PostgreSQL 的哈希索引現在很酷

由於我剛剛提交了最後一個改進 PostgreSQL 11 哈希索引的補丁，並且大部分哈希索引的改進都致力於預計下周發布的 PostgreSQL 10（LCTT 譯註：已發布），因此現在似乎是對過去 18 個月左右所做的工作進行簡要回顧的好時機。在版本 10 之前，哈希索引在並發性能方面表現不佳，缺少預寫日誌記錄，因此在宕機或複製時都是不安全的，並且還有其他二等公民。在 PostgreSQL 10 中，這在很大程度上被修復了。

雖然我參與了一些設計，但改進哈希索引的首要功勞來自我的同事 Amit Kapila，他在這個話題下的博客值得一讀。哈希索引的問題不僅在於沒有人打算寫預寫日誌記錄的代碼，還在於代碼沒有以某種方式進行結構化，使其可以添加實際上正常工作的預寫日誌記錄。要拆分一個桶，系統將鎖定已有的桶（使用一種十分低效的鎖定機制），將半個元組移動到新的桶中，壓縮已有的桶，然後鬆開鎖。即使記錄了個別更改，在錯誤的時刻發生崩潰也會使索引處於損壞狀態。因此，Aimt 首先做的是重新設計鎖定機制。新的機制在某種程度上允許掃描和拆分並行進行，並且允許稍後完成那些因報錯或崩潰而被中斷的拆分。完成了一系列漏洞的修復和一些重構工作，Aimt 就打了另一個補丁，添加了支持哈希索引的預寫日誌記錄。

與此同時，我們發現哈希索引已經錯過了許多已應用於 B 樹索引多年的相當明顯的性能改進。因為哈希索引不支持預寫日誌記錄，以及舊的鎖定機制十分笨重，所以沒有太多的動機去提升其他的性能。而這意味著如果哈希索引會成為一個非常有用的技術，那麼需要做的事只是添加預寫日誌記錄而已。PostgreSQL 索引存取方法的抽象層允許索引保留有關其信息的後端專用緩存，避免了重複查詢索引本身來獲取相關的元數據。B 樹和 SQLite 的索引正在使用這種機制，但哈希索引沒有，所以我的同事 Mithun Cy 寫了一個補丁來使用此機制緩存哈希索引的元頁。同樣，B 樹索引有一個稱為「單頁回收」的優化，它巧妙地從索引頁移除沒用的索引指針，從而防止了大量索引膨脹。我的同事 Ashutosh Sharma 打了一個補丁將這個邏輯移植到哈希索引上，也大大減少了索引的膨脹。最後，B 樹索引自 2006 年以來就有了一個功能，可以避免重複鎖定和解鎖同一個索引頁——所有元組都在頁中一次性刪除，然後一次返回一個。Ashutosh Sharma 也將此邏輯移植到了哈希索引中，但是由於缺少時間，這個優化沒有在版本 10 中完成。在這個博客提到的所有內容中，這是唯一一個直到版本 11 才會出現的改進。

關於哈希索引的工作有一個更有趣的地方是，很難確定行為是否真的正確。鎖定行為的更改只可能在繁重的並髮狀態下失敗，而預寫日誌記錄中的錯誤可能僅在崩潰恢復的情況下顯示出來。除此之外，在每種情況下，問題可能是微妙的。沒有東西崩潰還不夠；它們還必須在所有情況下產生正確的答案，並且這似乎很難去驗證。為了協助這項工作，我的同事 Kuntal Ghosh 先後跟進了最初由 Heikki Linnakangas 和 Michael Paquier 開始的工作，並且製作了一個 WAL 一致性檢查器，它不僅可以作為開發人員測試的專用補丁，還能真正提交到 PostgreSQL。在提交之前，我們對哈希索引的預寫日誌代碼使用此工具進行了廣泛的測試，並十分成功地查找到了一些漏洞。這個工具並不僅限於哈希索引，相反：它也可用於其他模塊的預寫日誌記錄代碼，包括堆，當今的所有 AM 索引，以及一些以後開發的其他東西。事實上，它已經成功地在 BRIN 中找到了一個漏洞。

雖然 WAL 一致性檢查是主要的開發者工具——儘管它也適合用戶使用，如果懷疑有錯誤——也可以升級到專為資料庫管理人員提供的幾種工具。Jesper Pedersen 寫了一個補丁來升級 pageinspect contrib 模塊來支持哈希索引，Ashutosh Sharma 做了進一步的工作，Peter Eisentraut 提供了測試用例（這是一個很好的辦法，因為這些測試用例迅速失敗，引發了幾輪漏洞修復）。多虧了 Ashutosh Sharma 的工作，pgstattuple contrib 模塊也支持哈希索引了。

一路走來，也有一些其他性能的改進。我一開始沒有意識到的是，當一個哈希索引開始新一輪的桶拆分時，磁碟上的大小會突然加倍，這對於 1MB 的索引來說並不是一個問題，但是如果你碰巧有一個 64GB 的索引，那就有些不幸了。Mithun Cy 通過編寫一個補丁，把加倍過程分為四個階段在某個程度上解決了這一問題，這意味著我們將從 64GB 到 80GB 到 96GB 到 112GB 到 128GB，而不是一次性從 64GB 到 128GB。這個問題可以進一步改進，但需要對磁碟格式進行更深入的重構，並且需要仔細考慮對查找性能的影響。

七月時，一份來自於「AP」測試人員的報告使我們感到需要做進一步的調整。AP 發現，若試圖將 20 億行數據插入到新創建的哈希索引中會導致錯誤。為了解決這個問題，Amit 修改了拆分桶的代碼，使得在每次拆分之後清理舊的桶，大大減少了溢出頁的累積。為了得以確保，Aimt 和我也增加了四倍的點陣圖頁的最大數量，用於跟蹤溢出頁分配。

雖然還是有更多的事情要做，但我覺得，我和我的同事們——以及在 PostgreSQL 團隊中的其他人的幫助下——已經完成了我們的目標，使哈希索引成為一個一流的功能，而不是被嚴重忽視的半成品。不過，你或許會問，這個功能可能有哪些應用場景。我在文章開頭提到的（以及鏈接中的）Amit 的博客內容表明，即使是 pgbench 的工作負載，哈希索引頁也可能在低級和高級並發方面優於 B 樹。然而，從某種意義上說，這確實是最壞的情況。哈希索引的賣點之一是，索引存儲的是欄位的哈希值，而不是原始值——所以，我希望像 UUID 或者長字元串的寬鍵將有更大的改進。它們可能會在讀取繁重的工作負載時做得更好。我們沒有像優化讀取那種程度來優化寫入，但我鼓勵任何對此技術感興趣的人去嘗試並將結果發到郵件列表（或發私人電子郵件），因為對於開發一個功能而言，真正關鍵的並不是一些開發人員去思考在實驗室中會發生什麼，而是在實際中發生了什麼。

最後，我要感謝 Jeff Janes 和 Jesper Pedersen 為這個項目及其相關所做的寶貴的測試工作。這樣一個規模適當的項目並不易得，以及有一群堅持不懈的測試人員，他們勇於打破任何廢舊的東西的決心起了莫大的幫助。除了以上提到的人之外，其他人同樣在測試，審查以及各種各樣的日常幫助方面值得讚揚，其中包括 Andreas Seltenreich，Dilip Kumar，Tushar Ahuja，Alvaro Herrera，Micheal Paquier，Mark Kirkwood，Tom Lane，Kyotaro Horiguchi。謝謝你們，也同樣感謝那些本該被提及卻被我無意中忽略的所有朋友。

via：https://rhaas.blogspot.jp/2017/09/postgresqls-hash-indexes-are-now-cool.html

作者：Robert Haas 譯者：polebug 校對：wxy

本文由[LCTT]（https://github.com/LCTT/TranslateProject）原創編譯，[Linux中國]（https://linux.cn/）榮譽推出

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