HStore表全了解：实时入库与高效查询利器

1. 前言

• 适用版本：8.2.1及以上

面对实时入库和实时查询要求越来越高的趋势，已有的列存储无法支持并发更新入库，行存查询性能无法做到实时返回且空间压缩表现不佳。GaussDB(DWS)基于列存储格式设计和实现了全新的HStore表，同时提供高效的并发插入、更新入库，以及高性能实时查询。本文章将从使用者角度介绍HStore概念以及使用。

2. HStore表的背景

为什么要有HStore表呢？在具体讲解HStore表之前，我们先来回顾一下GaussDB(DWS)中几种已有的表类型。

2.1 行存表(row-store)

最基础的表类型，顾名思义，数据按行存储，在实际的物理块中，数据的将按下列图1所示的方式存储：

优势很明显，点查场景下，直接就能索引到行存某行元组的位置，点查性能好。数据库中的系统表就是行存表，对于用户的一些对点查性能要求高或者频繁更新的小表，都推荐用行存表。

2.2 列存表(column-store)

AP场景下，常常需要对某列进行批量查询来做分析业务，这时候采用行存的话就会把所有列都读出来产生冗余IO, 同时AP场景下的表数据量往往很大，行存表压缩暂未商用，使用行存表也会导致占用空间过大。GaussDB(DWS)中的列存表就是针对这种场景实现的，列存表数据的实际存储示意图如下：

列存表将每列的数据批量存储成一个CU(Compress Unit), 能带来了很好的空间压缩与批量查询性能提升，对于一些涉及多表关联的分析类复杂查询、数据不经常更新的表，推荐使用列存表。

2.3 列存带Delta表

对于列存表，如果业务是频繁的小批量插入，那么将产生大量的小CU(单个CU里只有几百条甚至几条数据), 每个列的CU都是有压缩代价的，小CU过多将严重影响列存表的查询性能。列存的Delta表就是针对这种场景实现的，让小批量插入的数据先存储到行存delta表，满6w后由后台autovacuum异步merge到主表CU。如图3所示，需要注意的是列存带Delta表只解决小批量入库产生的小CU问题，不解决同一个CU上的并发更新问题。

3 HStore表介绍

3.1 HStore表的特点

前面提到，虽然列存老Delta表解决了小批量入库产生的小CU问题，但是没有解决同一个CU上的并发更新产生的锁冲突问题。而实时入库的场景下，需要将insert+upsert+update操作实时并发入库，数据来源于上游的其他数据库或者应用，同时要求入库后的数据要能及时查询，且对于查询的效率要求很高。

目前的列存表由于锁冲突的原因无法支持并发upsert/update入库，导致这些有需要的局点只能使用行存表，但是行存表因为格式的天然劣势，在AP查询场景下一方面性能较慢，另一方面由于压缩差导致占用了大量的磁盘空间，对用户产生额外成本。

GaussDB(DWS)中的HStore表， 在使用列存储格式尽量降低磁盘占用的同时，支持高并发的更新操作入库以及高性能的查询效率。面向对于实时入库和实时查询有较强诉求的场景，同时拥有处理传统TP场景的事务能力。HStore表的示意图如下：

3.2 HStore与其它表类型的对比

3.3 HStore的Delta表

HStore表的实现主要依靠一张新设计的delta表以及内存并发控制机制，这里简单讲一下delta表的实现以及简单的观察delta表。

HStore的Delta表主要用于存放入库产生的Insert/Delete/Update操作，小批量Insert的数据会先进入Delta形成一条类型是I(Insert)的记录；删除会往Delta表插入一条类型是D(Delete)的记录；更新操作(Upsert与Update)会拆分成Delete + Insert，会插入一条类型X(表示由更新产生的删除)的记录以及一条类型I的记录；
（类型是U(Update)的记录由轻量化Update产生，不过当前轻量化更新默认关闭，所以不用管。）

可以看到，入库时的Upsert/Update/Delete都会转换成相应类型的记录插入的HStore的Delta表中，再结合内存并发控制机制，就能保证同一个CU上更新于删除操作不会阻塞。同时，由于小批量的插入只会在Delta表上形成一条记录，相比与列存老Delta的直接存储数据，能减少IO占用，提高MERGE效率。

3.4 HStore的视图与函数

当前HStore表提供了视图，可以用来观察Delta表的给类型元组数量以及Delta的膨胀情况。

select * from pgxc_get_hstore_delta_info('tableName');

同时也提供了函数可以对Delta表做轻量清理以及全量清理。

-- 轻量Merge满6万的I记录以及CU上的删除信息,持有四级锁不阻塞业务增删改查，但空间不会还给操作系统。
select hstore_light_merge('tableName'); 
-- 全量Merge所有记录，然后truncate清空Delta表返还空间给系统，不过持有八级锁会阻塞业务。
select hstore_full_merge('tableName');

这里做一个简单的观察实验：

1. 往HStore表上批量插入一百条数据，能看到生成了一条类型是I的记录(n_i_tup 为1)

gaussdb=# create table data(a int primary key, b int);
NOTICE:  CREATE TABLE / PRIMARY KEY will create implicit index "data_pkey" for table "data"
CREATE TABLE
gaussdb=# insert into data values(generate_series(1,100),1);
INSERT 0 100
gaussdb=# create table hs(a int primary key, b int)with(orientation=column, enable_hstore=on);
NOTICE:  CREATE TABLE / PRIMARY KEY will create implicit index "hs_pkey" for table "hs"
CREATE TABLE
gaussdb=# insert into hs select * from data;
INSERT 0 100
gaussdb=# select * from pgxc_get_hstore_delta_info('hs'); --观察hstore表的delta表上的各类型数据
 node_name |      part_name      | live_tup | n_i_type | n_d_type | n_x_type | n_u_type | n_m_type | data_size
-----------+---------------------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+-----------
 dn_1      | non partition table |        1 |        1 |        0 |        0 |        0 |        0 |      8192
(1 row)

2. 执行hstore_full_merge后能观察到Delta表上没有元组(live_tup为0)，并且Delta表的空间大小data_size是0.

gaussdb=# select hstore_full_merge('hs');
 hstore_full_merge
-------------------
                 1
(1 row)

gaussdb=# select * from pgxc_get_hstore_delta_info('hs'); --观察hstore表的delta表上的各类型数据
 node_name |      part_name      | live_tup | n_i_type | n_d_type | n_x_type | n_u_type | n_m_type | data_size
-----------+---------------------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+-----------
 dn_1      | non partition table |        0 |        0 |        0 |        0 |        0 |        0 |         0
(1 row)

3. 执行删除，能观察到Delta表上有一条类型是D的记录（n_d_tup为1）。

gaussdb=# delete hs where a = 1;
DELETE 1
gaussdb=# select * from pgxc_get_hstore_delta_info('hs'); --观察hstore表的delta表上的各类型数据
 node_name |      part_name      | live_tup | n_i_type | n_d_type | n_x_type | n_u_type | n_m_type | data_size
-----------+---------------------+----------+----------+----------+----------+----------+----------+-----------
 dn_1      | non partition table |        1 |        0 |        1 |        0 |        0 |        0 |      8192
(1 row)

其它的操作这里不再一一尝试，感兴趣的读者可以自己下来试一下。

4. HStore表的简单使用实验

4.1 准备工作

当需要使用HStore表时，需要同步修改以下几个清理相关的参数默认值，否则会导致HStore表性能严重劣化。推荐的参数修改配置是：autovacuum_max_workers_hstore=3，autovacuum_max_workers=6，autovacuum=true。

4.2 并发更新实验

在列存表上插入一批数据后，开启两个会话，会话1删除某一条数据，然后不结束事务：

gaussdb=#  create table col(a int , b int)with(orientation=column);
CREATE TABLE
gaussdb=# insert into col select * from data;
INSERT 0 100
gaussdb=# begin;
BEGIN
gaussdb=# delete col where a = 1;
DELETE 1

会话2删除另一条数据，能看到会话2等待会话1，会话1提交后会话2才能继续执行，这就复现了列存的CU锁问题：

gaussdb=# begin;
BEGIN
gaussdb=# delete col where a = 2;

使用HStore表重复上面实验，能观察到会话2直接执行成功，不会锁等待。

gaussdb=# begin;
BEGIN
gaussdb=# delete hs where a = 2;
DELETE 1

4.3 压缩效率实验

1. 构建一张有三百万数据的数据表data

gaussdb=# create table data( a int, b bigint, c varchar(10), d varchar(10));

CREATE TABLE
gaussdb=# insert into data values(generate_series(1,100),1,'asdfasdf','gergqer');
INSERT 0 100
gaussdb=# insert into data select * from data;
INSERT 0 100
gaussdb=# insert into data select * from data;
INSERT 0 200

---循环插入，直到数据量达到三百万

gaussdb=# insert into data select * from data;
INSERT 0 1638400
gaussdb=# select count(*) from data;
  count
---------
 3276800
(1 row)

2. 批量导入到行存表，观察大小为223MB

gaussdb=# create table row (like data including all);
CREATE TABLE
gaussdb=# insert into row select * from data;
INSERT 0 3276800
gaussdb=#  select pg_size_pretty(pg_relation_size('row'));
 pg_size_pretty
----------------
 223 MB
(1 row)

3. 批量导入到列存表，观察大小为3.5MB

gaussdb=# create table hs(a int, b bigint, c varchar(10),d varchar(10))with(orientation= column, enable_hstore=on);
CREATE TABLE
gaussdb=# insert into hs select * from data;
INSERT 0 3276800
gaussdb=#  select pg_size_pretty(pg_relation_size('hs'));
 pg_size_pretty
----------------
 3568 KB
(1 row)

4. 这个表结构比较简单，数据也都是重复数据，所以HStore表的压缩效果很好，一般情况下HStore表相比行存能有3-5倍的压缩。

4.4 批量查询性能实验

还是使用上面建的表，这里简单验证一下批量查询。

1. 查询行存表的第四列，耗时在4s左右

gaussdb=# explain analyze select d from data;
explain analye                                                               QUERY PLAN
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  id |          operation           |        A-time        | A-rows  | E-rows  | Peak Memory  | E-memory | A-width | E-width | E-costs
 ----+------------------------------+----------------------+---------+---------+--------------+----------+---------+---------+----------
   1 | ->  Streaming (type: GATHER) | 4337.881             | 3276800 | 3276800 | 32KB         |          |         |       8 | 61891.00
   2 |    ->  Seq Scan on data      | [1571.995, 1571.995] | 3276800 | 3276800 | [32KB, 32KB] | 1MB      |         |       8 | 61266.00

2. 查询HStore表的第四列，耗时300毫秒左右

gaussdb=# explain analyze select d from hs;
                                                                    QUERY PLAN
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
  id |               operation                |       A-time       | A-rows  | E-rows  |  Peak Memory   | E-memory | A-width | E-width | E-costs
 ----+----------------------------------------+--------------------+---------+---------+----------------+----------+---------+---------+----------
   1 | ->  Row Adapter                        | 335.280            | 3276800 | 3276800 | 24KB           |          |         |       8 | 15561.80
   2 |    ->  Vector Streaming (type: GATHER) | 111.492            | 3276800 | 3276800 | 96KB           |          |         |       8 | 15561.80
   3 |       ->  CStore Scan on hs            | [111.116, 111.116] | 3276800 | 3276800 | [254KB, 254KB] | 1MB      |         |       8 | 14936.80

3. 这里只验证了批量查询场景，该场景下列存以及HStore表相比行存都有很好的查询性能。但在索引点查询场景下，列存是比不上行存的，这里不再做详细对比。

5 HStore表注意事项

5.1 参数设置

HStore依赖后台常驻线程对HStore表进行MERGE清理操作，才能保证查询性能与压缩效率，所以使用HStore表务必设置相关GUC,推荐的配置如下：

autovacuum_max_workers_hstore=3
autovacuum_max_workers=6
autovacuum=true

5.2 并发同一行

当前HStore并发更新同一行仍然是不支持的，其中同一行上并发update/delete操作会先等锁然后报错，同一行上的并发upsert操作会先等锁然后继续执行。由于等待开销也是会影响业务的入库性能，甚至可能产生死锁，所以需要在入库时保证不会并发更新到同一行或者同一个key。

5.3 索引相关

索引会占用额外的空间，同时带来的点查性能提升有限，所以HStore表只建议在需要做Upsert或者有点查（这里指唯一性与接近唯一的点查） 的诉求下创建一个主键或者btree索引。

5.4 MERGE相关

由于HStore表依赖后台autovacuum来将操作MERGE到主表，所以入库速度不能超过MERGE速度，否则会导致delta表的膨胀，可以通过控制入库的并发来控制入库速度。同时由于Delta表本身的空间复用受oldestXmin的影响，如果有老事务存在可能会导致Delta空间复用不及时而产生膨胀。

5.5 UPSERT性能

HStore表虽然相比普通列存，并发upsert入库性能得到了很大提升，但相比行存还是有差距，大概只有行存的1/3。所以在不追求压缩率以及批量查询性能、只追求单点查询性能的场景下，还是推荐行存表入库。