QPS

每秒查询率QPS（Queries-per-second）是对一个特定的查询服务器在规定时间内所处理流量多少的衡量标准，在因特网上，作为域名系统服务器的机器的性能经常用每秒查询率来衡量。

1、介绍

因特网上，作为域名系统服务器的机器的性能经常用每秒查询率来衡量。

对应fetches/sec，即每秒的响应请求数，也即是最大吞吐能力。

2、影响因素

QPS

读取更少的数据

数据越少，检索需要的时间当然越少了。在考虑所有技术手段之前，最有效果的恐怕是从业务的角度审视一下我们是否需要从那么多的数据中检索出结果来。有没有可能用更少的数据达到同样的效果。减少的数据量的两个手段，聚合和抽样。如果在入库之前把数据就做了聚合或者抽样，是不是可以极大地减少查询所需要的时间，同时效果上并无多少差异呢？极端情况下，如果需要的是一天的总访问量，比如有1个亿。查询的时候去数1亿行肯定快不了。但是如果统计好了一天的总访问量，查询的时候只需要取得一条记录就可以知道今天有1个亿的人访问了。

索引是一种非常常见的减少数据读取量的策略了。一般的按行存储的关系型数据库都会有一个主键。用这个主键可以非常快速的查找到对应的行。KV存储也是这样，按照Key可以快速地找到对应的Value。可以理解为一个Hashmap。但是一旦查询的时候不是用主键，而是另外一个字段。那么最糟糕的情况就是进行一次全表的扫描了，也就是把所有的数据都读取出来，然后看要的数据到底在哪里，这就不可能快了。减少数据读取量的最佳方案就是，建立一个类似字典一样的查找表，当我们找username=wentao的时候，可以列举出所有有wentao作为用户名的行的主键。然后拿这些主键去行存储（就是那个hashmap）里捞数据，就一捞一个准了。

索引存在的必要是因为主存储没有提供直接的快速定位的能力。如果访问的就是数据库的主键，那么需要读取的数据也就非常少了。另外一个变种就是支持遍历的主键，比如hbase的rowkey。如果查询的是一个基于rowkey的范围，那么像hbase这样的数据库就可以支持只读取到这个范围内的数据，而不用读取不再这个范围内的额外数据，从而提高速度。这种加速的方式就是利用了主存储自身的物理分布的特性。另外一个更常见的场景就是partition。比如mysql或者postgresql都支持分区表的概念。当我们建立了分区表之后，查找的条件如果可以过滤出分区，那么可以大幅减少需要读取的数据量。比partition更细粒度一些的是clusteredindex。它其实不是一个索引（二级索引），它是改变了数据在主存储内的排列方式，让相同clusteredkey的数据彼此紧挨着放在一起，从而在查询的时候避免扫描到无关的数据。比partition更粗一些的是分库分表分文件。比如我们可以一天建立一张表，查询的时候先定位到表，再执行SQL。比如graphite给每个metric创建一个文件存放采集来的datapoint，查询的时候给定metric就可以定位到一个文件，然后只读取这个文件的数据。

另外还有一点就是按行存储和按列存储的区别。按列存储的时候，每个列是一个独立的文件。查询用到了哪几个列就打开哪几个列的文件，没有用到的列的数据碰都不会碰到。反观按行存储，一张中的所有字段是彼此紧挨在磁盘上的。一个表如果有100个字段，哪怕只选取其中的一个字段，在扫描磁盘的时候其余99个字段的数据仍然会被扫描到的。

考虑一个具体的案例，时间序列数据。如何使用读取更少的数据的策略来提高检索的效率呢？首先，我们可以保证入库的时间粒度，维度粒度是正好是查询所需要的。如果查询需要的是5分钟数据，但是入库的是1分钟的，那么就可以先聚合成5分钟的再存入数据库。对于主存储的物理布局选择，如果查询总是针对一个时间范围的。那么把timestamp做为hbase的rowkey，或者mysql的clusteredindex是合适。这样我们按时间过滤的时候，选择到的是一堆连续的数据，不用读取之后再过滤掉不符合条件的数据。但是如果在一个时间范围内有很多中数据，比如1万个IP，那么即便是查1个IP的数据也需要把1万个IP的数据都读取出来。所以可以把IP维度也编码到rowkey或者clusteredindex中。但是假如另外还有一个维度是OS，那么查询的时候IP维度的rowkey是没有帮助的，仍然是要把所有的数据都查出来。这就是仅依靠主存储是无法满足各种查询条件下都能够读取更少的数据的原因。所以，二级索引是必要的。我们可以把时间序列中的所有维度都拿出来建立索引，然后查询的时候如果指定了维度，就可以用二级索引把真正需要读取的数据过滤出来。但是实践中，很多数据库并不因为使用了索引使得查询变快了，有的时候反而变得更慢了。对于mysql来说，存储时间序列的最佳方式是按时间做partition，不对维度建立任何索引。查询的时候只过滤出对应的partition，然后进行全partition扫描，这样会快过于使用二级索引定位到行之后再去读取主存储的查询方式。究其原因，就是数据本地化的问题了。

数据本地化

数据本地化的实质是软件工程师们要充分尊重和理解底层硬件的限制，并且用各种手段规避问题最大化利用手里的硬件资源。本地化有很多种形态

最常见的最好理解的本地化问题是网络问题。我们都知道网络带宽不是无限的，比本地磁盘慢多了。如果可能尽量不要通过网络去访问数据。即便要访问，也应该一次抓取多一些数据，而不是一次搞一点，然后搞很多次。因为网络连接和来回的开销是非常高的。这就是datalocality的问题。我们要把计算尽可能的靠近数据，减少网络上传输的数据量。

这种带宽引起的本地化问题，还有很多。网络比硬盘慢，硬盘比内存慢，内存比L2缓存慢。做到极致的数据库可以让计算完全发生在L2缓存内，尽可能地避免频繁地在内存和L2之间倒腾数据。

另外一种形态的问题化问题是磁盘的顺序读和随机读的问题。当数据彼此靠近地物理存放在磁盘上的时候，顺序读取一批是非常快的。如果需要随机读取多个不连续的硬盘位置，磁头就要来回移动从而使得读取速度快速下降。即便是SSD硬盘，顺序读也是要比随机读快的。

基于尽可能让数据读取本地化的原则，检索应该尽可能地使用顺序读而不是随机读。如果可以的话，把主存储的rowkey或者clusteredindex设计为和查询提交一样的。时间序列如果都是按时间查，那么按时间做的rowkey可以非常高效地以顺序读的方式把数据拉取出来。类似地，按列存储的数据如果要把一个列的数据都取出来加和的话，可以非常快地用顺序读的方式加载出来。

二级索引的访问方式典型的随机读。当查询条件经过了二级索引查找之后得到一堆的主存储的key，那么就需要对每个key进行一次随机读。即便彼此仅靠的key可以用顺序读做一些优化，总体上来说仍然是随机读的模式。这也就是为什么时间序列数据在mysql里建立了索引反而比没有建索引还要慢的原因。

为了尽可能的利用顺序读，人们就开始想各种办法了。前面提到了mysql里的一行数据的多个列是彼此紧靠地物理存放的。那么如果我们把所需要的数据建成多个列，那么一次查询就可以批量获得更多的数据，减少随机读取的次数。也就是把之前的一些行变为列的方式来存放，减少行的数量。这种做法的经典案例就是时间序列数据，比如可以一分钟存一行数据，每一秒的值变成一个列。那么行的数量可以变成之前的1/60。

但是这种行变列的做法在按列存储的数据库里就不能直接照搬了，有些列式数据库有columnfamily的概念，不同的设置在物理上存放可能是在一起的也可能是分开的。对于Elasticsearch来说，要想减少行的数量，让一行多pack一些数据进去，一种做法就是利用nesteddocument。内部Elasticsearch可以保证一个document下的所有的nesteddocument是物理上靠在一起放在同一个lucene的segment内。

网络的datalocality就比较为人熟知了。mapreduce的大数据计算模式就是利用map在数据节点的本地把数据先做一次计算，往往计算的结果可以比原数据小很多。然后再通过网络传输汇总后做reduce计算。这样就节省了大量网络传输数据的时间浪费和资源消耗。现在Elasticsearch就支持在每个datanode上部署spark。由spark在每个datanode上做计算。而不用把数据都查询出来，用网络传输到spark集群里再去计算。这种数据库和计算集群的混合部署是高性能的关键。类似的还有storm和kafka之间的关系。

网络的datalocality还有一个老大难问题就是分布式大数据下的多表join问题。如果只是查询一个分布式表，那么把计算用mapreduce表达就没有多大问题了。但是如果需要同时查询两个表，就意味着两个表可能不是在物理上同样均匀分布的。一种最简单的策略就是找出两张表中最小的那张，然后把表的内容广播到每个节点上，再做join。复杂一些的是对两个单表做mapreduce，然后按照相同的key把部分计算的结果汇集在一起。第三种策略是保证数据分布的方式，让两张表查询的时候需要用到的数据总在一起。没有完美的方案，也不大可能有完美的方案。除非有一天网络带宽可以大到忽略不计的地步。

更多的机器

这个就没有什么好说的了。多一倍的机器就多一倍的CPU，可以同时计算更多的数据。多一倍的机器就多一倍的磁头，可以同时扫描更多的字节数。很多大数据框架的故事就是讲如何如何通过scaleout解决无限大的问题。但是值得注意的是，集群可以无限大，数据可以无限多，但是口袋里的银子不会无限多的。堆机器解决问题比升级大型机是要便宜，但是机器堆多了也是非常昂贵的。特别是Hive这些从一开始就是分布式多机的检索方案，刚开始的时候效率并不高。堆机器是一个乘数，当数据库本来单机性能不高的时候，乘数大并不能起到决定性的作用。

更高效的计算和计算实现

检索的过程不仅仅是磁盘扫描，它还包括一个可简单可复杂的变换过程。使用hyperloglog，countmin-sketch等有损算法可以极大地提高统计计算的性能。数据库的join也是一个经常有算法创新的地方。

计算实现就是算法是用C++实现的还是用java，还是python实现的。用java是用大Integer实现的，还是小int实现的。不同的语言的实现方式会有一些固定的开销。不是说快就一定要C++，但是python写for循环是显然没有指望的。任何数据检索的环节只要包含python/ruby这些语言的逐条for循环就一定快不起来了。