL 是声明式的

  • 机器可以生成成千上万行的 SQL，SQL 各种算子和函数的组合是无法穷尽的，要保证任何一条 SQL 没有 bug，是极其困难的

  • SQL 里面的 Null 和 Nullable 是比较令人烦恼的，不仅对性能有很大影响，对正确性也有较大影响

成百上千的用户场景

每个用户的硬件配置，环境信息，应用特点不一样，都可能引发不同的问题。

各种各样的集群规模

很多时候，只有当集群规模、数据量、并发量到一定程度，一些稳定性和扩展性的问题才会暴露出来。如何在产品发布之前，在有限的资源下，通过测试暴露这些问题也是一个难点。

功能的组合

很多时候，一个功能单独 Work 没有问题，但是多个功能相互影响时，一些 Bug 才会暴露出来。比如节点下线，触发数据的均衡和复制，又会触发数据版本的问题，进而触发查询的问题。比如导入、查询、Compaction、系统任务对 IO 资源的共同影响，这些复杂功能组合时的测试难度会更大。

函数的预期行为没有标准

比如 Date 类型和数字的比较，字符串和数字的比较，应该是直接报错还是隐式转换，隐式转换的公共类型转成啥。这些其实都没有统一的标准，每个数据库都有自己的实现。关键问题是即使改成最合理的表现，一些用户可能会因为习惯自己熟悉的数据库的表现，觉得当时最合理的表现是不合理的。

还有聚合函数溢出后行为，Decimal 运算精度的确定，函数一些异常行为是抛异常还是转 Null。我们不仅要兼容用户期望的行为和正确性，还要兼顾正确性和性能。

多版本维护

由于快速迭代和发展，我们必然要维护很多版本，这给稳定性提出了更大的挑战：

  1. 定位，复现问题成本会更高，比如研发得用指定版本的代码部署环境，复现问题

  2. 解决问题后，也必须给所有版本 Cherry-pick，这时候很容易遗漏某个版本

  3. 要确定某个 Bug 到底在哪些版本修复了，成本也比较高

  4. 某个版本发生大的改动或者重构，之后的 Bug Fix PR Cherry-pick 就无法自动化，人工操作的成本会很高

兼容性问题

当我们维护很多个版本后，有时候不得不做一些不兼容的改动：

  1. 之前的行为本身是错误的或者不合理的

  2. 想完全删除某些旧代码

查询层是无状态的，所以不兼容的改动一般可以绕过或改 SQL 解决。但是存储层和元数据层是有状态的，一旦有不兼容的问题会很麻烦。

不同语言的行为不一致

对于类似 StarRocks 这种多进程、多语言的数据库，在稳定性问题上还有一个额外的挑战是：

  • 不同语言的一些标准库行为会不一样，这会导致在不同模块计算相同函数的结果不一致

  • 之前遇到不同语言 Java 和 C++ 取余的结果不一致

这几年来，我遇到过挺多这样的 Case。

编译器的 Bug

一般编译器被各种项目大量使用，我们开发者遇到 Bug 的机会比较少。

不过在开发 StarRocks 向量化的过程中，我就遇到了一个编译器的 Bug:编译器进行向量化优化后，把 Boolean 值转成了 255：

https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=97255

还有最近遇到的一个 C++ 正则标准库的 Bug:

https://gcc.gnu.org/bugzilla/show_bug.cgi?id=86164#c8

分布式相关问题

现在的数据库几乎都是分布式数据库，所以分布式系统遇到的问题，一般数据库都会遇到。比如分布式系统的常见挑战：单点故障，部分失败，不可靠的网络，不可靠的时钟。

硬件故障

数据库的存储引擎必须保证数据能被正确地存储和读取，但是我们在实际环境中不可避免会遇到各种硬件故障：磁盘坏掉，磁盘数据错误，服务器宕机，机房断电，网络异常等。

 

#07

生态之难

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数据导入

  • 数据格式的多样性：CSV，JSON，Parquet，ORC，ARROW 等

  • 数据源的多样性：Local File，Kafka，Hive，数据湖，传统数据库等

  • 导入时支持 Transform （表达式计算）

数据导出

  • 导出格式的多样性

  • 导出位置的多样性：客户端，本地，分布式存储等

  • 全量导出和部分导出

BI 工具：数据可视化

市面上流行的 BI 工具多达几十种，每种 BI 工具深入使用后都或多或少会有些兼容性问题：Session 变量的兼容性，数据类型的兼容性，函数的兼容性等。要尽可能完美地兼容，必然有大量的人力投入。

数据迁移

要支持用户从传统数据库和各种竞品数据库顺滑迁移，就必须和各种数据库进行对接，这里面有大量琐碎的工作。

比如我们想将 Presto 的用户迁移到 StarRocks 上，我们就需要在 SQL 语法层进行兼容。

比如单机数据库上一些很容易实现的功能，在分布式数据库上就会相对困难，这时候如果为了功能对齐，就需要不少的工作。

 

#08

安全之难

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安全包括：认证，鉴权，审计，加密，脱敏等。这里面每一项都有着大量的工作，对于金融、*客户、安全体系要求很高，公有云上的安全要求则会更高。

 

#09

易用性之难

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在未来，毋容置疑，易用性会越来越重要，并将会是一款数据库的核心竞争力。数据库分析师需要知道的数据库知识会越来越少，需要进行的操作会越来越少。易用性主要体现在 3 个层次：

  1. 架构层面的易用性：比如自适应执行，Automatic Clustering，Automatic Index，Automatic Scale 等。

  2. 产品层面的易用性：比如接口定义和功能上是不是足够简洁清晰，一个命令可以导入各种数据源，各种数据格式的文件，一个命令可以查询各种数据源、文件等。

  3. 细节层面的易用性：文档是否完善，报错信息是否清晰易懂，可观测性是否足够好。

 

#10

难点如何解决

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在你将这些点一个一个深入思考下去，肯定会理解打造一个强大且成熟的数据库是多么困难，那么这些难题如何解呢？

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