自适应扫描

背景介绍

PolarDB for PostgreSQL 提供了一款强大的分析型查询引擎——PX（Parallel eXecution），通过利用集群中多个节点的计算能力，来实现跨节点的并行查询功能。PX 可以支持顺序扫描、索引扫描等多种物理算子的跨节点并行化。其中，对顺序扫描算子，PX 提供了两种扫描模式，分别为 自适应扫描模式 与 非自适应扫描模式。

术语

• QC：Query Coordinator，发起 PX 并行查询的进程角色。
• PX Worker：参与 PX 跨节点并行查询的工作进程角色。
• Worker ID：唯一标识一个 PX Worker 的编号。
• Disk Unit ID：PX 跨节点并行扫描的最小存储单元，默认为 4MB 大小。

功能介绍

非自适应扫描

非自适应扫描模式是 PX 顺序扫描算子（Sequential Scan）的默认扫描方式。每一个参与并行查询的 PX Worker 在执行过程中都会被分配一个唯一的 Worker ID。非自适应扫描模式将会依据 Worker ID 划分数据表在物理存储上的 Disk Unit ID，从而实现每个 PX Worker 可以均匀扫描数据表在共享存储上的存储单元，所有 PX Worker 的扫描结果最终汇总形成全量的数据。

自适应扫描

在非自适应扫描模式下，扫描单元会均匀划分给每个 PX Worker。当存在个别只读节点计算资源不足的情况下，可能会导致扫描过程发生计算倾斜：用户发起的单次并行查询迟迟不能完成，查询受限于计算资源不足的节点长时间不能完成扫描任务。

PX 提供的自适应扫描模式可以解决这个问题。自适应扫描模式不再限定每个 PX Worker 扫描特定的 Disk Unit ID，而是采用 请求-响应（Request-Response）模式，通过 QC 进程与 PX Worker 进程之间的特定 RPC 通信机制，由 QC 进程负责告知每个 PX Worker 进程可以执行的扫描任务，从而消除计算倾斜的问题。

功能设计

非自适应扫描

QC 进程在发起并行查询任务时，会为每个 PX Worker 进程分配固定的 Worker ID，每个 PX Worker 进程根据 Worker ID 对存储单元 取模，只扫描其所属的特定的 Dist Unit。

自适应扫描

QC 进程在发起并行查询任务时，会启动 自适应扫描线程，用于接收并处理来自 PX Worker 进程的请求消息。自适应扫描线程维护了当前查询扫描任务的进度，并根据每个 PX Worker 进程的工作进度，向 PX Worker 进程分派需要扫描的 Disk Unit ID。对于需要扫描的最后一个 Disk Unit，自适应扫描线程会唤醒处于空闲状态的 PX Worker，加速最后一块 Disk Unit 的扫描过程。

消息通信机制

由于自适应扫描线程与各个 PX worker 进程之间的通信数据很少，频率不高，所以重用了已有的 QC 进程与 PX worker 进程之间的 libpq 连接进行报文通信。自适应扫描线程通过 poll 的方式在需要时同步轮询 PX Worker 进程的请求和响应。

扫描任务协调

PX Worker 进程在执行顺序扫描算子时，会首先向 QC 进程发起询问请求，将以下信息发送给 QC 端的自适应扫描线程：

• 扫描任务的编号
• 扫描动作（正向 / 反向扫描）
• 扫描物理块数

自适应扫描线程在收到询问请求后，会创建扫描任务或更新扫描任务的进度。

可变颗粒度

为了减少请求带来的网络交互次数，PX 实现了可变的任务颗粒度。当扫描任务量剩余较多时，PX Worker 进程单次领取的扫描物理块数较多；当扫描任务量剩余较少时，PX Worker 进程单次领取的扫描物理块数相应减少。通过这种方法，可以平衡 网络开销 与 负载均衡 两者之间的关系。

缓存友好

自适应扫描模式将尽量保证每个节点在多次执行并行查询任务时，能够重用 Shared Buffer 缓存，避免缓存频繁更新 / 淘汰。在实现上，自适应扫描功能会根据 集群拓扑视图 配置的节点 IP 地址信息，采用缓存绑定策略，尽量让同一个物理 Page 被同一个节点复用。

报文设计

• PX Worker 请求报文：采用 libpq 的 'S' 协议进行通信，按照 key-value 的方式编码为字符串。

  | 内容 | 描述 | | ------------ | ------------------ | | task_id | 扫描任务编号 | | direction | 扫描方向 | | page_count | 需扫描的总物理块数 | | scan_start | 扫描起始物理块号 | | current_page | 当前扫描的物理块号 | | scan_round | 扫描的次数 |

• 自适应扫描线程回复报文

  | 内容 | 描述 | | ---------- | ------------------ | | success | 是否成功 | | page_start | 响应的起始物理块号 | | page_end | 响应的结束物理块号 |

使用指南

创建测试表：

postgres=# CREATE TABLE t(id INT);
CREATE TABLE
postgres=# INSERT INTO t VALUES(generate_series(1,100));
INSERT 0 100

非自适应扫描

开启 PX 并行查询功能，并设置单节点并发度为 3。通过 EXPLAIN 可以看到执行计划来自 PX 优化器。由于参与测试的只读节点有两个，所以从执行计划中可以看到整体并发度为 6。

postgres=# SET polar_enable_px = 1;
SET
postgres=# SET polar_px_dop_per_node = 3;
SET
postgres=# SHOW polar_px_enable_adps;
 polar_px_enable_adps
----------------------
 off
(1 row)

postgres=# EXPLAIN SELECT * FROM t;
                                  QUERY PLAN
-------------------------------------------------------------------------------
 PX Coordinator 6:1  (slice1; segments: 6)  (cost=0.00..431.00 rows=1 width=4)
   ->  Partial Seq Scan on t  (cost=0.00..431.00 rows=1 width=4)
 Optimizer: PolarDB PX Optimizer
(3 rows)

postgres=# SELECT COUNT(*) FROM t;
 count
-------
   100
(1 row)

自适应扫描

开启自适应扫描功能的开关后，通过 EXPLAIN ANALYZE 可以看到每个 PX Worker 进程扫描的物理块号。

postgres=# SET polar_enable_px = 1;
SET
postgres=# SET polar_px_dop_per_node = 3;
SET
postgres=# SET polar_px_enable_adps = 1;
SET
postgres=# SHOW polar_px_enable_adps;
 polar_px_enable_adps
----------------------
 on
(1 row)

postgres=# SET polar_px_enable_adps_explain_analyze = 1;
SET
postgres=# SHOW polar_px_enable_adps_explain_analyze;
 polar_px_enable_adps_explain_analyze
--------------------------------------
 on
(1 row)

postgres=# EXPLAIN ANALYZE SELECT * FROM t;
                                                        QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
 PX Coordinator 6:1  (slice1; segments: 6)  (cost=0.00..431.00 rows=1 width=4) (actual time=0.968..0.982 rows=100 loops=1)
   ->  Partial Seq Scan on t  (cost=0.00..431.00 rows=1 width=4) (actual time=0.380..0.435 rows=100 loops=1)
         Dynamic Pages Per Worker: [1]
 Planning Time: 5.571 ms
 Optimizer: PolarDB PX Optimizer
   (slice0)    Executor memory: 23K bytes.
   (slice1)    Executor memory: 14K bytes avg x 6 workers, 14K bytes max (seg0).
 Execution Time: 9.047 ms
(8 rows)

postgres=# SELECT COUNT(*) FROM t;
 count
-------
   100
(1 row)