揭秘TDSQL-A：兼容Oracle的同时支持海量数据交互

6月5日在“国产数据库硬核技术沙龙-TDSQL-A技术揭秘”系列分享中，5位腾讯云技术大咖分别从整体技术架构、列式存储及相关执行优化、集群数据交互总线、Fragment执行框架/查询分片策略/子查询框架以及向量化执行引擎等多个方面对TDSQL-A进行了深入解读。

其中腾讯云数据库高级工程师-陈再妮，对于“TDSQL-A海量数据交互之道及企业级数据库能力”，进行议题分享。没有观看直播的小伙伴，可不要错过本次分享内容的文字实录。

以下内容为现场分享实录：

TDSQL-A 是腾讯基于开源数据库PG自主研发的分布式分析型数据库系统，最早可追溯到08年，到现在已经经历10余年打磨，团队拥有数十篇核心研发专利。TDSQL-A 全面兼容 PostgreSQL，高度兼容 Oracle 语法，采用无共享架构，支持行列混合存储，在具备业界领先的数据分析能力的同时还具有完整支持分布式事务ACID的能力。

下面是TDSQL-A的总体架构，中间是数据交互总线，它将整个分布式集群的各个节点有机地联合起来，负责整个集群中所有节点数据的交互。这个数据交互总线，我们称它为FN（forward node），FN通过业界领先的集群内通讯技术，可以支持上千台节点的超大规模集群，非常适用于 PB 级的海量 OLAP 场景。

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FN设计与部署方式

1.1 原分布式执行框架

对分布式系统来说，数据重分布是无法避免的，就如下图中所示的，当某个表的hash join的字段不是分布键时，我们就需要进行数据重分布。在数据重分布的过程中，我们需要创建相应的连接和进程。

假定我们系统现在有N个DN，DN即数据节点，在数据重分布过程中每个DN都要跟其他DN之间建立连接，那么这个系统中的连接数就是N*N。如果有M层Join，那就是M*N*N个连接，再假定我们系统的并发数是X，在这个基础上再乘以X，那就是X*M*N*N个连接。

这样的话，当整个集群规模达到千百台、并发为上百个时，整个集群的连接数将会有上亿个。这个连接数是非常庞大的，此外，如果连接太多创建回收socket也会成为瓶颈。为了解决这个问题，我们引入了数据交互总线节点FN（forward node）。

1.2 优化后的分布式执行框

我们在每台服务器上都部署了一个FN，用于跟其他节点之间的数据通信，图中用红色标记的节点就是FN。FN通过FID，src_node_id, dest_node_id来进行网络数据路由。而FID则标识了查询的RemotSubplan。整个业务逻辑归结起来就是，我是谁，我从哪里来，要到哪里去。

通过这种路由方式，在系统中有N个DN数据节点的情况下，不管整个系统的查询有多复杂，并发量有多大，整个集群之间最多有服务器个数N*(N-1)个socket连接，有效降低了整个集群内的连接数量。此外，本机节点通过共享内存进行数据交互可以不走网络，这样就可以支持超大规模的集群部署。

1.3 部署结构

为了将服务器资源充分利用起来，一般情况下我们会在服务器上部署多个CN或者DN。比如下图中这个服务器上就部署了两个DN，而FN我们只需要在每台服务上部署一个即可，也就是说，一个FN可以服务于这个机器上的多个CN/DN节点的通讯。

FN实际上也是一个postgres进程，与CN、DN或者GTM属于平级的关系。FN进程在启动时，可以采用参数-Z forwardnode来标识该进程为FN。把FN设计为postgres进程的优点在于可以复用PG的元数据管理、参数配置等。加入FN的主要目的，在于减少DN之间、CN和DN之间数据交换时创建的连接，从而保证大规模集群下网络连接不成为瓶颈。

1.4 通讯消息

在分布式系统中，节点之间的消息一般分为两种类型;一种是控制消息，走的是控制流；一种是数据消息，走的是数据流。

在TDSQL-A中，控制消息一般用于元数据的分发管理和命令的传递。传递方式跟PG是一致的，采用的是Libpq协议。数据的传输通过FN来进行，采用的是TCP/IP协议，FN之间建立Socket连接，来进行数据的传送。

控制消息的应用场景可以归为以下三类：

• CN向DN下发plan或者sql,commit/rollback等执行命令
• CN/DN向本机FN发起启动时节点的注册/退出时节点注销请求
• 不同机器上的FN之间相互注册/注销请求（FN跟FN之间，也是通过注册、注销进行交互的）

对于数据消息，它需要通过FN来进行转发。这里我们又可以把它细分为不同服务器之间、同一服务器内部这两种应用场景。

在不同服务器之间，CN、DN只需要与本机的FN进行交互，不再需要与其他CN/DN之间进行连接。FN根据目的节点的ID，去和目的节点的FN进行连接，这是服务器之间的转发。

在同一服务器内部，CN/DN与FN通过共享内存来进行通信。比如说，DN通过共享内存将数据传递给FN，FN再通过共享内存将数据传输到本机器上的其他DN，这样就不需要进行网络通信。

不管是在服务器之间，还是同一个服务器内部，都是由FN进行处理，这样的话，可以做到数据通信的统一管理。我们也不用担心FN会成为瓶颈，因为在FN内部也可以配置为多线程进行运行。

1.5 集群初始化

由于引入了FN，我们需要对整个集群的初始化进行调整，调整后的流程如下图所示。

初始化过程先是GTM，再到FN，最后是CN、DN。需要注意的是，我们要保证FN启动后，本机上的CN、DN再启动，这是因为本机上的CN、DN启动后需要向本机的FN进行注册，只有注册成功才能够对外提供服务。关闭顺序恰好与启动顺序相反，也就是说，关闭的时候先关闭DN、CN，再关闭FN，最后是GTM。

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FN数据发送与接收过程

2.1 执行计划

我们举一个例子。有两张表，一个是A表，一个是B表，它们都有两列，f1列作为分布列，f2不是分布列，我们要进行一个join的查询：B表用的是f2，它不是一个分布列，这样的话就需要进行数据重分布，就发生了数据的交互。

前面提到FN是通过FID、原节点ID、目的节点ID进行数据路由，原节点ID、目的节点ID很清楚不赘述，先重点了解FID。

FID在生成执行计划的时候已经确定，整体执行计划如下：如右下角的方框所示，先对B表进行数据扫描，扫描完之后把数据重分布发送到其他机器节点上，其他机器节点收到这部分数据后进行一个join，join结束之后再进行投影。

扫描之后再发送出去这一部分，对应的FID是FID2；join结果发送数据这一部分，对应的是FID1；最后收到数据做投影的是FID0——只要牵扯到数据交互，就会有FID来进行标识。这个FID是GTM来进行统一分配管理，可以保证任意时刻都是全局唯一，这也就能标识”我是谁”这个逻辑。

2.2 数据传输

针对上面的执行计划，我们来详细看一下数据的传输过程。在执行FID2的时候，DN1上的数据需要传输到DN2上，DN2上的数据也需要传输到DN1上。我们先看DN1怎么到DN2这个链路。首先是FN1通过共享内存，拿到DN1上的数据后，发现要去的是DN2，而且现在执行的是fid2这个执行计划，它就把这部分数据通过fid2发送了出去。服务器3上的FN，就会在自己的fid2的接收队列中收到这部分数据，收到这部分数据后，再通过共享内存传递给这个服务器上的DN2，这样数据就传送过来了。同样的，DN2上的数据也是这样传送过去DN1的。在DN1和DN2完成数据传输后，需要把Join结果数据传送到CN上去做投影，此部分对应的是fid1，CN上的FN作为一个目的节点，它会从fid1的接收队列中收到来自于FN1、FN2的数据，然后通过共享内存传递到CN，CN再返回到客户端，这样就完成了整个数据传输的路由过程。

2.3 FN内部架构

下图是FN内部的详细架构。FN内部大概可分为四类：

• 元数据管理，管理与其他节点通信的所需的信息，比如节点ID、注册进程ID、FID使用情况等；
• 针对每个DN节点要进行数据传送的共享内存，一般共享内存中存储的是一些DN节点的统计信息、拥塞控制信息；
• FN作为发送者，这里会有一些发送的共享内存、发送队列、发送线程；
• FN作为接收者，会有一些接收的共享内存、接收线程和接收队列。

2.4 数据收发流程

模块是怎么相互合作来进行发送、接收数据的。

首先我们来看一下数据发送过程。前面提到，CN/DN启动的时候需要向本机的FN进行注册，注册时FN就会为注册的节点分配好内存空间，放在buffer pool里面，留待以后备用。这样的话，以后注册节点的这些DProcess进程(就是真正去处理用户请求的进程)它调用接口向FN申请共享内存，如果要发送，就把自己那部分的数据放到申请的内存里面去，放完之后，将这部分数据放到发送端FN的Fragment的消息队列里去，它就返回了。FN内部会有调度线程，会根据数据的FID从Fragment队列中读出来，看这个消息要去的目的节点是哪里，把它调度到对应的目的节点的发送消息队列里面去。FN内部有一个发送线程，发送线程就会真正地进行发送，发送完之后将那部分内存释放回buffer pool，这是整个发送过程。

接收端这边，收到数据也会向对应的buffer pool请求一块内存来存放这部分数据。然后把这部分存放接收数据的内存挂载到接收队列里面，接收端的FN也有自己的调度线程，会检查接收队列里面的消息的FID，根据FID再把它调度到对应的Fragment队列里去。最后DN2端这边的DProcess消费进程(用于处理用户请求)，它会从Fragment消费队列中把对应的数据读出来，读出来后把这块内存再释放回去，这样就完成了整个FN内部数据的收发流程。

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企业级Oracle兼容能力解读

3.1 分区表能力

首先是最常用的分区表能力。TDSQL-A支持range、list、hash、高性能等间隔分区，并且可以支持多级分区级联，在分区表的访问方法上，也全面兼容了oracle的语法，除了可以直接访问子表外，还可以关联父表名字来进行访问。还可以支持Update分区字段的值。

就像下图中的例子所示：0-30是一个子表，30-60是一个子表，我们可以把这个表里面的id，即分区键，把它改成不属于它以前这个分区范围内的数据，改了之后TDSQL-A内部会自动修改这条数据，将它由以前的分区挪到新的分区里面。以前的分区就查不到这条数据了。

除此之外，我们还支持分区子表的合并拆分能力、新加分区时default分区自动移动的能力。

我们先来看分区子表的拆分与合并。随着时间的推移，在使用过程中，系统的分区会越来越多，为了方便管理，很多用户就会想将早期的分区进行合并，TDSQL-A也像oracle一样提供了这样的能力。像图中左边所示，它可以通过merge partitions将1月份和2月份的分区进行合并，形成一个稍大的分区，这样就可以有效地去减少分区的数量。

分区的拆分刚好与合并相反，对于用户经常访问的热点数据，如果这些热点数据所处的分区内数据太多的话，每次就会扫到很多不必要的数据，我们可以通过拆分，将热点的分区拆分掉，拆分之后，在后续进行热点访问的时候，比如说我要访问“50”这个数据，我就只扫描30-60的子分区，0-30的分区就不需要扫描，这就能有效减少数据扫描，提高查询效率。

分区表一般会有默认的default分区，用来存储不属于其它分区的数据。在下图这个例子中，比如说2019年12月份的数据，还有2020年3月份的数据，它都不属于前面已创建的这两个子分区，但如果用户在之后创建了2020年3月份这个新分区的话，我们数据库就会自动把这部分属于这个分区的数据从default这个默认分区，移动到对应的分区里。之后default分区中就不包含这部分数据了，只有剩下的其他数据。这类似于oracle创建了分区之后default分区会自动移动的功能。

3.2 数据治理能力

TDSQL-A支持不同子分区存储到不同的节点组，不同的节点组关联着不同机器，通过这样的方案可以将热数据存储在配置好的机器上，冷数据存储在稍微差点的机器上，以此来实现冷热数据的分级存储，降低用户数据的存储成本。

3.3 存储过程能力

另一个重要的 Oracle兼容能力就是存储过程，TDSQL-A中也是支持的。比如说，存储过程中可以指定，在i是偶数的时候，对这个事物进行提交，它是奇数的时候，对它进行回滚。这样的话，最终执行完成之后，这个数据表中就只有偶数的数据。

3.4 函数扩展语法能力

此外，为了全面兼容oracle，TDSQL-A的函数在创建调用语法上也进行了适配。比如说创建的时候，可以不像PG那样指定用$$进行包围，可以做到像oracle一样以斜杠来进行结尾。如果有空参数的话，也可以不需要括号。

我们还可以在任意statement前或者是block前去添加label，然后通过goto去跳转到指定label里去。如果是原生PG的话，一般只有循环前面才能添加label。这些都是属于TDSQL-A自己开发的新功能。

在函数上面，我们还添加了对WITH FUNCTION的语法支持。比如说这个例子中SELECT调用的这个add_fnc函数，就只对这个SELECT有用，对于其他任何查询都是没有用的。而且如果这个WITH FUNCTION函数的函数名跟系统中其他函数名重名的话，这个SELECT中的函数优先级是高于其他函数的。

3.5 PACKAGE支持

和存储函数相关的package，我们也是支持的。通过创建这样的一些包，用户可以将一些常用的函数分装到一个包里去，之后可以指定一个包来进行相应的调用。这里需要注意的是，创建的话，应该是先创建包再去创建一个包体，删除的话刚好是相反的。

3.6 ROWID & ROWNUM支持

很多用户经常使用的oracle中典型的ROWID和ROWNUM，TDSQL-A也是支持的。如果用户在建表的时候，指定了WITH ROWID这样的参数，这样建出来的表在后面进行查询时，就可以指定要查的这个ROWID，就可以看到它唯一标识了这一行的数据，并且在进行数据变更之后，仍然可以保证这个ROWID不变。跟ROWID相近的还有ROWNUM，但实际上ROWNUM跟它有很大区别，它不是真正存储的，它只是用户在进行查询之后，对返回的记录进行编号。

3.7 MERGE INTO 语法支持

TDSQL-A还支持MERGE INTO语法。我们添加了对MergeStmt子句的解析，也增加了MERGE命令，可以做到将两个表进行MERGE合并。像这个例子中所示，将MERGE INTO到test1里，使用参考test2，如果匹配上的话，就对test1的数据进行更新，如果不匹配，就可以通过这个语法，将 test2里面的数据全部添加到test1里去，达到合并的目的。

3.8 Start with connect by支持

Oracle里的start with connect by层次查询，TDSQL-A也是支持的。它实际上是进行了树的中序遍历。我们是通过一个递归CTE来进行实现的，最终实现层次查询的结果。

3.9 PIVOT & UNPIVOT支持

TDSQL-A还支持PIVOT和UNPIVOT函数。PIVOT是一个把行数据转成列属性的函数，UNPIVOT刚好相反，是将列属性转成行数据。大概的实现方法是：对于PIVOT，针对不在这个in中的这些列，把它转换为一个grop by里面的字段，来进行实现。对于UNPIVO，把这些数据转换成一个lateral join来进行实现。这些比较有特点的Oracle常用函数，TDSQ-A都是支持的。

3.10 其他兼容能力

此外我们还支持Oracle中List AGG、SQL hints、同义词、Dual表、各种日期、时间、字符串、表达式等常用函数，可以做到Oracle常用语法的90%以上兼容。

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