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【技术分享】孙玄：MongoDB在58同城的应用实践

数据库技术大会 2016-09-09
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本文整理自DTCC2016主题演讲内容，录音整理及文字编辑IT168@ZYY@老鱼。如需转载，请先联系本公众号获取授权！
演讲嘉宾
孙玄
58同城技术委员会
架构组主任

58同城高级系统架构师，技术委员会架构组主任，产品技术学院优秀讲师，58同城即时通讯、C2C技术负责人，代表58同城多次参与QCon、SDCC、DTCC、Top100等业界大会嘉宾演讲，并为《程序员》杂志两次撰稿。前百度高级工程师，参与基础系统的设计与实现。毕业于浙江大学。

分享内容

大家好，我是来自58的孙玄，今天分享的主题是《MongoDB在58同城的应用实践》，主要内容如下所示：


首先介绍一下MongoDB在58的使用情况，从2011年到2014年，58基本使用了三年MongoDB，三年中，整个公司的业务线都在大规模使用MongoDB。在2014年，由于技术选型的改变，58配合业务特点做了一些调整。14年和15年，58基本很少使用MongoDB，但随着赶集和英才对MongoDB的频繁使用，58于今年又开始大规模使用MongoDB。
 
就我个人而言，从15年开始真正使用MongoDB，主要应用在业务线上，所以分享的内容主要针对15年之前MongoDB在58的应用案例和实践。随着MongoDB社区的发展，特别是3.0的崛起，可能会略有不足。以上便是此次分享的背景，接下来切入主题。
 

基本上在2014年底，58比较核心的业务线都在使用MongoDB，包括IM，交友，招聘，信息质量，测试以及赶集和英才。现在最核心的数据存储也是采用MongoDB在做，后期由于技术选型以及业务调整，使用量有所下降。


接下来讲一下选用MongoDB的原因，作为一款NoSQL产品，选择的同时我们会考虑到它的特性，主要有如下几方面：
 
一是扩展性，MongoDB提供了两种扩展性，一种是Master—Slave，基于主从复制机制，现在58用的比较多的是Replic Set，实际上就是副本集结构。我们会针对不同的业务项进行垂直拆分。
 
二是高性能，MongoDB在3.0之前，整个的存储引擎依赖于MMAP。MMAP是整个的写内存，就是写磁盘。数据写入内存之后，要通过操作系统的MMAP机制，特别做数据层的，如果数据存多份的话，就可能会造成数据不一致的问题。MongoDB在提供高性能的同时，数据只存一份。这种情况下，设计提供高性能的同时，可以很好地解决数据一致性问题。
 
除此之外，MongoDB也有其他一些特性，包括丰富的查询，full index支持和Auto-Sharding。另外，做任何选择一定要结合业务逻辑。58原来是分类信息网站，主要的业务特征是并发量比较大，但58和电商的自主交易不同，对事务没那么高要求。在这种场景下，选择MongoDB作为核心存储机制，是非常不错的选择。


MongoDB不像关系型数据库，必须定义Schema，MongoDB比较个性化，对Schema的支持也没有那么严格，可以在表里随意更改结构。但free schema是否真的free吗？比如原来的关系型数据库，需要定义每一列的名称和类型，存储时只需存储真正的数据就可以了，schema本身不需要存储。由于MongoDB没有schema的概念，存储的自由度大了，但整个存储空间会带来一些额外开销，毕竟要存储字段名，value值无法改变，但可以减少字段名的长度，比如age可以考虑用A表示。这时可能会出现可读性问题，我们在业务层做了映射，用A代表age。同时，减小整个数据的字段名，通过上层映射解决可读性问题。
 
另外我们还做了数据压缩，其实我们有很多文本数据，文本数据的压缩率还是比较高的，我们对部分业务也采取了数据压缩的方式。在Auto-sharding方面，我们采用库级sharding，collection sharding采用手动sharding。当整个表的行数量比较大时，会进行拆分，把一些比较大的文档切分成小文档，包括这些文档的嵌套存储，都是MongoDB相对于其他关系型数据库而言比较优秀的地方。
 
自动生成_id其实就相当于主键的概念，默认的字段长度是12个字节，整个存储空间的占用比较大，我们尽可能根据业务特征，在业务层把该字段填充成我们自己的字段。如果存储用户信息，该字段可以填成UID，因为UID最大是八个字节。一方面可以减小整个存储空间，另一方面，虽说_id可以在MongoDB服务端生成，但我们尽可能把_id生成工作放在业务层或应用层，可以减少MongoDB在服务端生成_id的开销，写入压力比较大时，整个性能的节省非常明显。


接下来是部署层面，每一个分片上是Replica Set，同时开启Sharding功能，基本结构如上图右边所示，每个分片做一个Sharding，在Sharding上有Replica Set的概念。通过这个架构，所有configs直接通过mongos到shards。增加sharding或者在sharding上做增减，实际上对整个应用是比较透明的。这样部署一方面可以很好的满足业务需求，另一方面可以很好地满足内部扩展和故障转移。
   
另一个比较隐蔽的话题就是sharding操作，大家可能都比较关心，Auto-Sharding到底靠不靠谱。就我个人理解而言，既然要用Auto-sharding，就要解决sharding key的问题。如果选用单一递增的sharding key，可能会造成写数据全部在最后一片上，最后一片的写压力增大，数据量增大，会造成数据迁移到前面的分区。如果选用随机key，的确可以避免写问题，但如果写随机，读就会出现问题，可能会出现大量随机IO，对一些传统磁盘而言影响是致命的。那如何选取合适的sharding-key呢？先要保证该key在整个大范围内单调递增，这样随机选择时，可以保证相对均匀，不会引发其他问题。
  
此外，我们在测试中发现，数据迁移过程中经常会出现一些问题。一旦发生数据迁移，比如从A迁到B片，数据可能同时存在于两片数据上，直至迁移完成，整个数据才会全部存在于B片上。58的业务特点属于中午访问的人很少，这时MongoDB集群的负载比较低，系统会认为此适合进行数据迁移，将会开启Auto-sharding。午饭时间结束之后，访问量就开始逐渐增加。此时，整个迁移尚未完成，不会立即停止，集群的OPS会瞬间从几千掉到几十，这对业务的影响非常大。这时，我们会指定整个sharding的迁移时间，比如从凌晨两点到早上六点这段时间属于业务低峰期，这段时间可以允许sharding进行业务迁移，同时开启数据库级别的分片。这样可以避免Auto-sharding数据迁移带来的问题。
 

另外，做整个设计特别是业务设计时，一定要了解业务发展场景，比如半年或一年内，大概可以增长到什么样的规模，需要提前做预期。根据业务发展情况，就知道大概需要开多少分片，每一片放多少数据量合适。


做整个规划时，也需要考虑容量性能。至少要保证Index数据和Hot Data全部加载到内存中，这样才可以保证MongoDB的高性能，否则性能压力还是蛮大的。2011年开始使用MongoDB时，数据库内存是32g，后来一路上升至196g，其实随着业务的发展，整个硬件投入成本也是蛮高的。实际上如果内存足够大，整个性能情况还是比较令人满意的。   


另外，MongoDB整个数据库是按照文件来存储的，如果有大量表需要删除的话，建议将这些表放到统一的数据库里，将会减少碎片，提高性能。单库单表绝对不是最好的选择，表越多，映射文件越多，从MongoDB的内存管理方式来看，浪费越多；同时，表越多，回写和读取时，无法合并IO资源，大量的随机IO对传统磁盘是致命的；单表数据量大，索引占用高，更新和读取速度慢。
 
另外一个是Local库，Local主要存放oplog，oplog到底设多少合适呢？根据58的经验来看，如果更新比较频繁而且存在延时从库，可以将oplog的值设置的稍微大一点，比如20G到50G，如果不存在延时从库，则可以适当放小oplog值。


针对业务场景设计库和表，因为MongoDB实际上是带有嵌入式功能的，比如以人为例，一个人有姓名，性别，年龄和地址，地址本身又是一个复杂的结构，在关系型数据库里，可能需要设置两张表。但在MongoDB里非常简单，把地址做成嵌套文档就可以了。


表设计无非这几种，一对一，一对多和多对多的关系，一对一关系比如用户信息表，实际上就是明显的一对一关系，类似于关系型数据的设计，用uid替换_id，做一个主键就ok了。


一对多的关系比如用户在线消息表，一个人其实可以收到很多消息，这是明显的一对多关系，可以按照关系型数据库来设计，按行扩展；也可以采用MongoDB嵌套方式来做，把收到的消息存在一个文档里，同时MongoDB对一个文档上的每一行会有限制，如果超过16兆，可能会出现更新不成功的情况。


多对多关系如上图示例，整个包括Team表，User表，还有两者之间的关系表。在关系型数据库里，这是三张表，一张表是整个Team表的元数据，另一张表是User表的元数据，同时还有关系表，表示二者的包含关系。在MongoDB里，可以借助嵌套关系来完成这件事。


每次通过Team表中的teammates反查询得到teamid，Teammates需要建立索引，具体设计可以参照上图。当整个表比较大的时候，可以做手工分表，这点与关系型数据库类似。


当数据库中一个表的数量超过了千万量级时，我们会按照单个id进行拆分，比如用户信息表，我们会按照uid进行拆分。比如一些商品表，既可以按照用户来查询，又可以按照整个人来查询，这时候怎么办呢？


首先对整个表进行分表操作，infoid包含uid的信息，对infoid进行水平拆分，既可以按照uid查询，又可以按照infoid查询，可以很好地满足商品信息表的需求，整体思路还是按照水平拆分的方式。


起初，我们做了IM离线消息集合结构，也就是说，当某人不在线时，我可以把消息先存起来，待他上线时，再把整个消息拉过去。在这个过程中考虑到发生物理删除时，更新压力会比较大，我们采用逻辑更新，在表中设置flag字段，flag为0，表示消息未读，flag为1表示消息已读。批量删除已经读取的离线消息，可以直接采用MongoDB的删除命令，非常简单。但当数据量比较大时，比如达到5KW条时，就没那么简单了，因为flag没有索引，我们晚上20点开始部署删除，一直到凌晨依然没有删除完毕，整个过程报警不断，集群的服务质量大幅下降。


原因很简单，因为你要进行删除，实际上就是做了一个全表扫描，扫描以后会把大量冷数据交换到内存，造成内存里全都是冷数据。当数据高峰期上来以后，一定会造成服务能力急剧下降。怎么解决呢？


首先把正在进行的opid kill掉，至少先让它恢复正常，另外可以在业务方面做优化，最好在用户读完以后，直接把整个逻辑删除掉就OK了。其次，对删除脚本进行优化，以前我们用flag删除时，既没有主键也没有索引，我们每天定期从从库把需要删除的数据导出来，转换成对应的主键来做删除，并且通过脚本控制整个删除速度，整个删除就比较可控了。


另外我们发现，一旦大量删除数据，MongoDB会存在大量的数据空间，这些空洞数据同时也会加载到内存中，导致内存有效负荷低，数据不断swap，导致MongoDB数据库性能并没有明显的提升。


这时的解决方案其实很容易想到，MongoDB数据空间的分配以DB为单位，本身提供了在线收缩功能，不以Collection为单位，整个收缩效率并不是很好，因为是online收缩，又会对在线服务造成影响，这时可以采取线下的解决方案。


方案二，收缩数据库，把已有的空洞数据remove掉，重新生成一份空洞数据。先预热从库，把预热从库提升为主库，把之前主库的数据全部删除，重新同步数据，同步完成后，预热此库，把此库提升为主库，完全没有碎片，收缩率达到100%。但这种方式持续时间长，投入维护成本高，如果只有2个副本的情况下， 收缩过程单点存在一定风险。


这时在线上做对比，我们发现，收缩前大概是85G的数据量，收缩之后是30G，大概节省了50G的存储量，整个收缩效果还是蛮好的，通过这种方式来做还是比较好的。


另外讲一下MongoDB的监控，MongoDB提供了很多监控工具，包括mongosniff，mongostat，mongotop，以及命令行监控，还有第三方监控。我们自己怎么做呢？


我们针对MongoDB本身的性能情况，用的比较多的是mongostat，可以反映出整个服务的负载情况，比如insert，query，update以及delete，通过这些数据可以反映出MongoDB的整体性能情况。


这其中有些字段比较重要，locked表示加锁时间占操作时间的百分比，faults表示缺页中断数量，miss代表索引miss的数量，还包括客户端查询排队长度，当前连接数，活跃客户端数量，以及当前时间，都可以通过字段反映出来。
 

根据经验来说，locked、faults、miss、qr/qw，这些字段的值越小越好，最好都为0，locked最好不要超过10%，faults和miss的原因可能是因为内存不够，内冷数据或索引设置不合理，qr|qw堆积会造成数据库处理慢。


Web自带的控制台监控和MongoDB服务一同开启，可以监控当前MongoDB所有的连接数，各个数据库和collection的访问统计，包括Reads，Writes，Queries等，写锁的状态以及最新的几百行日志文件。


官方2011年发布了MMS监控，MMS属于云监控服务，可视化图形监控。在MMS服务器上配置需要监控的MongoDB信息（ip/port/user/passwd等），在一台能够访问你的MongoDB服务的内网机器上运行其提供的Agent脚本，Agent脚本从MMS服务器获取到你配置的MongoDB信息，Agent脚本连接到相应的MongoDB获取必要的监控数据，Agent脚本将监控数据上传到MMS的服务器，登录MMS网站查看整理过后的监控数据图表。


除此之外，还有第三方监控，因为MongoDB的开源爱好者对它的支持比较多，所以会在常用监控框架上做一些扩展。


以上是MongoDB在58同城的使用情况，包括使用MongoDB的原因，以及针对不同的业务场景如何设计库和表，数据量增大和业务并发时遇到的典型问题及解决方案。
 
今天的分享到此结束，谢谢大家！

关于DTCC
中国数据库技术大会（DTCC）是目前国内数据库与大数据领域最大规模的技术盛宴，于每年春季召开，迄今已成功举办了七届。大会云集了国内外顶尖专家，共同探讨MySQL、NoSQL、Oracle、缓存技术、云端数据库、智能数据平台、大数据安全、数据治理、大数据和开源、大数据创业、大数据深度学习等领域的前瞻性热点话题与技术，吸引IT人士参会5000余名，为数据库人群、大数据从业人员、广大互联网人士及行业相关人士提供了极具价值的交流平台。


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