A História do Hekaton - Parte 1

Hekaton é uma funcionalidade que faz parte do “In-Memory Database” e está disponível a partir do SQL Server 2014.

Neste post quero mostrar um lado diferente do Hekaton. Vejo muita gente falando sobre a melhoria significativa de desempenho ao manter as tabelas em memória. Entretanto, o Hekaton não é exatamente isso! E, se fosse, deveria ser chamado de DBCC PINTABLE.

Introdução

A funcionalidade denominada Hekaton nasceu a partir de uma constatação simples: as consultas T-SQL demoram milissegundos, enquanto que códigos nativos rodam em microssegundos. Veja o exemplo abaixo:

Esse código é centenas de vezes mais rápido do que o equivalente em T-SQL:

Qual o motivo dessa diferença de desempenho? Um grupo de pesquisadores da Microsoft Research junto com o time de desenvolvimento SQL Server trouxeram a possibilidade de empregar .NET como forma de codificação nativa no servidor. Afinal, por que não permitir que o SQL Server atinja esse desempenho de microssegundos? Além disso, por que não remover as sincronizações de thread entre CPUs, garantindo escalabilidade ao produto?

Assim nasceu a ideia do Hekaton…

Otimizando o lado do SQL Server

Como fazer o SQL Server ter um desempenho semelhante ao código nativo?

1. Adoção de índices Hash – Como os índices clustered e non-clustered são baseados em estruturas B+ Trees, as operações de consulta (singleton lookup) percorrem os non-leaf nodes e se tornam operações bastante custosas. Uma forma de otimizar é adotar índices sem a hierarquia de árvore. Índices hash são mais rápidos. O principal parâmetro de ajuste em um índice Hash é o número de buckets: quanto maior o número de buckets, melhor o desempenho ao custo de maior espaço utilizado.
2. Compilação em código nativo – Enquanto os comandos T-SQL são interpretados e gerenciados por uma máquina de estado, o código .NET é compilado em código de máquina. O ganho de desempenho é direto.
3. Não há bloqueios ou locks – Isso é incrível! Assim como no exemplo do código .NET, não há necessidade de usar bloqueios explícitos.

Não há bloqueios ou locks

Estou repetindo esse último item: não há locks envolvidos. Essa mudança é tão profunda que envolve mudanças significativas na forma como o Hekaton acessa as informações.

Por exemplo, no modelo atual os registros ficam armazenados em páginas de 8Kb. Portanto, múltiplos registros podem compartilhar uma mesma página e requerem o uso de Latches e Locks para sincronizar o acesso.

Hekaton, por outro lado, mantém uma lista ligada de registros. Essa lista é protegida por spinlocks, não sendo necessário realizar a operação de Latch/UnLatch. Essa é uma economia significativa de recursos, pois evita as transições para Kernel Mode e reduz o custo total de thread context switch.

Agora temos um código mais limpo:

A utilização de spinlock, no entanto, requer que os dados estejam previamente em memória. Não pode haver operações de leitura de disco enquanto as threads possuem spinlock. Em outras palavras, o Hekaton não utiliza PAGEIOLATCH ou PAGELATCH. Isso significa que todos os registros devem ficar em memória previamente.

Qual a diferença com DBCC PINTABLE?

Quem tem mais tempo de SQL Server (7.0, 2000, 2005) talvez se lembre do lendário e obsoleto comando DBCC PINTABLE. Esse comando garantia que a tabela ficasse em memória e o ganho de desempenho era decorrente da redução na quantidade de acesso ao disco. Na realidade, a eficácia do PINTABLE sempre foi muito questionável. A arquitetura do SQL Server garante que os dados mais acessados são mantidos em memória e, portanto, não há motivos que justificam seu uso. Esse foi um dos motivos pelo qual a Microsoft descontinuou esse comando.

Se alguém perguntar sobre qual a diferença entre Hekaton e DBCC PINTABLE, responda que eles são completamente diferentes.

O segredo do Hekaton é utilizar estruturas baseadas em registros e protegidas por spinlocks. Manter as tabelas em memória é um pré-requisito da arquitetura atual (e que pode ser melhorado no futuro).

Conclusão

Esqueça que isso tem alguma semelhança com DBCC PINTABLE, pois o Hekaton não utiliza o Buffer Pool. Ele possui uma estrutura à parte. A proposta do Hekaton era trazer o desempenho do código .NET para dentro do SQL Server.

Nesa primeira parte, apresentei os principais motivadores para o surgimento do Hekaton. Entretanto, houve uma série de evoluções na tecnologia até chegar à sua forma final. Se você conhece bem o Hekaton, sabe que não existe código .NET (e sim código em C) e que existem índices na forma de B-Tree para o Hekaton. Deixarei essa discussão para uma parte 2.

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Fabricio Catae (@fcatae)

Comments

• Anonymous
  March 11, 2017
  Muito bom artigo... Conhecer o principio das coisas é sempre esclarecedor. Parabéns
  • Anonymous
    March 12, 2017
    Otimo! Obrigado!
• Anonymous
  March 29, 2017
  Ótimo artigo , parabéns !!!
  • Anonymous
    March 29, 2017
    Obrigado João!
• Anonymous
  July 12, 2017
  Estou um pouco atrasado na leitura, mas realmente, muito bom o primeiro artigo, partindo para o Segundo da serie... =)