Presto在滴滴的探索与实践

文章作者：armsword 滴滴研发工程师

内容来源：滴滴技术

序曲：Presto在滴滴内部发展三年，已经成为滴滴内部Ad-Hoc和Hive SQL加速的首选引擎。目前服务6K+用户，每天读取2PB ~ 3PB HDFS数据，处理30万亿~35万亿条记录，为了承接业务及丰富使用场景，滴滴Presto需要解决稳定性、易用性、性能、成本等诸多问题。我们在3年多的时间里，做了大量优化和二次开发，积攒了非常丰富的经验。本文分享了滴滴对Presto引擎的改进和优化，同时也提供了大量稳定性建设经验。

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Presto简介

1. 简介
Presto是Facebook开源的MPP（Massive Parallel Processing）SQL引擎，其理念来源于一个叫Volcano的并行数据库，该数据库提出了一个并行执行SQL的模型，它被设计为用来专门进行高速、实时的数据分析。Presto是一个SQL计算引擎，分离计算层和存储层，其不存储数据，通过Connector SPI实现对各种数据源（Storage）的访问。
2. 架构
Presto沿用了通用的Master-Slave架构，一个Coordinator，多个Worker。Coordinator负责解析SQL语句，生成执行计划，分发执行任务给Worker节点执行；Worker节点负责实际执行查询任务。Presto提供了一套Connector接口，用于读取元信息和原始数据，Presto 内置有多种数据源，如 Hive、MySQL、Kudu、Kafka 等。同时，Presto 的扩展机制允许自定义 Connector，从而实现对定制数据源的查询。假如配置了Hive Connector，需要配置一个Hive MetaStore服务为Presto提供Hive元信息，Worker节点通过Hive Connector与HDFS交互，读取原始数据。
3. 实现低延时原理
Presto是一个交互式查询引擎，我们最关心的是Presto实现低延时查询的原理，以下几点是其性能脱颖而出的主要原因：完全基于内存的并行计算、流水线、本地化计算、动态编译执行计划、小心使用内存和数据结构、GC控制、无容错。

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Presto在滴滴的应用

1. 业务场景
  • Hive SQL查询加速
  • 数据平台Ad-Hoc查询
  • 报表（BI报表、自定义报表）
  • 活动营销
  • 数据质量检测
  • 资产管理
  • 固定数据产品
2. 业务规模
3. 业务增长
4. 集群部署
目前Presto分为混合集群和高性能集群，如上图所示，混合集群共用HDFS集群，与离线Hadoop大集群混合部署，为了防止集群内大查询影响小查询， 而单独搭建集群会导致集群太多，维护成本太高，我们通过指定Label来做到物理集群隔离（详细后文会讲到）。而高性能集群，HDFS是单独部署的，且可以访问Druid， 使Presto 具备查询实时数据和离线数据能力。
5. 接入方式
二次开发了JDBC、Go、Python、Cli、R、NodeJs 、HTTP等多种接入方式，打通了公司内部权限体系，让业务方方便快捷的接入 Presto 的，满足了业务方多种技术栈的接入需求。
Presto 接入了查询路由 Gateway，Gateway会智能选择合适的引擎，用户查询优先请求Presto，如果查询失败，会使用Spark查询，如果依然失败，最后会请求Hive。在Gateway层，我们做了一些优化来区分大查询、中查询及小查询，对于查询时间小于3分钟的，我们即认为适合Presto查询，比如通过HBO（基于历史的统计信息）及JOIN数量来区分查询大小，架构图见：

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引擎迭代
我们从2017年09月份开始调研Presto，经历过0.192、0.215，共发布56次版本。而在19年初（0.215版本是社区分家版本），Presto社区分家，分为两个项目，叫PrestoDB和PrestoSQL，两者都成立了自己的基金会。我们决定升级到PrestoSQL 最新版本（340版本）原因是：
  • PrestoSQL社区活跃度更高，PR和用户问题能够及时回复
  • PrestoDB主要主力还是Facebook维护，以其内部需求为主
  • PrestoDB未来方向主要是ETL相关的，我们有Spark兜底，ETL功能依赖Spark、Hive

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引擎改进

在滴滴内部，Presto主要用于Ad-Hoc查询及Hive SQL查询加速，为了方便用户能尽快将SQL迁移到Presto引擎上，且提高Presto引擎查询性能，我们对Presto做了大量二次开发。同时，因为使用Gateway，即使SQL查询出错，SQL也会转发到Spark及Hive上，所以我们没有使用Presto的Spill to Disk功能。这样一个纯内存SQL引擎在使用过程中会遇到很多稳定问题，我们在解决这些问题时，也积累了很多经验，下面将一一介绍：
1. Hive SQL兼容
18年上半年，Presto刚起步，滴滴内部很多用户不愿意迁移业务，主要是因为Presto是ANSI SQL，与HiveQL差距较大，且查询结果也会出现结果不一致问题，迁移成本比较高，为了方便Hive用户能顺利迁移业务，我们对Presto做了Hive SQL兼容。而在技术选型时，我们没有在Presto上层，即没有在Gateway这层做SQL兼容，主要是因为开发量较大，且UDF相关的开发和转换成本太高，另外就是需要多做一次SQL解析，查询性能会受到影响，同时增加了Hive Metastore的请求次数，当时Hive Metastore的压力比较大，考虑到成本和稳定性，我们最后选择在Presto引擎层上兼容。
主要工作：隐式类型转换、语义兼容、语法兼容、支持Hive视图、Parquet HDFS文件读取支持、大量UDF支持，其他。
Hive SQL兼容，我们迭代了三个大版本，目前线上SQL通过率97~99%。而业务从Spark/Hive迁移到Presto后，查询性能平均提升30%~50%，甚至一些场景提升10倍，Ad-Hoc场景共节省80%机器资源。下图是线上Presto集群的SQL查询通过率及失败原因占比，'null' 表示查询成功的SQL，其他表示错误原因：
2. 物理资源隔离
上文说到，对性能要求高的业务与大查询业务方混合跑，查询性能容易受到影响，只有单独搭建集群。而单独搭建集群导致Presto集群太多，维护成本太高。因为目前我们Presto Coordinator还没有遇到瓶颈，大查询主要影响Worker性能，比如一条大SQL导致Worker CPU打满，导致其他业务方SQL查询变慢。所以我们修改调度模块，让Presto支持可以动态打Label，动态调度指定的 Label 机器。如下图所示：
根据不同的业务划分不同的label，通过配置文件配置业务方指定的label和其对应的机器列表，Coordinator会加载配置，在内存里维护集群label信息，同时如果配置文件里label信息变动，Coordinator会定时更新label信息，这样调度时根据SQL指定的label信息来获取对应的Worker机器，如指定label A时，那调度机器里只选择Worker A 和 Worker B 即可。这样就可以做到让机器物理隔离了，对性能要求高的业务查询既有保障了。
3. Druid Connector
使用 Presto + HDFS 有一些痛点：
  • latency高，QPS较低
  • 不能查实时数据，如果有实时数据需求，需要再构建一条实时数据链路，增加了系统的复杂性
  • 要想获得极限性能，必须与HDFS DataNode 混部，且DataNode使用高级硬件，有自建HDFS的需求，增加了运维的负担
所以我们在0.215版本实现了Presto on Druid Connector，此插件有如下优点：
  • 结合 Druid 的预聚合、计算能力（过滤聚合）、Cache能力，提升Presto性能（RT与QPS）
  • 让 Presto 具备查询 Druid 实时数据能力
  • 为Druid提供全面的SQL能力支持，扩展Druid数据的应用场景
  • 通过Druid Broker获取Druid元数据信息
  • 从Druid Historical直接获取数据
  • 实现了Limit下推、Filter下推、Project下推及Agg下推
在PrestoSQL 340版本，社区也实现了Presto on Druid Connector，但是此Connector是通过JDBC实现的，缺点比较明显：
  • 无法划分多个Split，查询性能差
  • 请求查询Broker，之后再查询Historical，多一次网络通信
  • 对于一些场景，如大量Scan场景，会导致Broker OOM
  • Project及Agg下推支持不完善
详细架构图见：
使用了Presto on Druid后，一些场景，性能提升4~5倍。
4. 易用性建设
为了支持公司的几个核心数据平台，包括：数梦、提取工具、数易及特征加速及各种散户，我们对Presto做了很多二次开发，包括权限管理、语法支持等，保证了业务的快速接入。主要工作：
  • 租户与权限
    • 与内部Hadoop打通，使用HDFS SIMPLE协议做认证
    • 使用Ranger做鉴权，解析SQL使Presto拥有将列信息传递给下游的能力，提供用户名+数据库名/表名/列名，四元组的鉴权能力，同时提供多表同时鉴权的能力
    • 用户指定用户名做鉴权和认证，大账号用于读写HDFS数据
    • 支持视图、表别名鉴权
  • 语法拓展
    • 支持add partition
    • 支持数字开头的表
    • 支持数字开头的字段
  • 特性增强
    • insert数据时，将插入数据的总行数写入HMS，为业务方提供毫秒级的元数据感知能力
    • 支持查询进度滚动更新，提升了用户体验
    • 支持查询可以指定优先级，为用户不同等级的业务提供了优先级控制的能力
    • 修改通信协议，支持业务方可以传达自定义信息，满足了用户的日志审计需要等
    • 支持DeprecatedLzoTextInputFormat格式
    • 支持读HDFS Parquet文件路径
5. 稳定性建设
Presto在使用过程中会遇到很多稳定性问题，比如Coordinator OOM，Worker Full GC等，为了解决和方便定位这些问题，首先我们做了监控体系建设，主要包括：
  • 通过Presto Plugin实现日志审计功能
  • 通过JMX获取引擎指标将监控信息写入Ganglia
  • 将日志审计采集到HDFS和ES；统一接入运维监控体系，将所有指标发到 Kafka；
  • Presto UI改进：可以查看Worker信息，可以查看Worker死活信息
通过以上功能，在每次出现稳定性问题时，方便我们及时定位问题，包括指标查看及SQL回放等，如下图所示，可以查看某集群的成功及失败SQL数，我们可以通过定义查询失败率来触发报警：

在Presto交流社区，Presto的稳定性问题困扰了很多Presto使用者，包括Coordinator和Worker挂掉，集群运行一段时间后查询性能变慢等。我们在解决这些问题时积累了很多经验，这里说下解决思路和方法。

根据职责划分，Presto分为Coordinator和Worker模块，Coordinator主要负责SQL解析、生成查询计划、Split调度及查询状态管理等，所以当Coordinator遇到OOM或者Coredump时，获取元信息及生成Splits是重点怀疑的地方。而内存问题，推荐使用MAT分析具体原因。如下图是通过MAT分析，得出开启了FileSystem Cache，内存泄漏导致OOM。

这里我们总结了Coordinator常见的问题和解决方法：
  • 使用HDFS FileSystem Cache导致内存泄漏，解决方法禁止FileSystem Cache，后续Presto自己维护了FileSystem Cache
  • Jetty导致堆外内存泄漏，原因是Gzip导致了堆外内存泄漏，升级Jetty版本解决
  • Splits太多，无可用端口，TIME_WAIT太高，修改TCP参数解决
  • JVM Coredump，显示'unable to create new native thread'，通过修改pid_max及max_map_count解决
  • Presto内核Bug，查询失败的SQL太多，导致Coordinator内存泄漏，社区已修复
而Presto Worker主要用于计算，性能瓶颈点主要是内存和CPU。内存方面通过三种方法来保障和查找问题：
  • 通过Resource Group控制业务并发，防止严重超卖
  • 通过JVM调优，解决一些常见内存问题，如Young GC Exhausted
  • 善用MAT工具，发现内存瓶颈
而Presto Worker常会遇到查询变慢问题，两方面原因，一是确定是否开启了Swap内存，当Free内存不足时，使用Swap会严重影响查询性能。第二是CPU问题，解决此类问题，要善用Perf工具，多做Perf来分析CPU为什么不在干活，看CPU主要在做什么，是GC问题还是JVM Bug。如下图所示，为线上Presto集群触发了JVM Bug，导致运行一段时间后查询变慢，重启后恢复，Perf后找到原因，分析JVM代码，可通过JVM调优或升级JVM版本解决：
这里我们也总结了Worker常见的问题和解决方法：
  • Sys load过高，导致业务查询性能影响很大，研究jvm原理，通过参数（-XX:PerMethodRecompilationCutoff=10000 及 -XX:PerBytecodeRecompilationCutoff=10000）解决，也可升级最新JVM解决
  • Worker查询hang住问题，原因HDFS客户端存在bug，当Presto与HDFS混部署，数据和客户端在同一台机器上时，短路读时一直wait锁，导致查询Hang住超时，Hadoop社区已解决
  • 超卖导致Worker Young GC Exhausted，优化GC参数，如设置-XX:G1ReservePercent=25 及 -XX:InitiatingHeapOccupancyPercent=15
  • ORC太大，导致Presto读取ORC Stripe Statistics出现OOM，解决方法是限制ProtoBuf报文大小，同时协助业务方合理数据治理
  • 修改Presto内存管理逻辑，优化Kill策略，保障当内存不够时，Presto Worker不会OOM，只需要将大查询Kill掉，后续熔断机制会改为基于JVM，类似ES的熔断器，比如95% JVM 内存时，Kill掉最大SQL
6. 引擎优化及调研
作为一个Ad-Hoc引擎，Presto查询性能越快，用户体验越好，为了提高Presto的查询性能，在Presto on Hive场景，我们做了很多引擎优化工作，主要工作：
  • 某业务集群进行了JVM调优，将Ref Proc由单线程改为并行执行，普通查询由30S~1分钟降低为3-4S，性能提升10倍+
  • ORC数据优化，将指定string字段添加了布隆过滤器，查询性能提升20-30%，针对一些业务做了调优
  • 数据治理和小文件合并，某业务方查询性能由20S降低为10S，性能提升一倍，且查询性能稳定
  • ORC格式性能优化，查询耗时减少5%
  • 分区裁剪优化，解决指定分区但获取所有分区元信息问题，减少了HMS的压力
  • 下推优化，实现了Limit、Filter、Project、Agg下推到存储层
18年我们为了提高Presto查询性能，也调研了一些技术方案，包括Presto on Alluxio和Presto on Carbondata，但是这2种方案最后都被舍弃了，原因是：
  • Presto on Alluxio查询性能提升35%，但是内存占用和性能提升不成正比，所以我们放弃了Presto on Alluxio，后续可能会对一些性能要求敏感的业务使用
  • Presto on Carbondata是在18年8月份测试的，当时的版本，Carbondata稳定性较差，性能没有明显优势，一些场景ORC更快，所以我们没有再继续跟踪调研Presto on Carbondata。因为滴滴有专门维护Druid的团队，所以我们对接了Presto on Druid，一些场景性能提升4~5倍，后续我们会更多关注Presto on Clickhouse及Presto on Elasticsearch

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总结

通过以上工作，滴滴Presto逐渐接入公司各大数据平台，并成为了公司首选Ad-Hoc查询引擎及Hive SQL加速引擎，下图可以看到某产品接入后的性能提升：

上图可以看到大约2018年10月该平台开始接入Presto，查询耗时TP50性能提升了10+倍，由400S降低到31S。且在任务数逐渐增长的情况下，查询耗时保证稳定不变。

而高性能集群，我们做了很多稳定性和性能优化工作，保证了平均查询时间小于2S。如下图所示：

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展望

Presto主要应用场景是Ad-Hoc查询，所以其高峰期主要在白天，如下图所示，是网约车业务下午12-16点的查询，可以看到平均CPU使用率在40%以上。

但是如果看最近一个月的CPU使用率会发现，平均CPU使用率比较低，且波峰在白天10~18点，晚上基本上没有查询，CPU使用率不到5%。如下图所示：

所以，解决晚上资源浪费问题是我们今后需要解决的难题。

同时，为了不与开源社区脱节，我们打算升级PrestoDB 0.215到PrestoSQL 340版本，届时会把我们的Presto on Druid代码开源出来，回馈社区。

今天的分享就到这里，谢谢大家。
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