A arquitetura distribuída do Spanner permite projetar o esquema para evitar pontos de acesso, situações em que muitas solicitações são enviadas para o mesmo servidor, o que satura os recursos do servidor e pode causar altas latências.
Nesta página, descrevemos as práticas recomendadas para projetar esquemas e evitar a criação de pontos de acesso. Uma maneira de evitar pontos de acesso é ajustar o design do esquema para permitir que o Spanner divida e distribua os dados por vários servidores. A distribuição de dados entre servidores ajuda o banco de dados do Spanner a operar de maneira eficiente, especialmente ao realizar inserções de dados em massa.
Como escolher uma chave primária para evitar pontos de acesso
Conforme mencionado no Modelo de dados e esquema, tenha cuidado ao escolher uma chave primária no design do esquema para não criar, por acidente, pontos de acesso no seu banco de dados. Uma causa de pontos de acesso é ter uma coluna com valor que muda monotonicamente como a primeira parte da chave, porque isso resulta em todas as inserções ocorrendo no final do espaço da chave. Esse padrão não é desejável porque o Spanner usa intervalos de chaves para dividir dados entre servidores, o que significa que todas as inserções são direcionadas para um único servidor que acaba fazendo todo o trabalho.
Por exemplo, suponha que você queira manter uma última coluna de carimbo de data/hora de acesso nas linhas da tabela UserAccessLog. A definição de tabela a seguir usa uma chave primária baseada em carimbo de data/hora como a primeira parte da chave. Isso não é recomendável se a tabela tiver uma alta taxa de inserção:
GoogleSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( LastAccess TIMESTAMP NOT NULL, UserId INT64 NOT NULL, ... ) PRIMARY KEY (LastAccess, UserId);
PostgreSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( LastAccess TIMESTAMPTZ NOT NULL, UserId bigint NOT NULL, ... PRIMARY KEY (LastAccess, UserId) );
O problema aqui é que as linhas são gravadas nesta tabela na ordem do carimbo de data/hora do último acesso e, como esses carimbos de data/hora estão sempre aumentando, eles são sempre gravados no final da tabela. O ponto de acesso é criado porque um único servidor do Spanner recebe todas as gravações, o que sobrecarrega esse servidor.
Essa armadilha está ilustrada no diagrama a seguir:
A tabela UserAccessLog acima inclui cinco linhas de dados de exemplo. Elas representam cinco usuários diferentes que realizam algum tipo de ação do usuário com cerca de um milésimo de segundo de diferença uma da outra. O diagrama também anota a ordem em que o Spanner insere as linhas. As setas rotuladas indicam a ordem das gravações de cada linha. Como as inserções são ordenadas por carimbo de data/hora e o valor dele está sempre aumentando, o Spanner sempre adiciona as inserções ao final da tabela e as direciona na mesma divisão. Conforme discutido em Modelo de dados e esquema, uma divisão é um conjunto de linhas de uma ou mais tabelas relacionadas que o Spanner armazena na ordem da chave de linha.
Isso é um problema porque o Spanner atribui o trabalho a servidores diferentes em unidades de divisão. Assim, o servidor atribuído a essa divisão específica acaba processando todas as solicitações de inserção. À medida que a frequência dos eventos de acesso do usuário aumenta, o mesmo ocorre com a frequência das solicitações de inserção para o servidor correspondente. O servidor fica propenso a se tornar um ponto de acesso e se parece com a borda vermelha e o plano de fundo acima. Observe que, nesta ilustração simplificada, cada servidor processa no máximo uma divisão, mas, na realidade, o Spanner pode atribuir a cada servidor mais de uma divisão.
Quando o Spanner anexa mais linhas à tabela, a divisão cresce e, quando atinge aproximadamente 8 GB, ele cria outra divisão, conforme descrito em Divisão baseada em carga. O Spanner anexa novas linhas subsequentes a essa nova divisão, e o servidor atribuído a ela se torna o novo ponto de acesso potencial.
Quando ocorrem pontos de acesso, as inserções tornam-se lentas e outros trabalhos no mesmo servidor podem ficar mais lentos. Alterar a ordem da coluna LastAccess para ordem crescente não resolverá esse problema, já que todas as gravações serão inseridas na parte superior da tabela, o que ainda enviará todas as inserções para um único servidor.
Prática recomendada de design de esquema nº 1: não escolha uma coluna cujo valor aumente ou diminua monotonicamente como a primeira parte importante de uma tabela de alta taxa de gravação.
Usar um identificador universal exclusivo (UUID, na sigla em inglês)
É possível usar um identificador universal exclusivo (UUID, na sigla em inglês), conforme definido pela RFC 4122 como a chave primária. Recomendamos usar o UUID versão 4, porque ele usa valores aleatórios na sequência de bits. Não recomendamos os UUIDs da versão 1 porque eles armazenam o carimbo de data/hora nos bits de ordem superior.
Existem várias maneiras de armazenar o UUID como chave primária:
- Em uma coluna
STRING(36). - Em um par de colunas
INT64. - Em uma coluna
BYTES(16).
Para uma coluna STRING(36), use a função GENERATE_UUID() do Spanner (GoogleSQL ou PostgreSQL) como o valor padrão da coluna para que o Spanner gere automaticamente valores UUID.
Existem algumas desvantagens em usar um UUID:
- Eles são um pouco grandes, usando 16 bytes ou mais. Outras opções para chaves primárias não utilizam tanto armazenamento.
- Elas não contêm informações sobre o registro. Por exemplo, uma chave primária de
SingerIdeAlbumIdtem um significado inerente, enquanto um UUID não tem. - Você perde localidade entre registros relacionados, e é por isso que o uso de um UUID elimina os pontos de acesso.
Fazer reversão em bits dos valores sequenciais
Verifique se as chaves primárias numéricas (INT64 no GoogleSQL ou bigint no PostgreSQL)
não estão aumentando ou diminuindo sequencialmente. Chaves primárias sequenciais podem causar uso excessivo do ponto de acesso em grande escala. Uma maneira de evitar
esse problema é fazer uma reversão em bits dos valores sequenciais, certificando-se de distribuir
os valores chave primária de maneira uniforme pelo espaço da chave.
O Spanner é compatível com a sequência reversa de bits, que gera valores exclusivos de reversão de bit inteiro. É possível usar uma sequência no primeiro (ou único) componente em uma chave primária para evitar problemas de ponto de acesso. Para mais informações, consulte Sequência revertida de bits.
Trocar a ordem das chaves
Uma maneira de espalhar as gravações no espaço da chave de maneira mais uniforme é trocar a ordem das chaves para que a coluna que contém o valor monotônico não seja a primeira parte da chave:
GoogleSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( LastAccess TIMESTAMP NOT NULL, UserId INT64 NOT NULL, ... ) PRIMARY KEY (UserId, LastAccess);
PostgreSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( LastAccess TIMESTAMPTZ NOT NULL, UserId bigint NOT NULL, ... PRIMARY KEY (UserId, LastAccess) );
Nesse esquema modificado, as inserções agora são ordenadas primeiro por UserId, e não pelo carimbo de data/hora do último acesso cronológico. Esse esquema espalha gravações entre diferentes divisões porque é improvável que um único usuário produza milhares de eventos por segundo.
A seguir, ilustramos as cinco linhas da tabela UserAccessLog que o Spanner ordena com UserId em vez do carimbo de data/hora de acesso:
Aqui, o Spanner divide os dados de UserAccessLog em três divisões, e cada divisão contém aproximadamente mil linhas de valores de UserId ordenados.
Essa é uma estimativa razoável de como os dados do usuário podem ser divididos, supondo que cada
linha contenha cerca de 1 MB de dados do usuário e dado um tamanho máximo de divisão de
aproximadamente 8 GB. Mesmo que os eventos do usuário tenham ocorrido com cerca de um milissegundo de diferença, cada evento foi gerado por um usuário diferente. Portanto, é muito menos provável que a ordem das inserções crie um ponto de acesso em comparação com o uso do carimbo de data/hora para pedidos.
Consulte também as práticas recomendadas relacionadas à ordenação de chaves baseadas em carimbo de data/hora.
Gere o hash da chave única e espalhe as gravações em fragmentos lógicos
Outra técnica comum para espalhar a carga em vários servidores é criar uma coluna que contenha o hash da chave exclusiva real e usar a coluna hash (ou a coluna hash junto com as colunas de chave única) como a chave primária. Esse padrão ajuda a evitar pontos de acesso porque as novas linhas são distribuídas de maneira mais uniforme no espaço da chave.
Você pode usar o valor de hash para criar fragmentos lógicos ou partições em seu banco de dados. Em um banco de dados fisicamente fragmentado, as linhas estão espalhadas por vários servidores de banco de dados. Em um banco de dados logicamente fragmentado, os dados da tabela definem os
fragmentos. Por exemplo, para espalhar gravações na tabela UserAccessLog em N fragmentos lógicos, seria possível preceder uma coluna-chave ShardId à tabela:
GoogleSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( ShardId INT64 NOT NULL, LastAccess TIMESTAMP NOT NULL, UserId INT64 NOT NULL, ... ) PRIMARY KEY (ShardId, LastAccess, UserId);
PostgreSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( ShardId bigint NOT NULL, LastAccess TIMESTAMPTZ NOT NULL, UserId bigint NOT NULL, ... PRIMARY KEY (ShardId, LastAccess, UserId) );
Para calcular o ShardId, gere hash de uma combinação das colunas de chave primária e
calcule o módulo N do hash. Exemplo:
ShardId = hash(LastAccess and UserId) % N
Sua opção de função hash e combinação de colunas determina como as linhas são distribuídas pelo espaço de chave. O Spanner vai criar divisões nas linhas para otimizar o desempenho.
O diagrama abaixo ilustra como o uso de um hash para criar três fragmentos lógicos pode espalhar a taxa de transferência de gravação de maneira mais uniforme entre os servidores:
Aqui, a tabela UserAccessLog é ordenada por ShardId, que é calculada como uma função hash de colunas de chave. As cinco linhas de UserAccessLog são divididas em três fragmentos lógicos, cada um deles, coincidentemente, em uma divisão diferente. As inserções são distribuídas uniformemente entre as divisões, o que equilibra a capacidade de gravação para os três servidores que manipulam as divisões.
O Spanner também permite criar uma função hash em uma coluna gerada.
Para fazer isso no Google SQL, use a função FARM_FINGERPRINT durante o tempo de gravação, conforme mostrado no exemplo a seguir:
GoogleSQL
CREATE TABLE UserAccessLog (
ShardId INT64 NOT NULL
AS (MOD(FARM_FINGERPRINT(CAST(LastAccess AS STRING)), 2048)) STORED,
LastAccess TIMESTAMP NOT NULL,
UserId INT64 NOT NULL,
) PRIMARY KEY (ShardId, LastAccess, UserId);
A escolha da função hash determina quão bem as inserções são distribuídas pelo intervalo de chaves. Você não precisa de um hash criptográfico, mas um hash criptográfico pode ser uma boa opção. Ao escolher uma função hash, você precisa considerar os seguintes fatores:
- Evasão do ponto de acesso. Uma função que resulte em mais valores de hash tende a reduzir os pontos de acesso.
- Eficiência de leitura. As leituras em todos os valores de hash são mais rápidas se houver menos valores de hash a serem verificados.
- Contagem de nós
Usar a ordem decrescente para as chaves baseadas em carimbo de data/hora
Se você tiver uma tabela para seu histórico que usa o carimbo de data/hora como chave, use a ordem decrescente para a coluna da chave se alguma das seguintes condições for aplicável:
- Se você quiser ler o histórico mais recente, estará usando uma tabela intercalada para o histórico e estará lendo a linha pai. Nesse caso, com uma coluna de carimbo de data/hora
DESC, as entradas de histórico mais recentes são armazenadas adjacentes à linha-pai. Caso contrário, a leitura da linha-pai e seu histórico recente exigirão uma busca no meio para pular o histórico mais antigo. - Se você está lendo entradas sequenciais em ordem cronológica inversa, e não sabe exatamente a que distância está indo. Por exemplo, é possível usar uma consulta SQL com
LIMITpara ver os N eventos mais recentes ou planejar cancelar a leitura depois de ler um determinado número de linhas. Nesses casos, comece com as entradas mais recentes e leia sequencialmente entradas mais antigas até que a condição seja atendida, o que o Spanner faz de maneira mais eficiente para chaves de carimbo de data/hora armazenadas em ordem decrescente.
Adicione a palavra-chave DESC para tornar a chave de carimbo de data/hora decrescente. Exemplo:
GoogleSQL
CREATE TABLE UserAccessLog ( UserId INT64 NOT NULL, LastAccess TIMESTAMP NOT NULL, ... ) PRIMARY KEY (UserId, LastAccess DESC);
Prática recomendada de criação do esquema no 2: a ordem decrescente ou crescente depende das consultas do usuário. Por exemplo, a primeira é a mais recente ou a primeira é a mais antiga.
Usar um índice intercalado em uma coluna em que o valor aumenta ou diminui monotonicamente
Assim como no exemplo anterior de chave primária que precisa ser evitado, também não é uma boa ideia criar índices não intercalados em colunas com valores que estão aumentando ou diminuindo monotonicamente, mesmo que não sejam colunas de chave primária.
Por exemplo, suponha que você defina a seguinte tabela, em que LastAccess é uma coluna de chave não primária:
GoogleSQL
CREATE TABLE Users ( UserId INT64 NOT NULL, LastAccess TIMESTAMP, ... ) PRIMARY KEY (UserId);
PostgreSQL
CREATE TABLE Users ( UserId bigint NOT NULL, LastAccess TIMESTAMPTZ, ... PRIMARY KEY (UserId) );
Pode parecer conveniente definir um índice na coluna LastAccess para consultar rapidamente o banco de dados em busca dos acessos de usuários "desde a hora X", como este:
GoogleSQL
CREATE NULL_FILTERED INDEX UsersByLastAccess ON Users(LastAccess);
PostgreSQL
CREATE INDEX UsersByLastAccess ON Users(LastAccess) WHERE LastAccess IS NOT NULL;
No entanto, isso resulta na mesma armadilha descrita na prática recomendada anterior, porque o Spanner implementa índices como tabelas em segundo plano, e a tabela de índice resultante usa uma coluna com valor que aumenta monotonicamente como a primeira parte da chave.
Não há problema em criar um índice intercalado como esse, porque as linhas de índices intercalados são intercaladas em linhas pai correspondentes, e é improvável que uma única linha pai produza milhares de eventos por segundo.
Prática recomendada de criação do esquema no 3: não crie um índice não intercalado em uma coluna com alta taxa de gravação em que o valor aumenta ou diminui monotonicamente. Em vez de usar índices intercalados, use técnicas como as que você usaria para o design da chave primária da tabela base ao projetar colunas de índice. Por exemplo, adicionar "shardId".
A seguir
- Confira exemplos de designs de esquemas.
- Saiba mais sobre carregar dados em massa.