pingcap 面试小作业

原题

原题如下

内存中的行列结构的数据集，存在主键 k，求 TopN 算法

上述题目在多核环境下的优化

数据集大小为 1TB，分布规律未知。存储在某存储服务上，以 get(min_k, max_k) 接口获取数据，求多台服务器的计算方案

题目理解

首先尝试形式化定义原题，确保在实现前与题目原义对齐。这里使用 golang 作为实现语言。

约定

内存中的行列数据结构以行为数据记录单元，可以使用键值对的形式表示，其中 key 为主键，data 为该行数据。由于需要求 TopN，因此所有行的集合形成一个全序集。暂且不考虑行数据的具体存储编码，将逻辑结构定义为

type Record struct {
	Key   int    // 主键，排序字段
	Data  []byte // 数据
}

题目形式化定义

在以上约定的前提下，这里尝试将原题定义得更形式化，便于消除歧义。

题目

内存中有数据集 records []Record，两个 Record R1 和 R2 的排序等价于 rank 字段的排序，即 R1 > R2 当且仅当 R1.key > R2.key，每个 record 的主键唯一。基于以上定义，完成下列三道题目：

设计单核情况下，查询 records 中最小的 N 个值的 TopN 算法。
在多核情况下，优化 1 中的算法。
考虑分布式情况：数据集大小为 1TB，主键顺序随机，存储在存储服务 Store 上。用户以 get(n, min_k, max_k) 接口获取主键范围在 [min_k, max_k] 内的 TopN 数据，求多台计算节点、一个存储服务、一个请求服务的计算方案。

解答

1. 单核

单核情况下，实现了三种算法解答：quickSort 全排序、quickSelect 选择第 N 个 key、最大堆。

基于 quickSort 的全排序主要作用是作为一个 baseline，排序后直接取 TopN，作为性能和正确性对比的参照物，时间复杂度为 O(nlog(n))，n 为所有 key 的个数。
quickSelect 在 quickSort 的基础上，修改了选取 pivot 后的逻辑，只继续递归包含第 N 个元素的一端，因此整体算法复杂度降低为 O(n)，n 为所有 key 的个数。需要注意，该算法返回的 topN 是不保证有序的。
基于最大堆的 topN 算法，依赖一个最大堆的实现，即堆顶为堆中最大元素。先用前 topN 个 key 建堆，然后遍历所有 key，小于堆顶时替换堆顶 key，并维护堆的 invariants：父节点大于子节点，最终堆内即为 topN 的 key。算法复杂度为 O(nlog(N))，n 为所有 key 的个数，N 为 topN 个数。

以上实现代码主要在 pkg/local/single_core.go 中。

2. 多核

多核情况下，可以利用 goroutine 调度多核进行并行计算，提升算法执行速度。算法并行化的基本思路是，把数据拆分成互不相交的段，分给多个 goroutine 分别计算每段的 topN，再把所有分段结果汇总求 topN。因此，多核情况下需要额外实现的逻辑，主要是：

数据分段
调度和汇总 goroutine 分段计算结果

以上实现代码主要在 pkg/local/multi_core.go 中。

3. 分布式

分布式情况下，采用了 map-reduce 的计算模式，整个系统中包含三个主要组件：分布式存储、计算节点 mapper、计算调度器 master。对于本项目而言，分布式存储的实现并不影响设计，因为一般其暴露给应用层的 API 与传统文件系统类似，因此为了简化实现难度，使用了共享文件存储卷的方式在 mapper 和 master 之间共享数据，测试时利用在多个 docker container 之间挂载同一个 host volume 的方式实现。

同时，文件按照固定大小拆分成 block，为了简化细节，保证每个 record 数据不会跨文件 block，block 末尾不足的字节用 0 字节 pad。在生成数据文件 block 的同时，生成对应的 meta 文件，存放每个 record 数据的长度，简化数据文件编码方式。事实上这种结构在 hadoop 中也存在，即将数据分别存放在 data 和 metadata 分别存放，便于管理。

在此架构下，题目要求的分布式 topN 计算流程描述如下：

master 接收调用请求，生成在文件 block 上计算 key 在 [minKey, maxKey] 范围内 topN 的任务队列
master rpc 调用连接到的 mapper 节点，等待执行队列中的计算任务
如果步骤 2 计算任务失败，将当前任务重新加入任务队列进行重试
如果步骤 2 计算任务成功，master 将 block 中 topN 结果保存到结果队列
master 等待任务队列为空时，本地计算结果队列中的 topN，并返回结果

本项目使用 gRPC 框架实现步骤 2 中描述的 rpc。

测试

1. 单机情况

单核与多核情况下，数据存在于内存，只涉及单机，因此在 pkg/local 中构建了单元测试和性能测试，对实现进行测试。

运行

在项目根目录执行以下命令，运行单元测试和性能测试

go test -v -bench=. -count=1 github.com/dragonly/pingcap_interview/pkg/...

性能测试结果

固定 topN 数量为 N=10，让 record 数量从 1000 开始，以乘以 2 的方式指数增长到 1024000，分别测试单核与多核版本算法性能，并使用 benchmark_local.py 脚本画图，得到 benchmark_local.png 所示的折线图。

图中以 Single 结尾的折线代表单核算法，以 Multi 结尾的代表多核算法。可以看出在当前实现下，效果最好的是基于最大堆的算法，并且在 record 数量大于 32000 之后，多核带来的 overhead 才逐渐被并行带来的加速抵消掉，显示出多核性能优势。由于时间关系和对 golang 的熟悉程度限制，本项目没有对多核情况进行更加深入的优化。

2. 分布式情况

分布式情况的集成测试环境使用 docker-compose.yaml 进行封装，统一测试环境，使测试过程更容易复现。

数据生成

数据生成的参数配置在 config.yaml 里面的 cluster.data 段，具体字段含义见配置文件注释。

编辑配置文件后，执行 go run main.go gen 即可生成 key 顺序随机的 records 文件 block。默认配置会生成 2048 个 512MB 大小的文件 block，总共大小为 1TB。

集成测试

生成数据后，即可进行集成测试。集成测试环境由 docker-compose.yaml 文件定义，执行 docker-compose up --build 命令即可启动集成测试环境。

集成测试中，定义了 3 个 mapper 节点和一个 master 节点，master 启动查询命令后，会连接到 3 个 mapper 节点，并使用 dispatcher/worker 模式新建对应的 goroutine 把具体任务调度给空闲的 worker goroutine，后者会使用 gRPC client 调度 mapper 执行计算任务，等待结果，并返回给 dispatcher，最终在 master 端执行 reduce 操作获取最终 topN 数据。

本地测试

由于 1TB 实在太大，本地使用 1.5G 小数据量进行了测试：blockSize 设置成 512MB，blockNum 设置成 3，即 master 调度每个 mapper 节点计算一个 block 中的 topN 后返回。为了验证分布式计算结果的正确性，pkg/cluster/mapper.go 中实现了 TopNInBlock 和 TopNAll 两个接口，前者只计算请求体中要求的 blockIndex 数据块，与 master 协调实现题目要求的分布式计算过程；而后者则使用单个 mapper 完成所有 block 的计算。分别使用命令

./pingcap_interview cluster getTopNKeysInRange --minKey 0 --maxKey 9223372036854775807 --topN 10 --debug

和

./pingcap_interview cluster getTopNKeysInRange --minKey 0 --maxKey 9223372036854775807 --topN 10 --oneMapper --debug

测试 TopNInBlock 和 TopNAll 接口，区别在于 --oneMapper 参数会使用一个 mapper 计算，即调用 TopNAll。

本地小数据量测试显示，计算结果一致。

随机失败

为了测试任务重试机制，cluster getTopNKeysInRangeCmd 子命令中加入了 --failRate flag，用于控制 mapper 随机失败的比例。比如设置 --failRate 0.5，则任务有 50% 的概率失败，从日志中可以观察到 re-dispatch，即任务被重新分配给空闲的 worker 重试。

使用 --failRate 0.5 和不设置 --failRate，测试结果一致，证明任务重试机制实现正常。

阿里云测试

由于非常想验证题目是否完成，因此买了阿里云 2c-4g 性能突发型实例进行实测🤑。由于只实现了单线程数据生成器，执行 go run main.go gen 后，1TB 数据生成就花了一个多小时😂。

实测运行 TopNInBlock 和 TopNAll 两个接口后，结果一致。

TopNInBlock result:
{"level":"info","keys":[{"Key":20564118785,"Data":""},{"Key":25199421511,"Data":""},{"Key":67318487768,"Data":""},{"Key":71102575907,"Data":""},{"Key":88010636455,"Data":""},{"Key":91038516199,"Data":""},{"Key":182734170678,"Data":""},{"Key":188733214549,"Data":""},{"Key":228505318499,"Data":""},{"Key":259780656828,"Data":""}],"time":1598556283983,"caller":"/app/pkg/cluster/master.go:96","message":"got top n records"}
TopNAll:
{"level":"info","keys":[{"Key":20564118785,"Data":null},{"Key":25199421511,"Data":null},{"Key":67318487768,"Data":null},{"Key":71102575907,"Data":null},{"Key":88010636455,"Data":null},{"Key":91038516199,"Data":null},{"Key":182734170678,"Data":null},{"Key":188733214549,"Data":null},{"Key":228505318499,"Data":null},{"Key":259780656828,"Data":null}],"time":1598585644762,"caller":"/app/pkg/cluster/master.go:144","message":"got top n records"}

这里为了方便对比，Data 字段被置空。

具体测试日志存放在 logs/ 文件夹中。

优化点

经过一些测试，发现整个系统有一些优化点：

IO 时间。mapper 读取文件占用较多时间，比如读 1s 的文件只需要计算几 ms，因此瓶颈主要在文件 IO 上。这种情况可以通过构建索引解决，比如构建一个只包含 key 的二级索引文件，指向数据块文件中对应 record 的 offset，这样只需要加载 key 索引文件就能计算出 topN，在返回的时候仅仅读取 topN 对应 record 数据，大大降低文件 IO 时间。不过这个点不影响题目解答的意思，而且实际情况下分布式系统经常会遇到网络和文件 IO 瓶颈，倒也是挺符合实际🤣。
每次计算需要读取整个 record block，除了上述 IO 时间外，对内存压力也比较大，从这个角度讲也应该做一些索引之类的操作，在计算时只读取 key 部分到内存，返回结果时再读取具体数据。

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