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インメモリーで超高速処理を実現する場合のカギ

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Apache GEODE Meetup Tokyo #2 の資料です。

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インメモリーで超高速処理を実現する場合のカギ

  1. 1. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by Apache GEODE Meetup Tokyo #2 インメモリーで超高速処理を実現する場合のカギ 2016/10/11 ウルシステムズ株式会社 http://www.ulsystems.co.jp mailto:info@ulsystems.co.jp Tel: 03-6220-1420 Fax: 03-6220-1402
  2. 2. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 1 About Me 山河 征紀 Business Private • GEODE歴:9年(Since 2008) • GEODEバグ報告数:nnn 件 • マラソン • 横浜マラソン2016:4h17m • 目標は今年度中のサブ4 • 登山 • 目標はココ
  3. 3. ULS 2 Copyright © 2011-2013 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by インメモリーで 超高速処理を実現する場合のカギ
  4. 4. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 3 処理に応じてデータの分散を繰り返す Apache Geodeでの大量データ処理 処理A 処理B 処理C 処理A 処理B 処理C 処理A 処理B 処理C パーティション リージョン パーティション リージョン パーティション リージョン パーティション リージョン どうしてもメモリーにのらないデータはDiskやRDBへ保持 高速に処理を行うためには、 たくさんのオブジェクトをメモリーへのせることが重要!
  5. 5. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 4 リージョンのおさらい リージョンとは分散するデータを保持する入れ物のこと データの特性によってレプリケーションとパーティションを 使い分ける パーティションレプリケーション すべてのマシンで同一のデータ を保持する 何れかのマシンにデータが存在 する 今回の例で言うと 処理への入出力データは「パーティションリージョン」 マスターデータは「レプリケーションリージョン」
  6. 6. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 5 データは、Javaのヒープメモリ上にJavaのオブジェクトと して管理される Geodeにおけるデータ管理 JVM Cache Region Key Value ABC GGG XYG Region … Region … • インメモリデータへのエントリポイント • アプリケーションはキャッシュを介して、データへの一連の操作を行う • 任意のリージョンにより構成 • 論理的なデータのグループ(RDBにおけるテーブルのイメージ) • Key-Value形式でのデータ管理 • 任意のオブジェクトに対して、一意のKeyを指定 • スキーマの概念はなく、任意のオブジェクトを格納 Cache Region public class Employee { private int employeeNo; private String firstName; private String lastName; private String deptCode; ・・・ ・・・ }
  7. 7. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 6 1. Javaオブジェクトのメモリー使用量 2. 通信レイテンシー 今日、お話したいこと 処理A 処理B 処理C 処理A 処理B 処理C 処理A 処理B 処理C パーティション リージョン パーティション リージョン パーティション リージョン パーティション リージョン
  8. 8. ULS 7 Copyright © 2011-2013 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by Javaオブジェクトのメモリー使用量
  9. 9. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 8 Apache Geodeのメモリー使用量 1億件のオブジェクトをデータ分散してみると… public class ObjectPerson implements Serializable { private Integer id; private String firstName; private String lastName; private Integer age; private Address address; private List<String[]> phoneNumbers; private List<String> emails; private Date createdAt; private Date updatedAt; …(setter/getter略)… JVM サーバ JVM サーバ JVM サーバ JVM サーバ 1億件 データ分散 (パーティション) 1オブジェクト のサイズ 200byte (感覚値) 全体サイズ 20GB (200byte×1億件) 1Nodeあたり メモリ使用量 5GB (20GB÷4Node) 見積値 (感覚)
  10. 10. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 9 Apache Geodeのメモリー使用量 予想を大幅に超えるメモリー使用量! 0.0 GB 20.0 GB 40.0 GB 60.0 GB 80.0 GB 100.0 GB 120.0 GB 140.0 GB 160.0 GB 180.0 GB 見積値 実測値 Server1 Server2 Server3 Server4 見積値の 約9倍! 44.2 GB 45.7 GB 44.5 GB 45.5 GB 179.9 GB 20.0 GB
  11. 11. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 10 なぜJavaオブジェクトが肥大化するのか Javaでは、フィールドが何もないオブジェクトを生成するだ けでも、メモリーを消費してしまう public class EmptyObject { } public class NullSetObject { private String str01 = null; (略) private String str50 = null; private Integer int01 = null; (略) private Integer int50 = null; } String, Integerそれぞれ50個あり、 すべてnullを設定したオブジェクト フィールドがひとつもない オブジェクト それぞれ100万オブジェクト生成し、生成にかかった時間とメモリー使用 量を測定した結果は… EmptyObject NullSetObject 生成時間 17 ms 382 ms メモリー使用量 33.5 MB 430.2 MB 22倍も遅い 13倍も多い
  12. 12. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 11 Stringのために88Byte必要 int配列4Byteのために32Byte必要 なぜJavaオブジェクトが肥大化するのか オブジェクトを1つ生成する毎に、標準のメタデータが必要! メタデータ:クラスポインター、状態フラグ、同期情報フラグなど 標準のメタデータ int 0 24 28 [Byte] 標準のメタデータ サイズ int 0 24 32 [Byte]36 標準のメタデータ Obj固有のメタデータ ポインタ char char標準のメタデータ サイズ char ・・・ 0 5624 48 0 3824 32 int用の4Byteのために24Byte必要 数値をIntegerで保持する場合 数値配列をInteger配列で保持する場合 Stringの場合
  13. 13. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 12 jmapによりオブジェクト数を確認してみると… num #instances #bytes class name ---------------------------------------------- 1: 28000397 896018224 [Ljava.lang.String; 2: 14000714 812049584 [Ljava.lang.Object; 3: 28000000 672000000 java.util.Date 4: 14000012 336000288 java.util.ArrayList 5: 7000000 336000000 geodemeetup2.object.optimize.person.ObjectPerson 6: 14000128 224002048 java.lang.Integer 7: 7000000 224000000 geodemeetup2.object.optimize.person.ObjectAddress 8: 7000001 168001040 [Ljava.lang.Integer; 9: 5254 616936 [C 10: 575 126992 [B 11: 5171 124104 java.lang.String 12: 614 69544 java.lang.Class 13: 879 35160 java.util.LinkedHashMap$Entry 14: 785 31400 java.util.TreeMap$Entry 15: 305 19520 java.net.URL 16: 529 16928 java.util.HashMap$Node 17: 130 12480 java.util.jar.JarFile$JarFileEntry 18: 24 11584 [Ljava.util.HashMap$Node; 19: 138 11040 [Ljava.util.WeakHashMap$Entry; 20: 271 10840 java.lang.ref.Finalizer 21: 135 8640 java.util.jar.JarFile … Total 119019230 3669289272 Dateだけで 670MB! Integerと配列 を合わせて 390MB!
  14. 14. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 13 オブジェクトではなくプリミティブ型を使用 プリミティブ型を使用すれば、このオーバーヘッドは削減で きる public class ObjectPerson implements Serializable { private Integer id; private String firstName; private String lastName; private Integer age; private Address address; private List<String[]> phoneNumbers; private List<String> emails; private Date createdAt; private Date updatedAt; …(setter/getter略)… private int id; private int age; private long createdAt; private long updatedAt; 日付はlongで 表せるので
  15. 15. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 14 プリミティブ型利用によりメモリー使用量削減 num #instances #bytes class name ---------------------------------------------- 1: 28000195 896008088 [Ljava.lang.String; 2: 14000519 812030088 [Ljava.lang.Object; 3: 7000000 392000000 geodemeetup2.object.optimize.person.PrimitiveObjectPerson 4: 14000007 336000168 java.util.ArrayList 5: 7000000 280000000 geodemeetup2.object.optimize.person.PrimitiveObjectAddress 6: 7000101 168003768 [I 7: 2639 402240 [C 8: 2557 61368 java.lang.String 9: 491 55976 java.lang.Class 10: 785 31400 java.util.TreeMap$Entry 11: 9 25008 [B 12: 283 11320 java.util.LinkedHashMap$Entry 13: 158 10112 java.net.URL 14: 283 6792 java.io.ExpiringCache$Entry 15: 69 4968 java.lang.reflect.Field 16: 256 4096 java.lang.Integer 17: 10 3760 java.lang.Thread … Total 77009353 2884700216 Date、Integerは 出現しなくなった オブジェクト数、 バイト数ともに削減 (約780MB)Total 119019230 3669289272 before
  16. 16. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 15 オブジェクト内のすべてのフィールドを1つのバイト配列とし て保持! 通常のオブジェクト 究極のオーバーヘッド削減コンセプト Person String firstName String lastName Integer age Address address Integer[] phoneNumber Taro Yamada 32 03 1234 5678 Taro Yamada 32 03 1234 5678 YY-ZZ ABCマンションNNN2 1 2神奈川県横浜市XX区YY-ZZ ABCマンションNNN 1つのバイト配列としたオブジェクト 列挙型 共有オブジェクト Person byte[] data Taro Yamada 32 0312345678 String[] prefectureList 東京都,神奈川県,埼玉県,… String[] cityList 横浜市,川崎市,… YY-ZZ ABCマンションNNN2 1 2 1つのbyte配列として 保持することで オーバーヘッドを0へ リスト型データの場合、 内部的にリスト番号で 保持することにより さらにデータを削減
  17. 17. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 16 バイト配列オブジェクトのメモリー使用量 Javaのオーバーヘッドを大幅に削減! 45.5 GB 8.4 GB 44.5 GB 8.4 GB 45.7 GB 8.4 GB 44.2 GB 8.7 GB 0.0 GB 20.0 GB 40.0 GB 60.0 GB 80.0 GB 100.0 GB 120.0 GB 140.0 GB 160.0 GB 180.0 GB 実測値(オブジェクト) 実測値(バイト配列) Server1 Server2 Server3 Server4 約81% 削減 179.9 GB 33.9 GB
  18. 18. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 17 加えて、GC処理の発生を大幅に低減 メモリー使用量の削減のみならず、GCへの影響を極小化し てパフォーマンスも向上! 22.8 sec 12.2 sec 22.9 sec 12.1 sec 22.8 sec 12.1 sec 22.8 sec 12.0 sec 0.0 sec 10.0 sec 20.0 sec 30.0 sec 40.0 sec 50.0 sec 60.0 sec 70.0 sec 80.0 sec 90.0 sec 100.0 sec オブジェクト バイト配列 GC時間 Server1 Server2 Server3 Server4 オブジェクト数が少ないため GC時間も少ない 91.2 sec 48.3 sec
  19. 19. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 18 バイト配列オブジェクトの実装 オブジェクト内部のデータはバイト配列のみ public class ObjectPerson implements Serializable { private Integer id; private String firstName; … public class BinaryPerson implements Externalizable { private byte[] data = new byte[150]; 通常のオブジェクトの場合 バイト配列オブジェクトの場合
  20. 20. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 19 バイト配列オブジェクトの実装 アクセサ(setter,getter)呼び出し時にバイト配列を検索 public void setId(Integer id) { this.id = id; } public Integer getId() { return id; } public void setId(Integer id) { int offset = 0; int val = id.intValue(); data[offset] = (byte) (val >>> 24); data[offset + 1] = (byte) (val >>> 16); data[offset + 2] = (byte) (val >>> 8); data[offset + 3] = (byte) (val); } public Integer getId() { int offset = 0; int val = 0; for (int i = 0; i < 4; i++) val = (val << 8) + (data[offset + i] & 0xff); return Integer.valueOf(val); } 通常のオブジェクトの場合 バイト配列オブジェクトの場合
  21. 21. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 20 バイト配列オブジェクトの実装 アクセサ(setter,getter)呼び出し時にバイト配列を検索 public void setFirstName( String firstName) { this.firstName = firstName; } public String getFirstName() { return firstName; } public void setFirstName(String firstName) { int offset = 22; String val = firstName; byte[] bytes = val.getBytes(); int newLen = data.length + 2 + bytes.length; byte[] newBytes = new byte[newLen]; System.arraycopy(data, 0, newBytes, 0, data.length); data = newBytes; data[offset] = (byte) (bytes.length >>> 8); data[offset + 1] = (byte) (bytes.length); System.arraycopy(data, offset + 2, bytes, 0, bytes.length); } public String getFirstName() { int offset = 22; int len = 0; for (int i = 0; i < 2; i++) len = (len << 8) + (data[offset + i] & 0xff); byte[] byteString = new byte[(short) len]; System.arraycopy(data, offset + 2, byteString, 0, len); return new String(byteString); } 通常のオブジェクトの場合 バイト配列オブジェクトの場合
  22. 22. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 21 バイト配列オブジェクトのjmap num #instances #bytes class name ---------------------------------------------- 1: 7000572 1568125136 [B 2: 7000000 112000000 geodemeetup2.object.optimize.person.BinaryPerson 3: 714 28049584 [Ljava.lang.Object; 4: 5264 617488 [C 5: 5181 124344 java.lang.String 6: 616 69752 java.lang.Class 7: 879 35160 java.util.LinkedHashMap$Entry 8: 785 31400 java.util.TreeMap$Entry 9: 305 19520 java.net.URL 10: 397 18224 [Ljava.lang.String; 11: 529 16928 java.util.HashMap$Node 12: 130 12480 java.util.jar.JarFile$JarFileEntry 13: 24 11584 [Ljava.util.HashMap$Node; 14: 138 11040 [Ljava.util.WeakHashMap$Entry; 15: 269 10760 java.lang.ref.Finalizer 16: 135 8640 java.util.jar.JarFile … Total 14019353 1709288312 ほぼバイト配列 のみ! もとのオブジェクトから 約2GB削減! Total 119019230 3669289272 before
  23. 23. ULS 22 Copyright © 2011-2013 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 通信レイテンシー
  24. 24. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 23 Apache GeodeではPut等のデータ操作処理においてサーバ を跨いだ通信が発生 データ分散による通信 サーバ#1 オブジェクト シリアライズ処理 バイト配列 サーバ#2 オブジェクト デシリアライズ処理 バイト配列 通信 Put等 Event Latency CPUキャッシュアクセス(L2) 3 ns メモリーアクセス 120 ns SSDディスク I/O 150,000 ns 同一データセンター内通信 500,000 ns ディスク I/O 10,000,000 ns 通信は、メモリーで完 結する処理に比べ、 4000倍以上も開きが ある
  25. 25. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 24 高速処理を行うためには、次の2つが重要! 高速処理を実現する上で大事なこと パフォーマンス シリアライズ 処理時間 通信時間= + 高速シリアライザー 通信プロトコル と コンパクトなデータ
  26. 26. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 25 シリアライズ処理とは メモリー上に存在する情報を、ネットワークを超えた別の JVMでも、同じデータとして扱えるようにする形式へ変換す ること メモリー(Javaヒープ) T a r o 3 2 Y a m a d a t a r o . y a m a d a @ e x a m p l e . c o m Person String firstName Taro String lastName Yamada Integer age 32 String Email taro.yamada@example.com <Person> <firstName>Taro</firstName> <lastName>Yamada</lastName> <age>32</age> </Person> { "firstName" : "Taro", "lastName" : "Yamada", "age" : 32 } XMLの場合 JSONの場合 TaroYamada32 バイナリーの場合 代表的なシリアライズ形式
  27. 27. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 26 通信プロトコル Geodeではアプリケーションの特性やクラスタ構成によって 次のプロトコルが選択可能 通信箇所 通信プロトコル クラスタ間の通信 TCP (デフォルト) 信頼性が高いが低速 UDPユニキャスト TCPより信頼性が低いが高速 ※独自にデータの到達確認を行い 信頼性を向上させている UDPマルチキャスト 大規模クラスタで有効 クライアント-サーバ 間の通信 TCP クライアント
  28. 28. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 27 シリアライズ/デシリアライズ 通信の際のデータのシリアライズ/デシリアライズ処理は選択することが 可能 オブジェクトの更新部分が一定となる場合は差分のみのシリアライズを 行うことで通信時のデータサイズをさらに圧縮することが出来る シリアライズ方式 備考 Java標準の方式 (java.io.Serializable) Java以外のクライアントと通 信することが出来ない Geode独自の高速シリアライズ方式 (com.gemstone.gemfire.DataSerializable) 処理速度は最速となる PDX方式(Geode独自) (Portable Data eXchange) 異なるバージョンのオブジェク トでも通信することが出来る シリアライズ方式毎の処理速度の比較
  29. 29. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 28 まとめ Javaオブジェクトのメモリー使用量 –Javaのオーバーヘッドは予想以上に大きい –プリミティブ型の方がメモリー使用量は少ない –オブジェクト内部を1つのバイト配列で表現するのが究極 –オブジェクト数の削減はGC処理にも効果あり 通信レイテンシー –高速処理を実現するためには以下の選択が重要 通信プロトコル 高速シリアライザー 通信データをコンパクトに
  30. 30. ULS Copyright © 2011-2016 UL Systems, Inc. All rights reserved. Proprietary & Confidential Powered by 29 宣伝:簡易にメモリー使用量の削減できる! Memory Optimizer

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