(一)高并发压力测试调优篇——MYSQL数据库的调优

前言

在实际项目开发中,很多业务场景下都需要考虑接口的性能要求,追求高并发、高吞吐量。那么对于此类问题如何入手呢?关注作者,不迷路。本节内容主要介绍在数据库db方面的优化,以mysql数据库为例。

关于db的优化,主要有以下几个方面的优化:

db优化的层面 db优化说明
查询优化 ①使用EXPLAIN: 分析查询执行计划,找出瓶颈。 ②避免直接使用SELECT *: 明确指定需要的列,减少数据传输量。 ③使用JOIN替代子查询: JOIN通常比子查询更高效。 ④减少全表扫描: 尽可能使用索引。 ⑤优化子查询: 使用JOIN或存在子句(EXISTS)替换嵌套子查询。 ⑥避免使用LIKE 'prefix%': 这种形式的LIKE语句会导致全表扫描,除非前缀索引可用。
索引优化 ①创建合适的索引: 索引应基于查询中最常使用的列。 ②使用覆盖索引: 索引中包含所有需要查询的列,避免回表查询。 ③避免过多索引: 过多索引会增加写操作的成本。 ④定期分析和优化索引: 使用ANALYZE TABLE和OPTIMIZE TABLE命令。
配置优化 ①调整my.cnf/my.ini配置文件: 根据服务器硬件调整参数。 ②InnoDB Buffer Pool: 设置为物理内存的60%-80%。 ③Query Cache: MySQL 8.0已弃用,但在之前的版本中,合理配置可以提高性能。 ④Max Connections: 设置合理的连接数,避免资源浪费。 ⑤Thread Cache Size: 减少线程创建和销毁的开销。
存储引擎选择 ①InnoDB: 支持事务,行级锁定,适合写密集型应用。 ②MyISAM: 不支持事务,但读取速度快,适合读密集型应用。 ③MEMORY: 用于临时表和小数据集的快速存储。
硬件优化 ①足够的CPU: 处理复杂的查询和并发请求。 ②充足的内存: 特别是用于InnoDB的Buffer Pool。 ③高速存储: SSD比HDD快得多,减少I/O延迟。 ④网络优化: 高速网络接口,减少网络延迟。
架构优化 ①读写分离: 主从复制,将读操作分散到从服务器。 ②分区: 将大表分割成更小的部分,提高查询效率。 ③集群: 使用MySQL Cluster或Galera Cluster提供高可用性和负载均衡。
定期维护 ①定期检查表: 使用CHECK TABLE命令检测表损坏。 ②定期优化表: 使用OPTIMIZE TABLE命令整理碎片。 ③定期备份: 避免数据丢失
监控与调整 ①性能监控: 使用slow query log,performance_schema等工具监控性能。 ②定期调整: 根据监控结果调整配置和策略。
应用层优化 ①减少不必要的查询: 缓存结果,避免重复查询。 ②优化应用程序代码: 减少数据库交互次数,使用批处理。
安全与合规 ①数据加密: 保护敏感数据。 ②权限管理: 最小权限原则,限制不必要的数据库访问。
[db数据库优化]

本节内容我们主要针对的是单个mysql数据库的优化配置,主要从数据库缓存池的大小设置、数据库最大连接数的设置、数据库表索引的设置着手。以上几个方面的优化配置能够明显提升数据库的性能。通过配合jemeter压测工具来观察优化的结果。本地服务器是14核40G,使用的数据库是mysql8.0。

正文

  • 压测前准备

①创建一个数据库,一张用户表tps_user

CREATE TABLE `tps_user` (
  `id` bigint NOT NULL COMMENT '主键',
  `username` varchar(255) CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_general_ci DEFAULT NULL COMMENT '用户名',
  `password` varchar(255) CHARACTER SET utf8mb4 COLLATE utf8mb4_general_ci DEFAULT NULL COMMENT '密码',
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4 COLLATE=utf8mb4_general_ci COMMENT='tps-用户表';

②使用springboot工程创建一个压测接口,根据用户名查询用户信息

③数据库的默认参数配置

# 默认缓冲池大小: 128M
SHOW VARIABLES LIKE 'innodb_buffer_pool_size';
# 默认最大线程连接数: 200
SHOW VARIABLES LIKE 'max_connections';
# 活跃的连接数
SHOW STATUS LIKE 'Threads_connected';
# 查看所有的线程
SHOW PROCESSLIST;
  • 压测默认缓冲池大小128M,默认数据库连接数200,用户数据一条,应用的数据库连接池最小10,最大设置为50。并发数500、1000、5000、10000
  • 500并发
  • 1000并发
  • 2000并发
  • 5000并发

**结论:**单条数据压测,吞吐量4000左右,不具有参考价值,因为一条数据,默认查询的是缓冲池的数据,查询会走数据库缓存,吞吐量会很高。同时我们也可以看到,随着并发数据的上升,吞吐量基本差别不大,但是响应时间明显会增大。

并发数 吞吐率QPS 平均响应时间
500 4756.1/sec 103ms
1000 4374.9/sec 224ms
2000 4512.6/sec 429ms
5000 3925.9/sec 1237ms
[压力测试结果]
  • 压测默认缓冲池大小128M,默认数据库连接数200,用户数据100万,应用的数据库连接池最小10,最大设置为50。并发数500、1000、5000、10000
  • 生成100万用户测试数据
  • 500并发:随着压测时间的增长,吞吐量基本稳定在11.4左右,响应时间逐渐变大
  • 1000并发:随着压测时间的增长,吞吐量基本稳定在11.4左右,响应时间逐渐变大
  • 2000并发:随着压测时间的增长,吞吐量基本稳定在11.4左右,响应时间逐渐变大
  • 5000并发:随着压测时间的增长,吞吐量基本稳定在11.2左右,响应时间逐渐变大

**结论:**100万用户数据压测,吞吐量只有11左右,可以明显的看到吞吐量急剧下降,而且随着压测时间持续时间的增长,响应时间也在逐渐变大。随着并发数的增大,吞吐率和平均响应时间差别不大,数据基本不会走缓冲,基本都要经过数据库的IO读写操作。数据库此时遇到了瓶颈。

并发数 吞吐率QPS 平均响应时间
500 11.4/sec 28157ms
1000 11.4/sec 36718ms
2000 11.4/sec 31768ms
5000 11.4/sec 33850ms
[压力测试结果]
  • 优化一:将用户的查询字段增加索引,压测的默认配置保持不变。压测默认缓冲池大小128M,默认数据库连接数200,用户数据100万,应用的数据库连接池最小10,最大设置为50。并发数500、1000、5000、10000
  • 增加查询字段的索引
  • 500并发:吞吐量4416,平均响应时间111ms

-1000并发:吞吐量4671,平均响应时间210ms

-2000并发:吞吐量4615,平均响应时间401ms

-5000并发:吞吐量4204,平均响应时间1145ms

**结论:**100万用户数据压测,增加索引后,吞吐量达到4500左右,与不创建索引天差地别,平均响应时间也变为毫秒级,且随着并发访问增大而平均响应时间也增大。为什么吞吐量会变大是因为创建索引后,数据不用全表逐行扫描,能够很快的定位数据的位置,减少数据库IO操作。如果缓存中存在索引数据,则可以完全不用IO操作,直接内存中查询;如果缓存中不存在,且是覆盖索引,则需要一次IO操作;如果缓存中不存在,且不是覆盖索引,则需要俩次IO,一次索引查询,一次用于回表读取数据行;如果是范围查询,则可能需要多次IO操作。由此可见,对于查询操作而言,对于合理的索引创建能够大幅度提高数据库的访问性能。

并发数 吞吐率QPS 平均响应时间
500 4416/sec 111ms
1000 4671/sec 210ms
2000 4615/sec 401ms
5000 4204/sec 1145ms
[压力测试结果]
  • 优化二:增加数据库最大连接数以及应用的数据库连接池个数。将用户的查询字段索引去掉(尽量排除缓存干扰),压测的默认配置保持不变。压测默认缓冲池大小128M,默认数据库连接数改为1000,用户数据100万,应用的数据库连接池最小10,最大设置改为200。并发数500、1000、5000、10000
  • 准备工作1,设置数据库最大连接个数为1000

    SET GLOBAL max_connections=1000;

  • 准备工作1,配置应用的数据库连接池个数最大为200
  • 500并发:吞吐量14.8,平均响应时间25159ms
  • 1000并发:吞吐量17.4,平均响应时间28160ms
  • 2000并发:吞吐量17.6,平均响应时间32575ms
  • 5000并发:吞吐量43.2,平均响应时间7423,开始出现报错

**结论:**100万用户数据压测,不加索引,只通过增加数据库连接数,从结果来看增大数据库连接数,以及数据库连接池的个数,并不能提升数据库的吞吐能力,而且随着并发的提高,出现了错误。

并发数 吞吐率QPS 平均响应时间
500 14.8/sec 25159ms
1000 17.4/sec 28160ms
2000 17.6/sec 32575ms
5000 43.2/sec 7423ms
[压力测试结果]
  • 优化三:在优化二的基础上增加数据库缓冲池的大小为10G。将用户的查询字段索引去掉(尽量排除缓存干扰),压测的默认配置保持不变。数据库连接数改为1000,用户数据100万,应用的数据库连接池最小10,最大设置改为200。并发数500、1000、5000、10000
  • 准备工作1,设置数据库的缓冲池大小为10G
  • 500并发:吞吐量13.9,平均响应时间23497ms
  • 1000并发:吞吐量17.3,,平均响应时间22212ms
  • 2000并发:吞吐量17.3,,平均响应时间20856ms
  • 5000并发:吞吐量230,,平均响应时间1196ms,开始报错

**结论:**100万用户数据压测,不加索引,只通过增加数据库连接数和缓冲池的大小。从结果来看增大数据库连接数、缓冲池大小以及数据库连接池的个数,并不能提升数据库的吞吐能力,而且随着并发的提高,出现了错误。这是因为数据库的查询操作还是会走大量的IO操作,导致吞吐量基本没什么变化。

并发数 吞吐率QPS 平均响应时间
500 13.9/sec 23497ms
1000 17.3/sec 22212ms
2000 17.3/sec 20856ms
5000 230/sec 1196ms
[压力测试结果]
  • 终极优化:数据库查询字段添加索引,缓冲池大小设置为10G,数据库连接数设置为1000,应用连接池个数设置为200,并发数500、1000、5000、10000压测
  • 500并发:吞吐量4455,平均响应时间109
  • 1000并发:吞吐量4524,平均响应时间222
  • 2000并发:吞吐量4463,平均响应时间421
  • 5000并发:吞吐量4397,平均响应时间1170

**结论:**100万用户数据压测,吞吐量能达到4000左右,响应时间基本1秒以内,随着并发请求增大,响应时间也变慢。

并发数 吞吐率QPS 平均响应时间
500 4455/sec 109ms
1000 4524/sec 222ms
2000 4463/sec 421ms
5000 4397/sec 1170ms
[压力测试结果]

结语

通过压测实验,我们可以明确的一点是,数据库的性能瓶颈主要来源于数据库的IO操作,有效的减少数据库的IO操作次数是优化数据库访问性能的关键,有效的创建索引、增加缓冲池大小、以及设置一定比例的数据库连接,能够有效的减少数据库的IO操作,从而提高数据库的访问性能。一般的建议,数据库的缓冲池大小innodb_buffer_pool_size设置为总内存的0.75,数据库最大连接数据设置为内存/12582080个。

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