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图数据库NebulaGraphTTL特性

图数据库 Nebula Graph TTL 特性

导读

身处在现在这个大数据时代，我们处理的数据量需以 TB、PB, 甚至 EB 来计算，怎么处理庞大的数据集是从事数据库领域人员的共同问题。解决这个问题的核心在于，数据库中存储的数据是否都是有效的、有用的数据，因此如何提高数据中有效数据的利用率、将无效的过期数据清洗掉，便成了数据库领域的一个热点话题。在本文中我们将着重讲述如何在数据库中处理过期数据这一问题。

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在数据库中清洗过期数据的方式多种多样，比如存储过程、事件等等。在这里笔者举个例子来简要说明 DBA 经常使用的存储过程 + 事件来清理过期数据的过程。

存储过程 + 事件清洗数据

存储过程（procedure）

存储过程是由一条或多条 SQL 语句组成的集合，当对数据库进行一系列的读写操作时，存储过程可将这些复杂的操作封装成一个代码块以便重复使用，大大减少了数据库开发人员的工作量。通常存储过程编译一次，可以执行多次，因此也大大的提高了效率。

存储过程有以下优点：

  • 简化操作，将重复性很高的一些操作，封装到一个存储过程中，简化了对这些 SQL 的调用
  • 批量处理，SQL + 循环，减少流量，也就是“跑批”
  • 统一接口，确保数据的安全
  • 一次编译多次执行，提高了效率。

以 MySQL 为例，假如要删除数据的表结构如下：

mysql> SHOW CREATE TABLE person;
+--------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| Table  | Create Table                                                                                                                    |
+--------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
| person | CREATE TABLE `person` (
  `age` int(11) DEFAULT NULL,
  `inserttime` datetime DEFAULT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 |
+--------+---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

创建一个名为 person 的表，其中 inserttime 字段为 datetime 类型，我们用 inserttime 字段存储数据的生成时间。

创建一个删除指定表数据的存储过程，如下：

mysql> delimiter //
mysql> CREATE PROCEDURE del_data(IN `date_inter` int)
    -> BEGIN
    ->   DELETE FROM person WHERE inserttime < date_sub(curdate(), interval date_inter day);
    -> END //
mysql> delimiter ;

创建一个名为 del_data 的存储过程，参数 date_inter 指定要删除的数据距离当前时间的天数。当表 person 的 inserttime 字段值（datetime 类型）加上参数 date_inter 天小于当前时间，则认为数据过期，将过期的数据删除。

事件（event）

事件是在相应的时刻调用的过程式数据库对象。一个事件可调用一次，也可周期性的启动，它由一个特定的线程来管理，也就是所谓的“事件调度器”。
事件和触发器类似，都是在某些事情发生的时候启动。当数据库上启动一条语句的时候，触发器就启动了，而事件是根据调度事件来启动的。由于它们彼此相似，所以事件也称为临时性触发器。事件调度器可以精确到每秒钟执行一个任务。

如下创建一个事件，周期性的在某个时刻调用存储过程，来进行清理数据。

mysql> CREATE EVENT del_event  
    ->     ON SCHEDULE 
    ->     EVERY 1 DAY 
    ->     STARTS '2020-03-20 12:00:00'
    ->     ON COMPLETION PRESERVE ENABLE
    ->     DO CALL del_data(1);

创建一个名为 del_event 的事件，该事件从 2020-03-20 开始，每天的 12:00:00 执行存储过程 del_data(1)。

然后执行：

mysql> SET global event_scheduler = 1;

打开事件。这样事件 del_event 就会在指定的时间自动在后台执行。通过上述的存储过程 del_data 和事件 del_event，来达到定时自动删除过期数据的目的。

TTL（Time To Live） 清洗数据

通过上述存储过程和事件的组合可以定时清理数据库中的过期数据。图数据库 Nebula Graph 提供了 更加简单高效的方式—使用 TTL 的方式来自动清洗过期数据。

使用 TTL 方式自动清洗过期数据的好处如下：

  1. 简单方便
  2. 通过数据库系统内部逻辑进行处理，安全可靠
  3. 数据库会根据自身的状态自动判断是否需要处理，如果需要处理，将在后台自动进行处理，无需人工干预。

TTL 简介

TTL，全称 Time To Live，用来指定数据的生命周期，数据时效到期后这条数据会被自动删除。在图数据库 Nebula Graph 中，我们实现 TTL 功能，用户设置好数据的存活时间后，在预定时间内系统会自动从数据库中删除过期的点或者边。

在 TTL 中，过期数据会在下次 compaction 时被删除，在下次 compaction 之前，query 会过滤掉过期的点和边。

图数据库 Nebula Graph 的 TTL 功能需 ttl_col 和 ttl_duration 两个字段一起使用，到期阈值是 ttl_col 指定的属性对应的值加上 ttl_duration 设置的秒数。其中 ttl_col 指定的字段的类型应为 integer 或 timestamp，ttl_duration 的计量单位为秒。

TTL 读过滤

针对 tag / edge，Nebula Graph 在 TTL 中将读数据过滤逻辑下推到 storage 层进行处理。在 storage 层，首先获取该 tag / edge 的 TTL 信息，然后依次遍历每个顶点或边，取出 ttl_col 字段值，根据 ttl_duration 的值加上 ttl_col 列字段值，跟当前时间的时间戳进行比较，判断数据是否过期，过期的数据将被忽略。

TTL compaction

RocksDB 文件组织方式

图数据库 Nebula Graph 底层存储使用的是 RocksDB，RocksDB 在磁盘上的文件是分为多层的，默认是 7 层，如下图所示：

图数据库 Nebula Graph TTL 特性

SST文件在磁盘上的组织方式

Level 0 层包含的文件，是由内存中的 Memtable flush 到磁盘，生成的 SST 文件，单个文件内部按 key 有序排列，文件之间无序。其它 Level 上的多个文件之间都是按照 key 有序排列，并且文件内也有序，如下图所示：

图数据库 Nebula Graph TTL 特性

非Level 0 层的文件数据划分

RocksDB compaction 原理

RocksDB 是基于 LSM 实现，但 LSM 并不是一个具体的数据结构，而是一种数据结构的概念和设计思想，具体细节参考 LSM论文。而 LSM 中最重要部分就是 compaction，由于数据文件采用 Append only 方式写入，而对于过期的数据，重复的、已删除的数据，需要通过 compaction 进行逐步的清理。

RocksDB compaction 逻辑

我们采用的 RocksDB 的 compaction 策略为 Level compaction。当数据写到
RocksDB 时，会先将数据写入到一个 Memtable 中，当一个 Memtable 写满之后，就会变成 Immutable 的 Memtable。RocksDB 在后台通过一个 flush 线程将这个 Memtable flush 到磁盘，生成一个 Sorted String Table (SST) 文件，放在 Level 0 层。当 Level 0 层的 SST 文件个数超过阈值之后，就会与Level 1 层进行 compaction。通常必须将 Level 0 的所有文件 compaction 到 Level 1 中，因为 Level 0 的文件的 key 是有交叠的。

Level 0 与 Level 1 的 compaction 如下：

图数据库 Nebula Graph TTL 特性

Level 0 与 Level 1 的 compaction

其他 Level 的 compaction 规则一样，以 Level 1与 Level 2 的 compaction 为例进行说明，如下所示：

图数据库 Nebula Graph TTL 特性

Level 1 与 Level 2 的 compaction

当 Level 0 compaction 完成后，Level 1 的文件总大小或者文件数量可能会超过阈值，触发 Level 1 与 Level 2 的 compaction。从 Level 1 层至少选择一个文件 compaction 到 Level 2 的 key 重叠的文件中。compaction 后可能会触发下一个 Level 的 compaction，以此类推。

如果没有 compaction，写入是非常快的，但这样会造成读性能降低，同样也会造成很严重的空间放大问题。为了平衡写入、读取、空间三者的关系，RocksDB 会在后台执行 compaction，将不同 Level 的 SST 进行合并。

TTL compaction 原理

除了上述默认的compaction操作外（sst文件合并），RocksDB 还提供了CompactionFilter 功能，可以让用户自定义个性化的compaction逻辑。Nebula Graph 使用了这个CompactionFilter来定制本文讨论的TTL功能。该功能是 RocksDB 在 compaction 过程中，每读取一条数据时，都会调用一个定制的Filter 函数。TTL compaction 的实现方法就是在 Filter 函数中实现 TTL 过期数据删除逻辑，具体如下：

  1. 首先获取 tag / edge 的 TTL 信息
  2. 然后遍历每个顶点或边数据，取出 ttl_col 列字段值
  3. 根据 ttl_duration 的值加上 ttl_col 列字段值，跟当前时间的时间戳进行比较，然后判断数据是否过期，过期的数据将被删除。

TTL 用法

在图数据库 Nebula Graph 中，edge 和 tag 实现逻辑一致，在这里仅以 tag 为例，来介绍 Nebula Graph 中 TTL 用法。

创建 TTL 属性

Nebula Graph 中使用 TTL 属性分为两种方式：

create tag 时指定 ttl_duration 来表示数据的持续时间，单位为秒。ttl_col 指定哪一列作为 TTL 列。语法如下：

nebula> CREATE TAG t (id int, ts timestamp ) ttl_duration=3600, ttl_col="ts";

当某一条记录的 ttl_col 列字段值加上 ttl_duration 的值小于当前时间的时间戳，则该条记录过期，否则该记录不过期。

  • ttl_duration 的值为非正数时，则点的此 tag 属性不会过期
  • ttl_col 只能指定类型为 int 或者 timestamp 的列名。

或者 create tag 时没有指定 TTL 属性，后续想使用 TTL 功能，可以使用 alter tag 来设置 TTL 属性。语法如下：

nebula> CREATE TAG t (id int, ts timestamp );
nebula> ALTER TAG t ttl_duration=3600, ttl_col="ts";

查看 TTL 属性

创建完 tag 可以使用以下语句查看 tag 的 TTL 属性：

nebula> SHOW CREATE TAG t;
=====================================
| Tag | Create Tag                  |
=====================================
| t   | CREATE TAG t (
  id int,
  ts timestamp
) ttl_duration = 3600, ttl_col = id |
-------------------------------------

修改 TTL 属性

可以使用 alter tag 语句修改 TTL 的属性：

nebula> ALTER TAG t ttl_duration=100, ttl_col="id";

删除 TTL 属性

当不想使用 TTL 属性时，可以删除 TTL 属性：

可以设置 ttl_col 字段为空，或删除配置的 ttl_col 字段，或者设置 ttl_duration 为 0 或者 -1。

nebula> ALTER TAG t1 ttl_col = ""; -- drop ttl attribute

删除配置的 ttl_col 字段：

nebula> ALTER TAG t1 DROP (a); -- drop ttl_col

设置 ttl_duration 为 0 或者 -1：

nebula> ALTER TAG t1 ttl_duration = 0; -- keep the ttl but the data never expires

举例

下面的例子说明，当使用 TTL 功能，并且数据过期后，查询该 tag 的数据时，过期的数据被忽略。

nebula> CREATE TAG t(id int) ttl_duration=100, ttl_col="id";
nebula> INSERT VERTEX t(id) values 102:(1584441231);
nebula> FETCH prop on t 102;
Execution succeeded (Time spent: 5.945/7.492 ms)

注意：

  1. 当某一列作为 ttl_col 值的时候，不允许 change 该列。
    必须先移除 TTL 属性，再 change 该列。
  2. 对同一 tag，index 和 TTL 功能不能同时使用。即使 index 和 TTL 创建于不同列，也不可以同时使用。

edge 同 tag 的逻辑一样，这里就不在详述了。

TTL 的介绍就到此为止了，如果你对图数据库 Nebula Graph 的 TTL 有改进想法或其他要求，欢迎去 GitHub： https://github.com/vesoft-inc/nebula issue 区向我们提 issue 或者前往官方论坛： https://discuss.nebula-graph.io/ 的 Feedback 分类下提建议 ????

作者有话说：Hi，我是 panda sheep，是图数据库 Nebula Graph 研发工程师，对数据库领域非常感兴趣，也有自己的一点点心得，希望写的经验分享能给大家带来帮助，如有不当之处也希望能帮忙纠正，谢谢~


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