mongodb內核、wiredtiger存儲引擎、rocksdb存儲引擎相關源碼分析詳見(後續持續更新):
https://github.com/y123456yz/reading-and-annotate-mongodb-3.6.1
- 前言
溫馨提示：在進行本下篇優化文章閱讀前，可以提前瞭解下《百萬級高併發mongodb集羣性能數十倍提升優化實踐(上篇)》的問題背景及優化方法，這樣可以更好的瞭解和學習本篇性能優化下篇的內容。
《百萬級高併發mongodb集羣性能數十倍提升優化實踐(上篇)》地址: https://my.oschina.net/u/4087916/blog/3141909
2. 背景
線上某集羣峯值TPS超過100萬/秒左右(主要爲寫流量，讀流量很低，讀寫流量做了主從讀寫分離，讀流量走從節點，qps數百上千)，峯值tps幾乎已經到達集羣上限，同時平均時延也超過100ms，隨着讀寫流量的進一步增加，時延抖動嚴重影響業務可用性。該集羣採用mongodb天然的分片模式架構，數據均衡的分佈於各個分片中，添加片鍵啓用分片功能後實現完美的負載均衡。集羣每個節點流量監控如下圖所示:
從上圖可以看出集羣流量比較大，峯值已經突破120萬/秒，其中delete過期刪除的流量不算在總流量裏面(delete由主觸發刪除，但是主上面不會顯示，只會在從節點拉取oplog的時候顯示)。如果算上主節點的delete流量，總tps超過150萬/秒。
在《百萬級高併發mongodb集羣性能數十倍提升優化實踐(上篇)》中，我們通過業務優化、mongodb服務層配置優化、wiredtiger存儲引擎層優化及硬件IO優化後，客戶端總體時延從幾百ms遲控制到了2-5ms左右，總體性能有了很大的提升，但是當有超大流量寫衝擊的時候，會有幾十ms時延抖動，幾個不同接口的時延如下圖所示：
3. 硬件問題回顧及遺留問題
在《上篇》文章中，我們通過定位nvme ssd硬件的IO問題後，和廠商一起分析後發現IO問題是因爲操作系統版本不對引起，於是開始對線上的主從mongod實例的服務器硬件進行升級，升級後開始替換線上該集羣的實例。具體操作過程如下:
- 爲了驗證IO升級後的機器，我們替換一個分片的從節點爲升級後的服務器(IO問題得以解決，IO能力從之前的500M/s寫入達到了近2G/s，我們稱IO升級後的服務器爲高IO服務器，未升級的服務器爲低IO服務器)，替換後通過iostat可以看到該從節點的IO 100%問題得到了很大程度的緩解，不會出現持續性IO跌0問題。
- 第一步上面的服務器跑了一週後，我們確定升級後的高IO服務器運行穩定，爲了謹慎起見，我們雖然確定該高IO服務器在從節點運行沒有問題，但是我們需要進一步在主節點驗證是否文檔，於是我們做了一次主從切換，該高IO服務器變爲主節點運行，也就是集羣中某個分片的主節點爲高IO服務器，但是從節點還是低IO服務器。
- 當高IO服務器在某個分片的主節點跑了數週後，我們確定高IO服務器在主節點運行正常，於是我們得下結論: 升級後的服務器運行穩定。
- 確定高IO服務器沒問題後，我們開始批量替換mongod實例到該服務器。爲了保險起見，畢竟只驗證了一臺高IO服務器在主從運行都沒問題，於是我們考慮只把整個集羣的主節點替換爲高IO服務器(因爲當時我認爲客戶端都是用的默認配置，數據寫到主節點就會返回OK，雖然從節點IO慢，但是還是可以追上oplog速度的，這樣客戶端時延就會很好的得到控制)。
爲了謹慎保險起見，通過上面的硬件替換升級過程，我們只替換了所有分片的主節點，提後前後架構發生了變化，原有集羣硬件架構如下圖所示：
從上圖可知，新的集羣架構，主從節點服務器IO能力有比較大的差距。最開始我認爲業務方默認沒有設置WriteConncern，也就是默認寫入到Primary就向客戶端發送確認，因此不會影響業務寫入。
所有分片主節點升級爲高IO服務器後，多個業務接口的時間訪問延遲降到了平均2-4ms左右，但是在超大流量衝擊的時候，還是有幾十ms的尖刺，我選取一個接口的時延爲例，如下圖所示：
從上圖可以看出，特別是在大流量衝擊的時間點，尖刺越明顯。
4. 主節點硬件升級後優化
4.1 readConcern配置優化
在上一節，我們替換了分片的所有主節點爲高IO服務器，從節點還是以前未升級的低IO服務器。由於業務方默認沒有設置WriteConncern，因此我認爲客戶端寫到主成功就會返回客戶端OK，即使從服務器性能差也不會影響客戶端寫主。
在升級主服務器後，我繼續優化存儲引擎把eviction_dirty_trigger：25%調整到了30%。
由於在超大流量的高併發衝擊，會從平峯期的幾十萬TPS瞬間飆升到百萬級別，而且該毛刺幾乎每天都會出現兩三次，比較容易復現。於是提前部署好mongostat監控所有實例，同時在每個服務器上用Iostat監控實時的IO狀況，同時編寫腳本實時採集db.serverstatus()、db.printSlaveReplicationInfo()、db.printReplicationInfo()等集羣重要信息。
當某個時間點監控出現毛刺後，於是開始分析mongostat，我們發現一個問題，即使在平峯期，髒數據比例也會持續增長到閥值(30%)，我們知道當髒數據比例超過eviction_dirty_trigger：30%閥值，用戶線程就會進行evict淘汰，這樣用戶線程就會阻塞直到騰出內存空間，因此淘汰刷盤過程很慢。分析平峯期毛刺時間點對應的mongostat監控，發現如下情況:
從上圖可以看出，集羣TPS才40-50萬左右的時候某個分片的主節點出現了髒數據達到eviction_dirty_trigger：30%閥值，於是整個集羣訪問時延就會瞬間增加，原因是一個分片的用戶線程需要刷盤，導致這個分片的訪問時延上升(實際上其他分片的訪問時延還是正常的)，最終把整體平均時延拉上去了。
爲什麼普通平峯期也會有抖動？這很明顯不科學。
於是獲取出問題的主節點的一些監控信息，得出以下結論：
- IO正常，IO不是瓶頸。
- 分析抖動的時候的系統top負載，負載正常。
- 該分片的TPS才4萬左右，顯然沒到到分片峯值。
- db.printSlaveReplicationInfo()看到主從延遲較高。
當客戶端時延監控發現時間延遲尖刺後，我們發現主節點所有現象一切正常，系統負載、IO、TPS等都沒有到達瓶頸，但是有一個唯一的異常，就是主從同步延遲持續性增加，如下圖所示：
同時對應低IO服務器的從節點上面的io狀況如下圖:
從節點的IO性能一塌烏塗，這也正式主從延遲增加的根源。
從上圖可以看出在時延尖刺的同樣時間點，主從延遲超大。於是懷疑時延尖刺可能和從節點拉取Oplog速度有關係，於是把整個mongostat、iostat、top、db.printSlaveReplicationInfo()、db.serverstatus()等監控持續跑了兩天，記錄下了兩天內的一些核心系統和mongo監控指標。
兩天後，對着客戶端時延尖刺時間點分析對應監控數據，發現一個共同的現象，尖刺出現時間點和髒數據eviction_dirty_trigger超過閥值時間點一致，同時主從延遲在這個時間點都有很大的延遲。
到這裏，我越來越懷疑問題和從節點拉取oplog速度有關。之前認爲業務方默認沒有設置WriteConncern，也就是默認寫入到Primary就向客戶端發送確認，可能應答客戶端前還有其他流程會影響寫入。於是查看mongodb-3.6的Production Notes，從中發現瞭如下信息：
從Production Notes可以看出，mongodb-3.6默認啓用了 read concern "majority"功能，於是懷疑抖動可能和該功能有關。爲了避免髒讀，mongodb增加了該功能，啓用該功能後，mongodb爲了確保帶有帶有參數readConcern("Majority")的客戶端讀取到的數據確實是同步到大多數實例的數據，因此mongodb必須在內存中藉助snapshot 及主從通信來維護更多的版本信息，這就增加了wiredtiger存儲引擎對內存的需求。由於從節點是低IO服務器，很容易造成阻塞，這樣拉取oplog的速度就會跟不上進度，造成主節點消耗大量的內存來維護快照信息，這樣就會導致大量的內存消耗，最終導致髒數據瞬間劇增，很快達到eviction_dirty_trigger閥值，業務也因此抖動。
說一個小插曲，因爲mongodb-3.6默認開啓enableMajorityReadConcern功能，我們在這個過程中出現過一次嚴重的集羣故障，業務流量有段時間突然暴漲，造成時延持續性達到幾千ms，現象如下:
該問題的根源也是因爲enableMajorityReadConcern功能引起，由於從節點嚴重落後主節點，導致主節點爲了維護各種snapshot快照，消耗大量內存，同時從節點和主節點的oplog延後，導致主節點維護了更多的內存版本，髒數據比例持續性增長，直到從節點追上oplog。由於我們的業務不需要readConcert功能，因此我們考慮禁用該功能(配置文件增加配置replication.enableMajorityReadConcern=false)。
鑑於篇幅，enableMajorityReadConcern及主從硬件IO能力不足引起的嚴重業務故障，本篇不做詳細的分析，後期會寫一篇專門的《百萬計高併發mongodb集羣性能優化採坑記》中做分享，除了ReadConcern採坑，還有其他好幾個核心採坑點，敬請關注。
此外，後續會專門寫一篇ReadConcern的原理及代碼實現分析文章，敬請關注。
4.2 替換從節點服務器爲升級後的高IO服務器
除了通過replication.enableMajorityReadConcern=false在配置文件中禁用ReadConcern Majority功能，我們繼續把所有分片的從節點由之前的低IO服務器替換爲升級後的高IO服務器，升級後所有主從硬件資源性能完全一樣，升級後集羣分片架構如下圖所示：
通過禁用功能，並統一主從服務器硬件資源後，查看有抖動的一個接口的時間延遲，如下圖所示：
從上圖可以看出，通過MajorityReadConcern功能並且替把所有從節點的低IO服務器做系統升級後，業務時間延遲抖動的峯值進一步降低了，從之前第3節中的峯值80ms降低到了現在的峯值40ms左右。
此外，4.1節提到的髒數據持續性突破eviction_dirty_trigger閥值引起客戶端時延飆漲到幾千ms的問題得以徹底解決。
4.3 繼續優化調整存儲引起參數
通過前面的條優化，我們發現有一個業務接口還是偶爾有40ms時延尖刺，分析發現主要是eviction_dirty_trigger達到了我們配置的閥值，業務線程開始淘汰page cache，這樣就造成業務線程很慢，最終導致平均時延尖刺。
爲了進一步減緩時延尖刺，我們繼續在之前基礎上對存儲引擎調優，調整後配置如下：
eviction_target: 75%
eviction_trigger：97%
eviction_dirty_target: %3
eviction_dirty_trigger：30%
evict.threads_min：12
evict.threads_max：18
checkpoint=(wait=20,log_size=1GB)
經過此輪的存儲引擎調優後，該業務的核心接口時延進一步好轉，時延尖刺相比之前有了進一步的改善，時延最大尖刺時間從前面的40ms降低到了30ms，同時尖刺出現的頻率明顯降低了，如下圖所示:
從此圖可以看出，在個別時間點還是有一次時延尖刺，對照該尖刺的時間點分析提前部署好的mongostat和iostat監控，得到如下信息：
從上圖可以看出，在峯值TPS百萬級別的時候，部分節點evict淘汰速率已經跟不上寫入速度，因此出現了用戶線程刷盤的情況。
但是，很奇怪的是，在這個時間點分析對應機器的系統負載、io狀況、內存狀況等，發現系統負載、比較正常，但是對應服務器IO偏高，如下圖所示：
同時分析對應服務器對應時間點的慢日誌，我們發現尖刺出現時間的的慢日誌統計如下：
分析非時延尖刺時間點，對應慢日誌統計如下:
分析兩個時間點慢日誌可以看出，慢日誌出現的條數和時間延遲尖刺出現的時間點一致，也就是IO負載很高的時候。
通過上面的分析可以看出，當IO比較高(util超過50%)的時候，慢日誌和時延都會增加，他們之間成正比關係。
5. 總結
通過軟件層面(mongodb服務配置、業務優化、存儲引擎優化)及硬件優化(升級操作系統)後，該大流量集羣的核心接口時延從最初的平均成百上千ms降低到了現在的平均1-2ms，性能提升比較可觀，整體時延性能提升數十倍。
優化前主要接口時延：
在不增加物理機器的基礎上，經過一系列的優化措施，最終業務方主要接口時延控制到了幾ms，如下圖所示：
6. 遺留問題
如4.3分析所述，當峯值tps持續性達到100萬左右的時候，有明顯的磁盤IO問題，但是IO寫入在不同時間點很不均衡，有時候在流量持續性高峯期存在如下現象(注: 下圖只是大概反應高峯期持續性寫入的IO趨勢狀況)：
如上圖所示，有時候高峯期不同時間點磁盤IO不均衡，如果我們能把IO平均散列到各個不同時間點，這樣或許可以解決IO瓶頸問題。我試着通過繼續調大evict線程數來達到目的，但是當線程數超過一定值後效果不明顯。後續會持續分析wiredtiger存儲引擎代碼實現來了解整個機制，分析有時候磁盤IO嚴重分佈不均衡代碼實現原理。
7. 後續相關分享
近期繼續分享如下主題，敬請關注：
- 《百萬級高併發mongodb集羣性能優化採坑記》
- 《線上典型集羣抖動、不可用等問題彙總分析》
- 《Mongodb文檔數據庫業務使用最佳案例分享》
- 《Mongodb-3.6網絡IO線程模型設計及代碼實現》
注意
文章中的一些優化方法並不是一定適用於所有mongodb場景，請根據實際業務場景和硬件物理資源進行優化，而不要按部就班。
作者簡介
楊亞洲，前滴滴出行技術專家，現任Oppo文檔數據庫研發負責人，一直專注於分佈式緩存、高性能服務器、分佈式存儲、數據庫、中間件等相關研發，後續會持續分析Mongodb內核、wiredtiger存儲引擎、rocksdb存儲引擎源碼及，相關分享會發布到我的git賬號。
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