pgbench
pgbench — 進行 PostgreSQL 效能評估
語法
pgbench-i
[option
...] [dbname
]
pgbench
[option
...] [dbname
]
說明
pgbench 是一個簡易型 PostgreSQL 的效能評估工具。它可以重覆執行某一系列的 SQL 指令,也可能進行大量連線的模擬情境,然後計算其平均的交易完成率(TPS, Transaction Per Second)。預設上,pgbench 使用的是 TPC-B 的標準情境,它在 1 個資料交易中會進行 5 個階段的資料操作,包含 SELECT、UPDATE、INSERT 指令。然而,你也可以使用你的腳本,來測試你的情境。
pgbench 大致上的輸出如下:
前 6 行說明該測試中最主要的操作參數。再下一行則是回報交易完成的數量,以及應該執行的數量(由 client 的數量與每個 client 須執行的交易量乘積而得);這兩個數字應該要相等,如果每個交易都完成的話。(使用 -T 模式時,只會回報實際執行的交易數量)最後 2 行則以 TPS 回報,一行採計初始連線時間,另一行則沒有。
預設使用的 TPC-B 情境評估需要特定的資料庫結構,它們必須要在測試前先建立好。所以在測試之前,要先以「-i」參數執行初始化資料庫結構。(如果你使用自訂的情境測試,那就不需要進行這個步驟,但你可能需要另外自行建立你所需要的結構。)初始化指令如下:
dbname 必須是已經存在的資料庫。(也許你需要再加上 -h、-p、--U 等參數來設定資料庫的連線參數。)
注意
pgbench -i 會建立 4 個表格:pgbench_accounts、pgbench_branches、pgbench_history、以及 pgbench_tellers。它會取代掉同名的表格。所以你如果和既有的資料庫共用的話,請注意同名的問題!
預設上,「scale factor」設定為 1,所產生的資料筆數如下:
通常會使用 -s 參數來增加測試資料的數量。選項 -F 也可能在這時候使用。
一旦你完成了這個初始化的動作之後,後續的測試就不需要加上 -i 了:
一般來說,你還會需要加上其他選項以進行更有意義的測試。最主要的測試選項為 -c (模擬用戶數量)、-t(資料交易數量)、-T(限時測試)、還有 -F(指定一個自訂的腳本)。完整選項如下。
選項
下面的部份分成三個小節:資料庫初始化專用選項、評估階段專用選項、一些通用的選項。
資料庫初始化專用選項
pgbench 在資料庫初始化時可以使用下列選項:
-i
--initialize
表示要進行資料庫初始化。
-F fillfactor
--fillfactor=fillfactor
建立 4 個表格:pgbench_accounts、pgbench_branches、pgbench_history、以及 pgbench_tellers。以預設的 fillfactor 填入資料,其預設值為 100。
-n
--no-vacuum
在初始化後不要進行資料庫整理(vacuum)的動作。
-q
--quiet
切換為安靜模式,只會每 5 秒輸出執行階段訊息。預設的模式是每 10,000 筆資料就輸出訊息,通常每秒都有很多行訊息產生(特別是在一些比較好的硬體上執行時)。
-s scale_factor
--scale=scale_factor
資料的數量是以 scale factor 的倍數來計算的。舉例來說,-s 100 將會在表格 pgbench_accounts 中產生 10,000,000 筆資料。其預設為 1。當 scale 到達 20,000 以上時,欄位 aid 就會宣告為 bigint,以有足夠的數值空間來處理。
--foreign-keys
在標準的表格結構之間建立外部鍵。
--index-tablespace=index_tablespace
把索引建在指定的表格空間(tablespace),而非預設的表格空間。
--tablespace=tablespace
把表格建在指定的表格空間,而非預設的表格空間。
--unlogged-tables
把所有表格都建立成無日誌表格,而不是永久性表格。
評估階段專用選項
pgbench 在評估階段可使用下列選項:
-b scriptname[@weight]
--builtin
=scriptname[@weight]
這個選項用於指定要使用哪一個內建的評估情境。而在 @ 後面可以給一個整數,調整產生腳本的機率參數。如果未指定的話,就會設定為 1。目前內建的情境是:tpcb-like、simple-update、select-only。只要是明確內建名稱的前置縮寫(如:tpc、simple、select)都是可以接受的。而有一個特別的名稱是 list,使用這個名稱的話,就只是列出有哪些內建的情境。
-c clients
--client=clients
模擬用戶的數量,指的是同一時間連入資料庫的連線數。預設為 1。
-C
--connect
在每一個交易執行前都重新建立連線,而不是都在同一個用戶連線中完成全部交易。這在測試連線成本時特別有用。
-d
--debug
輸出程式除錯用的訊息。
-D varname=value
--define=varname=value
定義給自訂腳本使用的變數。你可以使用多個 -D 來定義多個變數。
-f filename[@weight]
--file=filename[@weight]
從 filename 所指的檔案取得腳本,組成一個資料交易區段。選擇性的參數 @,後面接的整數,用來調整使用此腳本的機率。詳情後述。
-j threads
--jobs=threads
pgbench 執行緒的數量,能夠有效利用多 CPU 的運算能力。模擬用戶會盡可能平均分配在不同執行緒中執行。預設值為 1。
-l
--log
把執行的記錄存到檔案之中,後續詳述。
-L limit
--latency-limit=limit
交易執行時間超過 limit 以上時,將會被特別計算回報。其單位是 millisecond(千分之一秒)。
而如果也使用了「--rate=...」限流時,被評估一定會超時的交易,就會被跳過不執行,而它們也會被特別回報。
-M querymode
--protocol=querymode
選擇傳送指令的通訊協定:
simple
: 簡單查詢協定。extended
: 延伸查詢協定。prepared
: 延伸查詢協定,並使用預備宣告(prepared statement)方式。
預設是使用簡單查詢協定。(有關查詢協定,請參閱第 52 章)
-n
--no-vacuum
在執行測試評估前不要清理資料庫。如果你使用的是自訂的腳本,而且不包含前述四個內建表格的話,那這個選項是必要的。
-N
--skip-some-updates
使用內建的 simple-update 腳本,和 -b simple-update 是一樣的。
-P sec
--progress=sec
設定每 sec 秒回報一次進度。這個進度回報包含了執行累計時間,目前的 TPS 情況,還有每個進度階段的交易延遲時間平均值與標準差。如果使用 -R 的話,那麼延遲時間是相對於排定的啓動時間,而不是實際開始執行的時間,也就是說,它包含了平均的延遲時間。
-r
--report-latencies
回報每一個指令中每個語的平均回應時間。詳情後述。
-R rate
--rate=rate
執行的方式改為頻率而不是盡可能快速執行(預設)。執行頻率以 TPS 來指定。如果目標執行頻率高於最大可能的執行頻率的話,那就沒有意義。
目標執行頻率是以帕松分配(Poisson-distributed)來安排啓動時間的。預期的啓動時間表會隨用戶第一次開始的時間移動,而不是前一次交易結束的時間。這個方法表示,如果有交易誤點了,它仍有機會隨後趕上。
當限流機制啓動時,最後就會得到交易延遲的報告,其相對的是預排的啓動時間,所以它包含了每個交易必須要等待執行前的時間。等待時間稱作排程延遲時間,而其平均延遲與最大延遲都會被回報。交易延遲是相對於真正的開始執行間時,也就是說,交易在資料庫內被執行的時間,可視為是回報的延遲時間減去排程延遲時間。
如果 --latency-limit 和 --rate 兩個選項一起使用的話,交易可能會落後很多,當前一個交易結束時就已經超時了,因為超時是以排程的開始時間計算的。像這樣的交易就不會被執行了,它會被跳過,然後被統計出來。
如果一個系統有很長的排程延遲時間,那表示這個系統無法負擔超過某個執行頻率,當然需要搭配某個數量的用戶數及執行緒數。當平均的交易執行時間長於兩個交易排定的區間時,每一個接續的交易就會接著失敗,而排程延遲就會更長。當這種情況發生時,你就需要降低執行的頻率。
-s scale_factor
--scale=scale_factor
回報資料庫初始化的 scale factor。對於內建的測試而言,這個選項並不需要;其正確的 scale factor 將會自動以資料表 pgbench_branches 的資料筆數計算而得。而如果測試使用的是自訂的情境腳步的話(選項 -f),那會回報 1。
-S
--select-only
執行內建 select-only 的情境腳步,等同於 -b select-only。
-t transactions
--transactions=transactions
每一個模擬用戶端要執行的交易數量,預設為 10。
-T seconds
--time=seconds
執行限時測試(以秒為單位),而不是固定的交易數量。-t 和 -T 是互斥的選項。
-v
--vacuum-all
在執行測試之前,先整理四個標準的資料表。如果沒有 -n 或 -v 的話,pgbench 會整理 pgbench_tellers 和 pgbench_branches,然後清空 pgbench_history。
--aggregate-interval=seconds
彙整資訊的間隔時間(以秒為單位),通常只和 -l 選項一起使用。這個選項的執行記錄,將會包含每個間隔時間如上所述的彙整資料。
--log-prefix=prefix
設定 --log 所建立檔案的檔名前置名稱。預設是 pgbench_log。
--progress-timestamp
當顯示進度(選項 -P)時,使用時間戳記(Unix epoch)取代相對的執行時間。其單位是秒,精確度至千分之一秒。這個選項用於在多種操作工具間比較時間。
--sampling-rate=rate
取樣率,用於寫入資料到記錄檔時,可以減少記錄的輸出量。如果使用這個選項的話,只有指定比率的記錄會被輸出。如果是 1.0 的話,表示所有記錄都要輸出;而 0.05 的話,表示只輸出 5% 的記錄。
記得取樣率指的是輸出到記錄檔的比率,舉例來說,當計算 TPS 數值時,你會需要多個樣本數來彙整(使用 0.01 的取樣率時,你就只會得到原來百分之一個 TPS 數值輸出)。
通用選項
以下是 pgbench 所支援的通用選項:
-h hostname
--host=hostname
資料庫伺服器的主機名稱。
-p port
--port=port
資料庫伺服器的連接埠號碼。
-U login
--username=login
連線時要使用的使用者名稱。
-V
--version
輸出 pgbench 的版本資訊,然後就結束程式。
-?
--help
顯示 pgbench 的命令列操作資訊,然後結束程式。
進階說明
實際上是什麼樣的交易在 pgbench 中執行呢?
pgbench 會隨機選取在某個列表中的腳本來執行,包含了使用 -b 的內建腳本及 -f 的自訂腳本。每一個腳本都可以使用 @ 來指定其被選取的機率。預設為 1,而設為 0 的話就會被忽略。
預設內建的交易腳本(也就是 -b tpcb-like),使用了七個指令,並且自動隨機代入不同變數:aid、tid、bid、和 balance。這個情境來自於 TPC-B 標準,但不完全符合 TPC-B,所以取名為 tpcb-like。
BEGIN;
UPDATE pgbench_accounts SET abalance = abalance + :delta WHERE aid = :aid;
SELECT abalance FROM pgbench_accounts WHERE aid = :aid;
UPDATE pgbench_tellers SET tbalance = tbalance + :delta WHERE tid = :tid;
UPDATE pgbench_branches SET bbalance = bbalance + :delta WHERE bid = :bid;
INSERT INTO pgbench_history (tid, bid, aid, delta, mtime) VALUES (:tid, :bid, :aid, :delta, CURRENT_TIMESTAMP);
END;
如果你選擇了 simple-update(也是 -N),那麼就不包含步驟 4 和 5。它會避免在這些資料表更新資料的競爭行為,但會接近 TPC-B 一些。
如果你使用了 select-only(也是 -S),就會只有 SELECT 的部份被執行。
自訂腳本
pgbench 支援使用自訂的情境腳步取代內建的測試腳本(如上所述),透過選項 -f 從檔案取得。這種情況的話,一個交易指的就是一個腳本檔案執行一次。
腳本檔案包含一個或多個 SQL 指令,以分號分隔結尾。空白行和以 -- 開頭的行都會被忽略。腳本檔案也可以包含「中繼指令(meta commands)」,用於 pgbench 執行測試時的參考指令,詳述於後。
注意
在 PostgreSQL 9.6 之前,腳本檔案裡的 SQL 指令是以換行結尾的,也就是不能跨行。現在使用分號是必要的了,在分隔連續的 SQL 指令時,你得加上分號(但如果這個 SQL 指令是由中繼指令所執行的話,就不需要分號)。如果你需要建立一份相容性的腳本檔案的話,請確認你的每一條 SQL 指令都是單行,並且以分號結尾。
腳本檔案可以進行簡易的變數代換動作。變數可以由命令列的 -D 來設定,或使用下面所介紹的中繼指令。進一步來說,任何變數都可以使用 -D 選項來預先設定,而在 Table 240 的變數則會自動產生。一旦設定好之後,變數內容就可以使用 :variablename 的形式放入 SQL 指令之中。而每一個模擬用戶的連線中,他們都擁有他們自己的變數內容。
Table 240. Automatic Variables
中繼指令是以倒斜線(\)開頭的指令,一般就到行末結尾,而如果要多行的話,就在行末再加倒斜線。中繼指令的參數是以空白分隔。支援的中繼指令有:
\set varname expression
以 expression 表示式來計算 varname 數變的內容。表示式也可能包含整數常數,像 5432;或雙精確度浮點數 3.14159;或引用其他變數計算而得的表示式,可以使用的函數如後所述。
例如:
\sleep number
[ us | ms | s ]
使腳本執行暫停一段指定的時間,百萬分之一秒(us)、千分之一秒(ms)、或秒(s)。如果省略單位的話,預設是秒。nubmer 可以是整數常數,或引用其他整數變數的內容。
例如:
\setshell varname command
[argument
... ]
設定 varname 的內容是執行另一個命令列指令的結果。該命令列指令必須透過標準輸出回傳整數。
command 和每一個 argument 都可以是文字常數或使用 :variablename 引用其他變數內容。如果你要使用 argument 的話,以冒號開始,而第一個 argument 要再多一個冒號。
例如:
\shell command
[argument
... ]
和 \setshell 一樣,只是不處理回傳值。
例如:
內建函數
Table 241 是 pgbench 內建,可以在 \set 的函數。
Table 241. pgbench Functions
random 函數使用的是均勻分配亂數,也就是在指定範圍內的數值,都有相等的產生機率。random_exponential 和 random_gaussian 則需要額外的參數,來指定精確的分配情況。
指數分配,參數控制其分配情況是透過分段一個快速下降的指數分配,投影在指定範圍間的整數而得。精確來說,以下面的式子計算而得: f(x) = exp(-parameter * (x - min) / (max - min + 1)) / (1 - exp(-parameter)) 區間中某個 i 值的機率為 f(i) - f(i + 1)。 直覺上,越大的輸入參數,就會越多較小的數值被輸出,而較少的大數值產生。如果參數接近 0 的話,就會很接近均勻分配。一個粗略的概念是,機率最高的 1%,落於靠近最小值的一端,機率大概是百分之(parameter)。此參數必須要是正整數。
高斯分配,指定區間會映射到一個標準常態分配的空間(典型的錐型高斯曲線),分佈於 -parameter 及 +parameter 之間。靠中間的值有更高的選取機率。精確來說,如果 PHI(x) 是該常態分配的累計分配函數的話,那麼平均數 mu 就是 (max + min) / 2.0,則: f(x) = PHI(2.0 * parameter * (x - mu) / (max - min + 1)) / (2.0 * PHI(parameter) - 1) 在區間中,數值 i 被選取的機率就是:f(i + 0.5) - f(i - 0.5)。直覺上,parameter 越大,就會有越多中間值被選值,而越小的話,兩側數側被選擇的機率就會增加。約有 67% 的結果會在靠近 1.0 / parameter 中間的值,相對於 0.5 / parameter 近乎在平均值的附近;2.0 / parameter 則是 95% 是靠近中間的值,相對於 1.0 / parameter 近乎在平均值的附近。舉例來說,如果 parameter = 4.0,大概有 67% 的值會來自於中間的四分之一(即 3.0 / 8.0 到 5.0 / 8.0),而 95% 來自於中間的一半(2.0 / 4.0),第二和第三的四分位數之間。以 Box-Muller 轉換的效率來說,parameter 最小值為 2.0。
下面是內建的 TPC-B like 交易的例子:
這個腳本讓每一個交易都引用不同且隨機的資料列。(這個例子也表示出每一個用戶擁有自己的變數的重要性—否則他們不會獨立地操作不同的資料列。)
記錄每筆交易
使用選項 -l(但沒有選項 --aggregate-interval)時,pgbench 將會把每一筆交易都寫入記錄檔。記錄檔的檔名會是 prefix.nnn 的形式,其中的 prefix 預設是 pgbench_log,而 nnn 則是該 pgbench 程序的 PID。prefix 可以由選項 --log-prefix 來指定。如果選項 -j 是 2 以上時,也就是同時有多個執行緒在進行交易,那麼他們會被分別寫入不同的檔案,第一個執行緒會使用前述標準單一執行緒的檔名,而其他的執行緒將會命名為 prefix.nnn.mmm,其中 mmm 則由各執行緒依序編號而得,編號從 1 開始。
記錄檔內容格式如下:
其中 client_id 指的是哪一個用戶的連線代號,transaction_no 計算有多交易在該連線中被執行了,time 是整個交易的持續時間,單位是亳秒,script_no 指出是使用哪一個腳本(當透過 -f 或 -b 使用多個腳本時會很有用),而 time_epoch/timeus 是 Unix-epoch 格式的時間戳記,記錄該交易的完成時間,單位是亳秒(適當地建立一個 ISO 8601 時間戳記再加上小數)。schedule_lag 欄位是交易排程時間的差值,以及實際開始的時間,單位是亳秒,只有在 --rate 使用時才會出現。當 --rate 和 --latecy-limit 一起使用時,time 欄位在被跳過的交易上,會註明 skipped。
這裡是一小段記錄檔案,單一執行緒的結果:
另一個例子,使用 --rate=100 及 --latency-limit=5(注意額外的 schedule_lag 欄位):
在這個例子中,82 號交易誤點了,因為它延遲了 6.173 ms,超過限時的 5 ms。接下來的兩個交易就被跳過了,因為他們在開始前就已經超時了。
當某個主機執行長時間的交易時,記錄檔案可能會變得非常大。選項 --sampling-rate 就可以派上用場,只存下部份的交易樣本。
彙總記錄
使用 --aggregate-interval 選項時,會是另一種記錄檔格式:
其中 interval_start 是區間的起始時間(Unix epoch 時間戳記),num_transactions 是區間裡交易的總數,sum_latency 是區間裡交易的延遲量,sum_latency_2 則是交易延遲的平方和,min_latency 是區間中最短延遲,而 max_latency 則是區間中的最長延遲。接下來的欄位,sum_lag、sum_lag_2、min_lag、max_lag,只有在指定 --rate 選項時才會出現。它們提供了每一個交易等待前一個交易結束時間的統計,也就是每一個交易的排程時間和實際執行時間的差異。而最後一個欄位 skipped,只會出現在也用了 --latency-limit 選項時,它計算交易被跳過的數目,因為他們太晚啓動了。每一個交易在區間中的都會被計算,當該交易被提交時。
這裡是一些輸出範例:
注意,一般的記錄檔(非彙總式)會記錄交易由哪一個腳本產生,但彙總式記錄則不會。所以如果你需要分別不同的腳本彙總,你需要自行處理。
每個指令耗時
使用選項 -r 時,pgbench 就會收集每一個模擬用戶的每一個交易中的每一個指令的耗時,它會以平均值回報,放在最後報告中的每一個指令前。
以預設的腳本,輸出可能會是像這樣:
如果有多個腳本被使用時,結果則會依不同的腳本檔分別回報。
注意收集每一個指令的執行時間也需要計算,會增加些許的負載。這個選項會降低一些平均執行速度和 TPS。具體上會有多少影響則視平台及硬體而定。可以比較切換此選項的 TPS 來瞭解額外負載的情況。
好的作法
使用 pgbench 產生許多無用數字是很簡單的事。這裡提供一些作法,幫助你得到一些有用的結果。
首先,不要相信任何在數秒內就能得到的結果。善用 -t 或 -T 使測試至少能執行好幾分鐘,用平均的方式降低誤差。在某個情境你可能需要幾個小時使得結果數字是可重現的。至少嘗試執行時間數分鐘以上是好主意,可以瞭解你的結果是否具重見性。
對於預設的 TPC-B like 測試情境,scale factor (-s)應該要是一個足夠大的數,超過最大的用戶數(-c),否則你會遭遇更新競爭的情況。因為每個交易都需要更新 pgbench_branches,所以如果 -c 大於 -s 時,將無可避免有些交易會被其他交易暫時阻擋。
預設的測試情境對於資料表被使用多久也很敏感:因為資料表變更會產生廢棄的資料列、資料空間。要瞭解這些情況,你必須追蹤更新資料的總數和整理資料表的時間。如果自動整理的功能開啓了,那麼就會在測試時產生無可預知的變化。
pgbench 的其中一項限制就是它自己也可能是瓶頸,在產生大量模擬用戶時。可以採用在多台主機使用多個 pgbench 來解決這個問題,雖然這樣也會帶來一些網路延遲。不過這樣就可以同時執行許多的 pgbench,在多個主機上,對同一個資料庫進行測試。
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