Global Plan Cache通过共享执行计划缓存优化性能与内存-云原生数据库 PolarDB-阿里云

本文介绍了PolarDB PostgreSQL版（兼容Oracle）的Global Plan Cache功能。

背景信息

在之前的PolarDB中，执行计划缓存（Plan Cache）是和Prepared Statement进行绑定的，这种做法存在以下两个问题：

每个连接的Plan Cache是独立的，无法共享。
每个连接都会缓存一份Plan Cache，导致内存占用较多。

PolarDB PostgreSQL版（兼容Oracle）引入了Global Plan Cache（简称GPC）功能，通过让不同的连接共享同一份Plan Cache来解决以上两个问题。

Plan可以在不同的Prepared Statement、连接之间共享。对于有大量不同SQL的应用程序，GPC可以大大降低内存的使用量，减少OOM（Out of Memory）的风险。此外更高效的Plan Cache机制减少了生成执行计划的代价，因此性能也有所提升。

Plan共享的前提是它们的Query Key是一致的，Query Key组成包括以下几部分：

查询文本。
数据库标识号。
对象搜索路径。
用户ID。

前提条件

PolarDB PostgreSQL版（兼容Oracle）集群默认开启GPC功能。
支持的PolarDB PostgreSQL版（兼容Oracle）的版本如下：
PostgreSQL 11（内核小版本1.1.30及以上）
说明
您可以通过如下语句查看PolarDB PostgreSQL版（兼容Oracle）的内核小版本的版本号：
```
show polar_version;
```

使用限制

仅支持Prepared Statement形式的查询，即不支持PL/SQL场景下的Plan Cache。
仅支持SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE语句。
不支持临时表。

参数说明

参数	说明
polar_gpc_mem	用于设置存放GPC的内存大小。单位：MB。默认值为30 MB，取值不超过shared_buffer的数量。说明参数修改后需要重启集群才能生效。 `polar_gpc_mem`小于等于0时，表示关闭GPC功能；`polar_gpc_mem`大于0时，集群在启动时会预留此时设置的共享内存。当共享内存不足时，新的Plan Cache会暂时存放到本地。当不经常使用或者失效的GPC被清理以后，会释放出共享内存空间，之后本地的Plan Cache会尝试移动到GPC中。
polar_enable_gpc_level	GPC功能的开启级别，允许动态修改。取值如下： 0（默认）：表示不使用GPC。 1：表示仅在只读节点（RO）上使用GPC。 2：表示在主节点（RW）和只读节点上都使用GPC。说明该参数必须与`polar_gpc_mem`配合使用，只有 `polar_gpc_mem`大于0且`polar_enable_gpc_level`大于0时，GPC才能正常工作。如果`polar_gpc_mem`大于0，而`polar_enable_gpc_level`等于0，那么已经使用了GPC的查询可以继续使用，但是新的查询不会继续使用GPC。
polar_gpc_clean_timeout	清理不经常用GPC的时间间隔，可以动态修改，单位：秒。默认值为1800s，取值范围为0~24小时之间的数值。
polar_worker.gpc_clear_interval	清理失效GPC的时间间隔，可以动态修改，单位：秒。默认值为60秒，最大允许设置为 (2^32 - 1)/1000。
polar_gpc_clean_max	一次清理的GPC数量，可以动态修改。默认值为100，取值范围为10~10000之间的数值。
polar_gpc_partitions	用于保存GPC的哈希表数量。默认值为32，取值范围为1~1024之间的数值。说明参数修改后需要重启才能生效。
polar_gpc_entries	每个哈希表中的最大条目数量。默认值为1024，取值范围为1~10000之间的数值。说明参数修改后需要重启才能生效。

使用指南

polar_stat_gpc

通过polar_stat_gpc视图可以查看GPC的整体使用状况。使用方法如下：

SELECT * FROM polar_stat_gpc;

polar_stat_gpc视图中主要指标如下：

get：尝试匹配GPC的次数。
hit：成功匹配到GPC的次数。
store：GPC保存成功的次数。
store_failed：因为暂时的GPC内存不足导致的保存失败次数。如果该值经常上升，说明polar_gpc_mem设置小了。
store_exists：尝试将Local Plan Cache添加到GPC时，发现其他Session已经写入该Plan的次数。

polar_gpc_plan

通过polar_gpc_plan视图可以查看每一个GPC占用的内存情况。使用方法如下：

SELECT * FROM polar_gpc_plan;

polar_gpc_plan视图中主要指标如下：

plan_id：执行计划的ID。
stmt_name：Prepared Statement的名称。
query：查询语句。
used_cnt：该计划被使用的次数。
last_use_time：上次使用该GPC的时间。
is_valid：计划是否有效。

polar_gpc_plan_mcxt

通过polar_gpc_plan_mcxt视图可以查看每一个GPC的MemoryContext信息。使用方法如下：

SELECT * FROM polar_gpc_plan_mcxt;

polar_gpc_plan_mcxt视图中主要指标如下：

plan_id：执行计划的ID。
mcxt_name：MemoryContext的名称。
totalspace：总共的内存空间。
freespace：剩余的内存空间。
used：使用的内容空间。
nblocks：block的数量。

polar_gpc_plan_key

通过polar_gpc_plan_key视图可以查看每个GPC的GPC Key（用于匹配GPC的键）。使用方法如下：

SELECT * FROM polar_gpc_plan_key;

polar_gpc_plan_key视图中主要指标如下：

plan_id：计划的ID。
query：查询语句。
dbid：数据库的ID。
pid：进程号。
num_params：查询语句的参数个数。
search_path：搜索路径。
role_id：用户ID。

polar_prepared_statement

通过polar_prepared_statement视图可以查看GPC中所有的Prepared Statement信息。使用方法如下：

SELECT * FROM polar_prepared_statement;

polar_prepared_statement视图中主要指标如下：

is_saved：Prepared Statement的执行计划是否保存到了GPC。
is_valid：计划是否有效。
cacheable：计划是否可以缓存。

polar_gpc_evict_invalid_gpc

通过polar_gpc_evict_invalid_gpc函数可以手动清理已经失效的GPC。使用方法如下：

SELECT polar_gpc_evict_invalid_gpc();

如果不手动调用该函数，系统默认每隔$polar_worker.gpc_clear_interval秒自动清理一次失效的GPC。

polar_gpc_evict_live_gpc

通过polar_gpc_evict_live_gpc函数可以手动淘汰一些最近不常用的GPC。使用方法如下：

SELECT polar_gpc_evict_live_gpc();

如果不手动调用该函数，系统默认每隔$polar_worker.gpc_clear_interval秒自动淘汰不常用的GPC。