DolphinDB内存管理详解

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04/08 09:38
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DolphinDB是一款支持多用户多任务并发操作的高性能分布式时序数据库软件(distributed time-series database)。针对大数据的高效的内存管理是其性能优异的原因之一。本教程涉及的内存管理包括以下方面:

  • 变量的内存管理:为用户提供与回收编程环境所需内存。
  • 分布式表的缓存管理:多个session共享分区表数据,以提高内存使用率。
  • 流数据缓存:流数据发送节点提供持久化和发送队列缓存,订阅节点提供接收数据队列缓存。
  • DFS数据库写入缓存:写入DFS的数据先写到WAL和缓存,通过批量写入提升吞吐量。


1. 内存管理机制

DolphinDB向操作系统申请内存块,自行进行管理。当申请的内存块闲置时,系统会定期检查并释放。目前vector和table以及所有字符串的内存分配都已经纳入DolphinDB的内存管理系统。

通过参数maxMemSize设定节点的最大内存使用量:该参数制定节点的最大可使用内存。如果设置太小,会严重限制集群的性能,如果设置太大,例如超过物理内存,可能会触发操作系统强制关闭进程。若机器内存为16GB,并且只部署1个节点,建议将该参数设置为12GB左右。

以512MB为单位向操作系统申请内存块:当用户查询操作或者编程换进所需要内存时,DolphinDB会以512MB为单位向操作系统申请内存。如果操作系统无法提供大块的连续内存,则会尝试256MB,128MB等更小的内存块。

系统充分利用可用内存缓存数据库数据:当节点的内存使用总量小于maxMemSize时,DolphinDB会尽可能多的缓存数据库分区数据,以便提升用户下次访问该数据块的速度。当内存不足时,系统自动会剔除部分缓存。

每隔30秒扫描一次,空闲的内存块还给操作系统:当用户使用释放内存中变量,或者使用函数clearAllCache释放缓存时,如果内存块完全空闲,则会整体还给操作系统,如果仍有小部分内存在使用,比如512MB的内存块中仍有10MB在使用,则不会归还操作系统。


2. 变量的内存管理

2.1 创建变量

在DolphinDB节点上,先创建一个用户user1,然后登陆。创建一个vector,含有1亿个INT类型元素,约400MB。

示例1. 创建vector变量

 login("admin","123456")  //创建用户需要登陆admin
createUser("user1","123456")
login("user1","123456")
v = 1..100000000
sum(mem().blockSize - mem().freeSize) //输出内存占用结果

结果为: 402,865,056,内存占用400MB左右,符合预期。

再创建一个table,1000万行,5列,每列4字节,约200MB。

示例2. 创建table变量

n = 10000000
t = table(n:n,["tag1","tag2","tag3","tag4","tag5"],[INT,INT,INT,INT,INT])
(mem().blockSize - mem().freeSize).sum()

结果为:612,530,448,约600MB,符合预期。


2.2 释放变量

可通过undef函数,释放变量的内存。

示例3. 使用undef函数或者赋值为NULL释放变量

undef(`v)

或者

v = NULL

除了手动释放变量,当session关闭时,比如关闭GUI和其他API连接,都会触发对该session的所有内存进行回收。当通过web notebook连接时,10分钟内无操作,系统会关闭session,自动回收内存。


3. 分布式表的缓存管理

DolphinDB对分布式表是以分区为单位管理的。分布式表的缓存是全局共享的,不同的session或读事务在大部分情况下,会看到同一份数据copy(版本可能会有所不同),这样极大的节省了内存的使用。

历史数据库都是以分布式表的形式存在数据库中,用户平时查询操作也往往直接与分布式表交互。分布式表的内存管理有如下特点:

  • 内存以分区列为单位进行管理。
  • 数据只加载到所在的节点,不会在节点间转移。
  • 多个用户访问相同分区时,使用同一份缓存。
  • 内存使用不超过maxMemSize情况下,尽量多缓存数据。
  • 缓存数据达到maxMemSize时,系统自动回收。

以下多个示例是基于以下集群:部署于2个节点,采用单副本模式。按天分30个区,每个分区1000万行,11列(1列DATE类型,1列INT类型,9列LONG类型),所以每个分区的每列(LONG类型)数据量为1000万行 * 8字节/列 = 80M,每个分区共1000万行 * 80字节/行 = 800M,整个表共3亿行,大小为24GB。

函数clearAllCache()可清空已经缓存的数据,下面的每次测试前,先用该函数清空节点上的所有缓存。


3.1 内存以分区列为单位进行管理

DolphinDB采用列式存储,当用户对分布式表的数据进行查询时,加载数据的原则是,只把用户所要求的分区和列加载到内存中。

示例4. 计算分区2019.01.01最大的tag1的值。该分区储存在node1上,可以在controller上通过函数getClusterChunksStatus()查看分区分布情况,而且由上面可知,每列约80MB。在node1上执行如下代码,并查看内存占用。

select max(tag1) from loadTable(dbName,tableName) where day = 2019.01.01
sum(mem().blockSize - mem().freeSize) 

输出结果为84,267,136。我们只查询1个分区的一列数据,所以把该列数据全部加载到内存,其他的列不加载。

示例5. 在node1 上查询 2019.01.01的前100条数据,并观察内存占用。

select top 100 * from loadTable(dbName,tableName) where day = 2019.01.01
sum(mem().blockSize - mem().freeSize)

输出结果为839,255,392。虽然我们只取100条数据,但是DolphinDB加载数据的最小单位是分区列,所以需要加载每个列的全部数据,也就是整个分区的全部数据,约800MB。

注意:  合理分区以避免"out of memory":DolphinDB是以分区为单位管理内存,因此内存的使用量跟分区关系密切。假如用户分区不均匀,导致某个分区数据量超大,甚至机器的全部内存都不足以容纳整个分区,那么当涉及到该分区的查询计算时,系统会抛出"out of memory"的异常。一般原则,如果用户设置maxMemSize=8,则每个分区常用的查询列之和为100-200MB为宜。如果表有10列常用查询字段,每列8字段,则每个分区约100-200万行。


3.2 数据只加载到所在的节点

在数据量大的情况下,节点间转移数据是非常耗时的操作。DolphinDB的数据是分布式存储的,当执行计算任务时,把任务发送到数据所在的节点,而不是把数据转移到计算所在的节点,这样大大降低数据在节点间的转移,提升计算效率。

示例6. 在node1上计算两个分区中tag1的最大值。其中分区2019.01.02数组存储在node1上,分区2019.01.03数据存储在node2上。

select max(tag1) from loadTable(dbName,tableName) where day in [2019.01.02,2019.01.03]
sum(mem().blockSize - mem().freeSize) 

输出结果为84,284,096。在node2上用查看内存占用结果为84,250,624。每个节点存储的数据都为80M左右,也就是node1上存储了分区2019.01.02的数据,node2上存储了2019.01.03的数据。

示例7. 在node1上查询分区2019.01.02和2019.01.03的所有数据,我们预期node1加载2019.01.02数据,node2加载2019.01.03的数据,都是800M左右,执行如下代码并观察内存。

select top 100 * from loadTable(dbName,tableName) where day in [2019.01.02,2019.01.03]
sum(mem().blockSize - mem().freeSize)

node1上输出结果为839,279,968。node2上输出结果为839,246,496。结果符合预期。

注意:  谨慎使用没有过滤条件的"select *",因为这会将所有数据载入内存。在列数很多的时候尤其要注意该点,建议仅加载需要的列。若使用没有过滤条件的"select top 10 *",会将第一个分区的所有数据载入内存。


3.3 多个用户访问相同分区时,使用同一份缓存

DolphinDB支持海量数据的并发查询。为了高效利用内存,对相同分区的数据,内存中只保留同一份副本。

示例8. 打开两个GUI,分别连接node1和node2,查询分区2019.01.01的数据,该分区的数据存储在node1上。

select * from loadTable(dbName,tableName) where date = 2019.01.01
sum(mem().blockSize - mem().freeSize)

上面的代码不管执行几次,node1上内存显示一直是839,101,024,而node2上无内存占用。因为分区数据只存储在node1上,所以node1会加载所有数据,而node2不占用任何内存。


3.4 节点内存占用情况与缓存数据的关系

3.4.1 节点内存使用不超过maxMemSize情况下,尽量多缓存数据

通常情况下,最近访问的数据往往更容易再次被访问,因此DolphinDB在内存允许的情况下(内存占用不超过用户设置的maxMemSize),尽量多缓存数据,来提升后续数据的访问效率。

示例9. 数据节点设置的maxMemSize=8。连续加载9个分区,每个分区约800M,总内存占用约7.2GB,观察内存的变化趋势。

days = chunksOfEightDays();
for(d in days){
    select * from loadTable(dbName,tableName) where  = day
    sum(mem().blockSize - mem().freeSize)
}

内存随着加载分区数的增加变化规律如下图所示:

当遍历每个分区数据时,在内存使用量不超过maxMemSize的情况下,分区数据会全部缓存到内存中,以在用户下次访问时,直接从内存中提供数据,而不需要再次从磁盘加载。

 

3.4.2 节点内存使用达到maxMemSize时,系统自动回收


如果DolphinDB server使用的内存,没有超过用户设置的maxMemSize,则不会回收内存。当总的内存使用达到maxMemSize时,DolphinDB 会采用LRU的内存回收策略, 来腾出足够的内存给用户。

示例10. 上面用例只加载了8天的数据,此时我们继续共遍历15天数据,查看缓存达到maxMemSize时,内存的占用情况。如下图所示:

如上图所示,当缓存的数据超过maxMemSize时,系统自动回收内存,总的内存使用量仍然小于用户设置的最大内存量8GB。

示例11. 当缓存数据接近用户设置的maxMemSize时,继续申请Session变量的内存空间,查看系统内存占用。此时先查看系统的内存使用:

sum(mem().blockSize - mem().freeSize)

输出结果为7,550,138,448。内存占用超过7GB,而用户设置的最大内存使用量为8GB,此时我们继续申请4GB空间。

v = 1..1000000000
sum(mem().blockSize - mem().freeSize)

输出结果为8,196,073,856。约为8GB,也就是如果用户定义变量,也会触发缓存数据的内存回收,以保证有足够的内存提供给用户使用。


4. 流数据消息缓存队列

当数据进入流数据系统时,首先写入流表,然后写入持久化队列和发送队列(假设用户设置为异步持久化),持久化队列异步写入磁盘,将发送队列发送到订阅端。

当订阅端收到数据后,先放入接受队列,然后用户定义的handler从接收队列中取数据并处理。如果handler处理缓慢,会导致接收队列有数据堆积,占用内存。如下图所示:

流数据内存相关的配置选项:

  • maxPersistenceQueueDepth: 流表持久化队列的最大消息数。对于异步持久化的发布流表,先将数据放到持久化队列中,再异步持久化到磁盘上。该选项默认设置为1000万。在磁盘写入成为瓶颈时,队列会堆积数据。
  • maxPubQueueDepthPerSite: 最大消息发布队列深度。针对某个订阅节点,发布节点建立一个消息发布队列,该队列中的消息发送到订阅端。默认值为1000万,当网络出现拥塞时,该发送队列会堆积数据。
  • maxSubQueueDepth: 订阅节点上最大的每个订阅线程最大的可接收消息的队列深度。订阅的消息,会先放入订阅消息队列。默认设置为1000万,当handler处理速度较慢,不能及时处理订阅到的消息时,该队列会有数据堆积。
  • 流表的capacity:在函数enableTablePersistence()中第四个参数指定,该值表示流表中保存在内存中的最大行数,达到该值时,从内存中删除一半数据。当流数据节点中,流表比较多时,要整体合理设置该值,防止内存不足。

运行过程,可以通过函数getStreamingStat()来查看流表的大小以及各个队列的深度。


5. 为写入DFS数据库提供缓存

DolphinDB为了提高读写的吞吐量和降低读写的延迟,采用先写入WAL和缓存的通用做法,等累积到一定数量时,批量写入。这样减少和磁盘文件的交互次数,提升写入性能,可提升写入速度30%以上。因此,也需要一定的内存空间来临时缓存这些数据,如下图所示:

当事务t1,t2,t3都完成时,将三个事务的数据一次性写入到DFS的数据库磁盘上。Cache Engine空间一般推荐为maxMemSize的1/8~1/4,可根据最大内存和写入数据量适当调整。CacheEngine的大小可以通过配置参数chunkCacheEngineMemSize来配置。

  • chunkCacheEngineMemSize:指定cache engine的容量。cache engine开启后,写入数据时,系统会先把数据写入缓存,当缓存中的数据量达到chunkCacheEngineMemSize的30%时,才会写入磁盘。


6. 高效使用内存

在企业的生产环境中,DolphinDB往往作为流数据中心以及历史数据仓库,为业务人员提供数据查询和计算。当用户较多时,不当的使用容易造成Server端内存耗尽,抛出"out of memory" 异常。可遵循以下建议,尽量避免内存的不合理使用。

  • 合理均匀分区:DolphinDB是以分区为单位加载数据,因此,分区大小对内存影响巨大。合理均匀的分区,不管对内存使用还是对性能而言,都有积极的作用。因此,在创建数据库的时候,根据数据规模,合理规划分区大小。每个分区的常用字段数据量约100MB左右为宜。
  • 及时释放数据量较大的变量:若用户创建数据量较大的变量,例如v = 1..10000000,或者将含有大量数据的查询结果赋值给一个变量t = select * from t where date = 2010.01.01,v和t将会在用户的session占用大量的内存。如果不及时释放,当其他用户申请内存时,就有可能因为内存不足而抛出异常。
  • 只查询需要的列:避免使用select *,如果用select *会把该分区所有列加载到内存。实际中,往往只需要几列。因此为避免内存浪费,尽量明确写出所有查询的列,而不是用*代替。
  • 数据查询尽可能使用分区过滤条件:DolphinDB按照分区进行数据检索,如果不加分区过滤条件,则会全部扫描所有数据,数据量大时,内存很快被耗尽。有多个过滤条件的话,要优先写分区的过滤条件。
  • 尽快释放不再需要的变量或者session:根据以上分析可知,用户的私有变量在创建的session里面保存。session关闭的时候,会回收这些内存。因此,尽早使用undef函数或者关闭session来释放内存。
  • 合理配置流数据的缓存区:一般情况下流数据的容量(capacity)会直接影响发布节点的内存占用。比如,capacity设置1000万条,那么流数据表在超过1000万条时,会回收约一半的内存占用,也就是内存中会保留500万条左右。因此,应根据发布节点的最大内存,合理设计流表的capacity。尤其是在多张发布表的情况,更需要谨慎设计。


7. 内存监控及常见问题


7.1 内存监控


7.1.1 controller上监控集群中节点内存占用

在controller上提供函数getClusterPerf()函数,显示集群中各个节点的内存占用情况。包括:

MemAlloc:节点上分配的总内存,近似于向操作系统申请的内存总和。

MemUsed:节点已经使用的内存。该内存包括变量、分布式表缓存以及各种缓存队列等。

MemLimit:节点可使用的最大内存限制,即用户配置的maxMemSize。

 

7.1.2 mem()函数监控某个节点内存占用

mem()函数可以显示整个节点的内存分配和占用情况。该函数输出4列,其中列blockSize表示分配的内存块大小,freeSize表示剩余的内存块大小,通过sum(mem().blockSize - mem().freeSize) 得到节点所使用的总的内存大小。


7.1.3 监控节点上不同session的内存占用

可通过函数getSessionMemoryStat()查看节点上每个session占用的内存量,该内存只包含session内定义的变量。当节点上内存占用太高时,可以通过该函数排查哪个用户使用了大量的内存。


7.1.4 查看某个对象占用的内存大小

通过函数memSize来查看某个对象占用内存的具体大小,单位为字节。比如:

v=1..1000000
memSize(v)

输出:4000000。


7.2 常见问题


7.2.1 监控显示节点内存占用太高

通过上面的分析可知,DolphinDB会在内存允许的情况下,会尽可能多的缓存数据。因此,如果只显示节点内存占用太高,接近maxMemSize,而没有其他内存相关的错误,那么这种情况是正常的。 如果出现"out of memory"等类似的错误,首先可以通过函数getSessionMemoryStat()查看各个session占用的内存大小,其次通过函数clearAllCache()来手动释放节点的缓存数据。

7.2.2 MemAlloc显示值跟操作系统实际显示值有差异

DolphinDB是C++程序,本身需要一些基础的数据结构和内存开销,MemAlloc显示内存不包括这些内存,如果两者显示相差不大,几百MB以内,都属于正常现象。


7.2.3 查询时,报告"out of memory"

该异常往往是由于query所需的内存大于系统可提供的内存导致的。可能由以下原因导致:

  • 查询没有加分区过滤条件或者条件太宽,导致单个query涉及的数据量太大。
  • 分区不均匀。可能某个分区过大,该分区的数据超过节点配置的最大内存。
  • 某个session持有大的变量,导致节点可用的内存很小。

7.2.4 查询时,DolphinDB进程退出,没有coredump产生

这种情况往往是由于给节点分配的内存超过系统物理内存的限制,操作系统把DolphinDB强制退出。Linux上可以通过操作系统的日志查看原因。


7.2.5 执行clearAllCache()函数后,MemUsed没有明显降低

可以通过getSessionMemoryStst()查看各个session占用的内存大小。可能是由于某个session持有占用大量内存的变量不释放,导致该部分内存一直不能回收。

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