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教程：Azure Cosmos DB for PostgreSQL 中的工作器节点上的分片数据

项目
08/15/2024

适用对象： Azure Cosmos DB for PostgreSQL（由 PostgreSQL 的 Citus 数据库扩展提供支持）

在本教程中，你将使用 Azure Cosmos DB for PostgreSQL 来了解如何执行以下操作：

创建哈希分布式分片
查看表分片的放置位置
识别倾斜分布
对分布式表创建约束
对分布式数据运行查询

先决条件

本教程需要一个正在运行的群集，该群集具有两个工作器节点。如果没有正在运行的群集，请按照创建群集教程操作，然后再回到本教程。

哈希分布式数据

在多个 PostgreSQL 服务器之间分布表行是 Azure Cosmos DB for PostgreSQL 中可缩放查询的一项关键技术。同时，多个节点可容纳的数据比传统数据库更多，并且在许多情况下，可并行使用工作器 CPU 来执行查询。哈希分布式表概念也称为基于行的分片。

在先决条件部分，我们创建了一个包含两个工作器节点的群集。

协调器和两个工作器

协调器节点的元数据表跟踪工作器和分布式数据。可在 pg_dist_node 表中检查活动工作器。

select nodeid, nodename from pg_dist_node where isactive;

 nodeid | nodename
--------+-----------
      1 | 10.0.0.21
      2 | 10.0.0.23

注意

Azure Cosmos DB for PostgreSQL 上的节点名称是虚拟网络中的内部 IP 地址，你看到的实际地址可能会有所不同。

行、分片和放置

若要使用工作器节点的 CPU 和存储资源，必须在整个群集中分布表数据。分布表会将每一行分配给一个名为“分片”的逻辑组。接下来创建一个表并将其分布：

-- create a table on the coordinator
create table users ( email text primary key, bday date not null );

-- distribute it into shards on workers
select create_distributed_table('users', 'email');

Azure Cosmos DB for PostgreSQL 根据分布列的值将每一行分配给一个分片，在本例中，我们将其指定为 email。每一行只能分配到一个分片，每个分片可以包含多行。

具有指向分片的行的用户表

默认情况下，create_distributed_table() 会生成 32 个分片，在元数据表 pg_dist_shard 中计数即可得到此值：

select logicalrelid, count(shardid)
  from pg_dist_shard
 group by logicalrelid;

 logicalrelid | count
--------------+-------
 users        |    32

Azure Cosmos DB for PostgreSQL 根据分布列中的值的哈希，使用 pg_dist_shard 表将行分配给分片。对于本教程而言，哈希详细信息并不重要。重要的是，可通过查询来查看哪些值映射到哪些分片 ID：

-- Where would a row containing hi@test.com be stored?
-- (The value doesn't have to actually be present in users, the mapping
-- is a mathematical operation consulting pg_dist_shard.)
select get_shard_id_for_distribution_column('users', 'hi@test.com');

 get_shard_id_for_distribution_column
--------------------------------------
                               102008

行到分片的映射是纯逻辑性的。分片必须分配给特定工作器节点进行存储，这在 Azure Cosmos DB for PostgreSQL 中称为“分片放置”。

分配给工作器的分片

可在 pg_dist_placement 中查看分片放置。将其与我们已看到的其他元数据表联接，可显示每个分片的所在位置。

-- limit the output to the first five placements

select
	shard.logicalrelid as table,
	placement.shardid as shard,
	node.nodename as host
from
	pg_dist_placement placement,
	pg_dist_node node,
	pg_dist_shard shard
where placement.groupid = node.groupid
  and shard.shardid = placement.shardid
order by shard
limit 5;

 table | shard  |    host
-------+--------+------------
 users | 102008 | 10.0.0.21
 users | 102009 | 10.0.0.23
 users | 102010 | 10.0.0.21
 users | 102011 | 10.0.0.23
 users | 102012 | 10.0.0.21

数据倾斜

将数据均匀地置于工作器节点上，并将相关数据一起放置在同一工作器上时，群集的运行效率最高。本节将重点介绍第一部分，即放置的一致性。

为了演示，接下来为 users 表创建示例数据：

-- load sample data
insert into users
select
	md5(random()::text) || '@test.com',
	date_trunc('day', now() - random()*'100 years'::interval)
from generate_series(1, 1000);

若要查看分片大小，可在分片上运行表大小函数。

-- sizes of the first five shards
select *
from
	run_command_on_shards('users', $cmd$
	  select pg_size_pretty(pg_table_size('%1$s'));
	$cmd$)
order by shardid
limit 5;

 shardid | success | result
---------+---------+--------
  102008 | t       | 16 kB
  102009 | t       | 16 kB
  102010 | t       | 16 kB
  102011 | t       | 16 kB
  102012 | t       | 16 kB

我们可以看到分片的大小相等。我们已看到放置在工作器节点之间均匀分布，因此可推断这些工作器节点拥有的行数大致相等。

users 示例中的行因分布列 email 的属性而均匀分布。

电子邮件地址数大于或等于分片数。
每个电子邮件地址的行数类似（在我们的示例中，每个地址正好占一行，因为我们将电子邮件声明为键）。

对于选择的任何表和分布列，如果其中任一属性失败，都将导致工作器上的数据大小不均匀，即数据倾斜。

对分布式数据添加约束

使用 Azure Cosmos DB for PostgreSQL，你可继续享有关系数据库的安全性，包括数据库约束。但是，存在一个限制。由于分布式系统的性质，Azure Cosmos DB for PostgreSQL 不会在工作器节点之间交叉引用唯一性约束或引用完整性。

接下来考虑使用具有相关表的 users 表示例。

-- books that users own
create table books (
	owner_email text references users (email),
	isbn text not null,
	title text not null
);

-- distribute it
select create_distributed_table('books', 'owner_email');

为提高效率，我们以与 users 相同的方式分布 books：按所有者的电子邮件地址。按类似的列值进行分布称为归置。

由于键在分布列上，因此可以轻松地向用户分发具有外键的书籍。但是很难将 isbn 设为键：

-- will not work
alter table books add constraint books_isbn unique (isbn);

ERROR:  cannot create constraint on "books"
DETAIL: Distributed relations cannot have UNIQUE, EXCLUDE, or
        PRIMARY KEY constraints that do not include the partition column
        (with an equality operator if EXCLUDE).

在分布式表中，最佳做法是使列对分布列进行唯一取模：

-- a weaker constraint is allowed
alter table books add constraint books_isbn unique (owner_email, isbn);

上述约束只是使每个用户的 isbn 是唯一的。另一种方法是使书籍成为引用表而不是分布式表，并创建单独的分布式表，将书籍与用户相关联。

查询分布式表

在前面的部分中，我们看到了分布式表行如何放置在工作器节点上的分片中。大多数情况下，不需要知道数据在群集中的存储方式或存储位置。 Azure Cosmos DB for PostgreSQL 具有分布式查询执行程序，可自动拆分常规 SQL 查询。它在靠近数据的工作器节点上并行运行这些查询。

例如，可运行查询来查找用户的平均年龄，将分布式 users 表视为协调器上的普通表。

select avg(current_date - bday) as avg_days_old from users;

    avg_days_old
--------------------
 17926.348000000000

通过协调器转到分片的查询

在后台，Azure Cosmos DB for PostgreSQL 执行程序为每个分片创建一个单独的查询，在工作器上运行这些查询，并将结果组合在一起。如果使用 PostgreSQL EXPLAIN 命令，可以看到：

explain select avg(current_date - bday) from users;

                                  QUERY PLAN
----------------------------------------------------------------------------------
 Aggregate  (cost=500.00..500.02 rows=1 width=32)
   ->  Custom Scan (Citus Adaptive)  (cost=0.00..0.00 rows=100000 width=16)
     Task Count: 32
     Tasks Shown: One of 32
     ->  Task
       Node: host=10.0.0.21 port=5432 dbname=citus
       ->  Aggregate  (cost=41.75..41.76 rows=1 width=16)
         ->  Seq Scan on users_102040 users  (cost=0.00..22.70 rows=1270 width=4)

输出显示了在分片 102040（工作器 10.0.0.21 上的表 users_102040）上运行的查询片段的执行计划示例。未显示其他片段，因为它们类似。可以看到工作器节点扫描了分片表，并应用了聚合。协调器节点合并聚合以获得最终结果。

后续步骤

在本教程中，我们创建了一个分布式表，并了解了其分片和放置。我们了解了使用唯一性和外键约束的挑战，最后大致了解了分布式查询的工作原理。

详细了解 Azure Cosmos DB for PostgreSQL 表类型
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