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更新时间：2024-10-30 GMT+08:00
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如何检测和解决大key与热key问题

Cassandra数据库是一个高度可扩展的高性能分布式数据库，面向大数据场景，可用于管理大量的结构化数据。在业务使用的过程中，随着业务量和数据流量的持续增长，往往一些业务的设计弊端逐渐暴露出来，降低了集群的稳定性和可用性。比如主键设计不合理，单个分区的记录数或数据量过大，出现超大分区键，引起了节点负载不均，集群稳定性会下降，这一类问题称为大key问题。当某一热点key的请求在某一主机上的访问超过服务器极限时，会导致热点Key问题的产生。往往大key是造成热key问题的间接原因。

GeminiDB Cassandra是一款基于华为自研的计算存储分离架构、兼容Cassandra生态的云原生分布式NoSQL数据库。针对以上问题，GeminiDB Cassandra 提供了大key和热key的实时检测，以帮助业务进行合理的Schema设计，规避业务稳定性风险。

大key问题

  • 可能原因：

    大key的产生，最主要的原因是主键设计不合理，使得单个分区的记录数或数据量过大。一旦某一个分区出现极大时，对该分区的访问，会造成分区所在服务器的负载变高，甚至造成节点内存溢出（OOM）等。

  • 处理思路：

    针对大key问题，一般采取如下两种处理思路。

    • 增加缓存，优化表结构。
    • 基于现有分区键，增加分区键散列。对数据进行打散，避免单个分区的记录过大。
  • 检测方法：

    通过长时间的业务观察，我们规定以下阈值，超过任何一个条件的阈值即为大key。

    1. 单个分区键的行数不能超过10万。
    2. 单个分区的大小不超过100MB。

    GeminiDB Cassandra支持了大key的检测与告警。在CES界面，可以配置实例的大key告警，具体方法请参见设置告警规则。

    当发生大key事件时，系统会第一时间发送预警通知，您可以前往CES界面查看监控事件数据，及时处理，避免业务波动。

    图1 大key告警查看事件

    告警字段说明如下：

    [
  {
    "partition_size": "1008293497",             //超大分区键的总大小
    "timestamp": "2021-09-08 07:08:18,240",      //大key产生时间
    "partition_num": "676826",         //超大分区键的总行数
    "keyspace_name": "ssss",      //keyspace名称
    "node_id": "ae342330ded14605b6304e80e6a6efeeno06",      //节点id
    "table_name": "zzzz",        //表名称
    "table_id": "024a1070-0064-11eb-bdf3-d3fe5956183b",      //表id
    "partition_key": "{vin=TESTW3YWZD2021003}"      //分区键
  }
]
  • 常见案例及解决方案：

    案例1：某集群的数据量过大，导致集群存在大分区键(排查数量大概为2000+)，最大的分区键达到38GB。当业务频繁访问这部分大的分区键时，会导致节点持续高负载，影响业务请求成功率。

    该案例中表结构设计如下：

    表设计分析：

    上述movie表保存了短视频的相关信息，分区键为movieid，并且保存了用户信息(uid)。如果movieid是一个热门短视频，有几千万甚至上亿用户点赞此短视频，则该热门短视频所在的分区非常大(当前发现有38GB)。

    解决方法：

    针对上述案例中问题，可以通过如下方法解决。

    1. 优化表结构。

      创建新表保存热门短视频信息，只保留短视频公共信息，不包含用户信息，确保该表不会产生大的分区键。热门短视频信息写入该表中。

    2. 增加缓存

      业务应用先从缓存中读取热门文件信息，没有查询到，则从数据库中查询，减少数据库查询次数。

      整体优化逻辑如下：

      1. 先查缓存，当缓存存在，直接返回结果。
      2. 当缓存不存在，查询热门视频缓存（缓存不存在，则查询hot表），当视频为为热门视频时，查询hotmovieaccess表。
      3. 当hotmovieaccess表存在结果时，直接返回。当hotmovieaccess表不存在记录时，查询movie表。
      4. 并缓存查询结果。

    案例2：movie_meta以月度建表，每个表只存当月的数据，初始的这种设计是可以减轻或规避分区键过大问题的。由于业务频繁写入，热门视频存储的记录非常多，还是形成了大的数据分区。

    解决方法：

    新分区键增加一个随机数（0~999）：将原来一个分区存储的信息随机离散存储到1000个分区中。采用新的分区键之后，没有形成新超过100MB的分区键，旧的超过100MB的分区键数据，随着时间过期即可。

热key问题

  • 热key的危害：

    在日常生活中，经常会发生各种热门事件，应用中对该热点新闻进行上万次的点击浏览和评论时，会形成一个较大的请求量。这种情况下会造成短时间内对同一个key频繁操作，会导致key所在节点的CPU和负载突然升高，从而影响落在该节点的其他请求，导致业务成功率下降。诸如此类的还有热门商品促销，网红直播等场景，这些典型的读多写少的场景也会产生热点问题。

    热key问题会产生如下危害：

    1. 流量集中，达到物理网卡上限。
    2. 请求过多，缓存分片服务被打垮。
    3. 数据库击穿，引起业务雪崩。
  • 处理思路：
    针对热key问题，一般采取如下处理思路。
    1. 设计上需要考虑热key的问题，避免在数据库上产生热key。
    2. 业务侧通过增加缓存来减少热key出现的情况。考虑多级缓存解决热key问题（如Redis + 本地二级缓存）
    3. 屏蔽热点key。 比如：在业务侧进行定制，支持热key黑白名单能力，可以将热key临时屏蔽。
  • 检测方法：

    我们定义访问频率大于100000 次/min的key为热key。

    热key事件分为两种类型。一种是Writes事件，代表写热点，一种是Reads事件，表示读热点。

    GeminiDB Cassandra提供了热key的监测与告警。在CES界面，可以配置实例的热key告警，具体方法请参见设置告警规则。

    当发生热key事件时，系统会第一时间发送预警通知，您可以前往CES界面查看监控事件数据，及时处理，避免业务波动。

    图2 热key告警

    热key告警字段说明：

    {
  "sampler_type": "WRITES",         //采样类型。取值有WRITES,READS;WRITES代表写，READS代表读。
  "partition_num": "2969",          //分区键的热点次数
  "keyspace_name": "performance",   //keyspace名称
  "table_id": "a10f3bb0-3626-11ec-bbdf-63e05bbb4391",   //表id
  "table_name": "stresstable",   //表名
  "partition_key": "85897376"   //产生热点分区键的值
}

总结

在线业务在使用Cassandra时，必须执行相关的开发规则和使用规范，在开发设计阶段就降低使用风险，合理的设计会降低大部分风险发生的概率。

  • 任何表的设计都要考虑是否会造成热key或者大key的产生，是否会造成负载倾斜的问题。
  • 建立数据过期机制，表中的数据不能无限制增长而不删除或者过期。
  • 针对读多写少的场景，要增加缓存机制，来应对读热点问题，并提升查询性能。
  • 对于每个PK以及每行Row的大小，要控制大小，否则将影响性能和稳定性。超出后要及时优化。
父主题： 数据库使用