若能提升資料庫系統運作的效率，就可讓應用系統運作得更順暢。Google重新改寫malloc函式，並以gperftool為名釋出，而gperftool提供了tcmalloc動態函式庫。本文將利用tcmalloc來提升MySQL伺服器的執行效能，並採用tpcc-mysql針對MySQL進行效能的壓力測試。
資料庫系統在現行應用系統的運作中，一直都扮演舉足輕重的角色，往往資料庫系統的運作效能是應用系統運作是否順暢的關鍵，在一般的情況，良好的SQL程式或指令，通常就能夠解決大部分資料庫系統運作效率的問題。
除此之外，如果有辦法能提升資料庫系統程式運作的效率，倒也不失為一個提升資料庫運作效能的方法。
因此，本文將說明如何以gperftool（官方網址：https://github.com/gperftools/gperftools）提升MySQL資料庫（官方網址：https://www.mysql.com/）的運作效能。最後再說明如何利用MySQL資料庫壓力測試程式tpcc-mysql（官方網址：https://www.tpc.org/）量測MySQL資料庫的處理效能，藉此來比較優化後資料庫的運作效能。
什麼是Google Performance Tools
決定應用程式之執行效能的因素，除了系統的硬體效能外，另外一個重要因素是軟體撰寫的執行效率。在應用程式執行期間，除了需要強而有力的CPU運算能力進行相關計算外，往往同時也會需要一個儲存空間，用來儲存程式執行的過程所產生的資料，而後者通常會成為應用程式執行的效能瓶頸。
一般來說，若是須儲存的資料量不大，通常會利用存取速度快的系統記憶體（Memory）進行儲存以增快資料的存取速度，而不會儲存到慢速機械存取的系統磁碟（Disk），也因此很多的應用程式在執行的過程中，會依據需求動態地配置系統上的記憶體空間來儲存相關資料。
如果應用程式以C語言所撰寫，一般會利用malloc（Memory Allocation）函式來完成動態的配置記憶體工作。malloc是由glibc所提供用來動態配置指定大小之原始未初始化的記憶體空間，並在配置成功能回傳記憶體的開始位址，以供程式設計師使用。glibc是由GNU計畫所提供的C語言標準函式庫，可讓程式設計師方便取用其功能來加快程式開發的速度，其官方網址為「https://www.gnu.org/software/libc/」。
也因此，利用malloc函式配置系統記憶體的效率，往往也會影響程式執行的效率。為了提升malloc函式的執行效率，Google重新改寫malloc函式，並以「gperftool」為軟體名稱釋出。
gperftool除了提供tcmalloc動態函式庫（提供改寫後的malloc函式，以下稱為tcmalloc），也提供其他系統效能（如CPU效量）的測量工具程式。但由於本文主要在於說明如何利用tcmalloc來提升MySQL伺服器的執行效能，因此將採用tpcc-mysql來針對MySQL伺服器進行效能的壓力測試。
依據官方網站上的說明，tcmalloc主要著重在高效能的多線程（Multi-threaded）效率表現，意謂著可顯著地提升「高並發（High Concurrent）」的處理效率。所謂的「高並發」，指的是伺服器須在很短的時間內處理大量的要求。最常見的例子是春節的預售車票，往往在開放的當下，就會有大量的連線流量湧入，而此時伺服器便是在承受高並發的壓力，如果沒有優異的處理效能，往往會讓伺服器呈現癱瘓的情形而暫時停止服務。
安裝gperftools
在簡單介紹系統配置記憶體的機制後，接下來安裝gperftools。在安裝gperftools之前須先行安裝libunwind（在此安裝1.6.2版本）。首先至libunwind官方網站（https://download.savannah.gnu.org/releases）取得原始碼（在此使用1.6.2版本），以便進行編譯。
解壓縮原始碼後，編譯安裝libunwind軟體。先設定組態，如下組態為設定編譯成動態函式庫（Share Library）的形式並安裝於「/usr/local/libunwind」（安裝目錄）中：
./configure --enable-shared --prefix=/usr/local/libunwind
組態完成後，利用「make」指令進行編譯。在編譯成功後，再以「make install」指令將相關的程式及檔案安裝於「/usr/local/libunwind」目錄下，此時可檢查「/usr/local/libunwind/lib」是否有相關的動態程式庫（名稱為libunwind.so）等檔案。
安裝成功後，接著須設定「/etc/ld.so.conf」加上「/usr/local/libunwind/lib/」目錄名稱，並執行ldconfig指令來告知系統libunwind所在的目錄位置。安裝好libunwind後，就可繼續安裝gperftools（在此安裝的版本為2.9.1.）。
同樣地，至gperftools官方網站取得相關原始碼，在解壓縮後進行gperftools的組態設定，如下組態為啟用libunwind功能，並設定將相關的程式及檔案安裝於「/usr/local/gperftools」：
./configure --prefix=/usr/local/ gperftools --enable-libunwind
在組態完成後即進行編譯，執行「make」指令。在編譯成功後，同樣地以「make install」指令，將相關的程式及檔案安裝於「/usr/local/gperftools」目錄下。此時，可檢查「/usr/local/gperftools/lib」是否有相關的動態程式庫（名稱為libtcmalloc.so）等檔案。最後，同樣地在「/etc/ld.so.conf」檔案加上「/usr/local/gperftools/lib/」並執行「ldconfig」指令。
完成gperftools的安裝後，接著必須設定系統，讓MySQL伺服器在啟動時事先引用libtcmalloc來取代傳統glibc函式庫的malloc函式。在此，利用設定系統上的LD_PRELOAD環境變數的方式，讓MySQL在啟動時先行載入libtcmalloc動態函式庫。LD_PRELOAD主要是用來指定程式在執行之前要預先載入的動態函式庫位置，由於動態函式庫的特性，先行載入的函式並不會被後面載入的函式所覆蓋。
以本例而言，在MySQL預先戴入libtcmalloc動態函式庫所提供的malloc函式後，就不會再載入glibc動態函式庫中所定義malloc函式，因此達到置換malloc函式的目的。因此，可以利用MySQL伺服器所提供的mysqld_safe程式，這是一個由Bash語言所撰寫的MySQL伺服器管理程式，主要用來啟動MySQL伺服器及監控伺服器的服務情形。
可以在此檔案的第一行加上以下內容，來預先載入libtcmalloc，而後重新啟動MySQL伺服器：
export LD_PRELOAD=/usr/local/ gperftools/lib/libtcmalloc.so
在重新啟動後可利用lsof指令，執行「lsof -n | grep tcmalloc」指令來確認MySQL是否已載入libtcmalloc。如果輸出有libtcmalloc等字樣，就表示MySQL已成功使用libtcmalloc函式來取代傳統的malloc函式，如圖1所示。
圖1 輸出中有libtcmalloc等字樣出現。
接著，繼續安裝tpcc-mysql，並利用此工具來量測MySQL在使用libtcmalloc後的執行效能。
安裝tpcc-mysql
TPC（Tracsaction Processing Performance Council）是一個非營利型的資料庫評估組織，官方網址是「https://www.tpc.org/」，其主要的任務在於評估相關資料庫系統的功能及執行效能，而tpcc-mysql即為該組織開發用來評估MySQL資料庫效能的軟體。主要是利用壓測MySQL伺服器中的OLTP（Online Transactional Processing）服務的方式來測試MySQL的執行效能。
在簡單了解tpcc-mysql功能後，接下來開始安裝tpcc-mysql。
首先，執行如下的指令，以便取得相關原始碼：
git clone https://github.com/ Percona-Lab/tpcc-mysql.git
接著，到原始碼目錄中，執行make指令來編譯tpcc-mysql相關程式。要注意的是，系統上必須已安裝MySQL伺服器，並且mysql_config所在目錄路徑必須設定於系統的PATH環境變數中。
在編譯成功後，就會產生tpcc_load、tpcc_start兩個主要的程式，如下所述：
這是用來產生測試資料庫資料的程式，使用者可利用此程式來建立測試時所需要的測試資料，常用的命令組態如下所示：
-h：設定測試資料庫主機所在主機位置。
-P：設定資料庫伺服器所使用的通訊埠，通常為3306。
-d：設定儲存測試資料的資料庫名稱。
-u：設定連線資料庫主機所使用的使用者名稱。
-p：設定連線資料庫主機所使用的使用者密碼。
-w：設定要產生的資料倉儲數。這就是用來測試使用的數據數量，每個資料倉儲約可容納10萬筆紀錄，因此設定越多的資料倉儲數，就會花費越多的時間來產生測試資料。
實際執行資料庫效能測試的主程式，常用的命令組態如下所示：
-w：設定測試時使用的資料倉儲數（Warehouse），通常須與以tpcc_load所建立的資料倉儲數一致。
-c：設定測試時同時建立連線的連線數。
-r：設定儲存資料之所需的預備時間（warmup_time單位為秒），此時間通常用來將資料寫入系統記憶體中。
-l：設定要進行測試的時間（running_time，單位為秒），若未指定此參數，預設為20秒。
-i：設定產生測試報告的間隔時間（report_interval，單位為秒），若未指定此參數，預設為10秒。
-f：設定報表檔案的儲存位置，此檔案會儲存相關測試操作的輸出資料。
-t：類似報表檔案，但會輸儲存相關測試操作的輸出資料。
在簡單了解相關程式的用法後，接著產生測試需要的資料庫及相關資料。先新建一個名為「tpcctest」的資料庫，執行下列指令：
mysql -u [資料庫使用者名稱] –p [資料 庫使用者密碼] -e "create database tpcctest"
然後，利用tpcc-mysql所提供的create_table.sql（位於tpcc-mysql原始碼目錄中）來建立所需要的資料庫表格（Table），指令如下：
mysql -u [資料庫使用者名稱] -p [資料 庫使用者密碼] -D tpcctest
在建立相關的資料庫表格後，接著同樣利用add_fkey_idx.sql來設定資料庫表格相關表格欄位屬性（例如設定為索引（index）欄位），指令內容如下：
mysql -u [資料庫使用者名稱] -p [資料庫 使用者密碼] -D tpcctest
完成資料庫結構（Table schema）建置後，基本上會新建如下因應不同測試目的資料庫表格：
New-Order [新訂單]，Payment [支付訂 單]，Order-Status[訂單狀態] Delivery:[發貨狀態]，Stock:[庫存] customer:[客戶]，district:[地區]
tpcc_mysql便是利用上述的資料庫表格進行讀寫的效能測試，接著即可利用tpcc_load程式來產生相關的測試資料。
如下指令表示在本地端的資料庫主機上，產生100個資料倉儲的資料量（此階段可能會需要一點時間來產生）：
tpcc_load -h localhost -d tpcctest -u root -p -w 100
在產生相關的測試資料後，以tpcc_start程式進行資料庫的效能測試，如下指令表示測試的資料倉儲的資料量為100（-w 100）並以同時10個連線（-c）、持續測試300秒（-l 300），以及每間隔20秒即須產生一份效能報告：
tpcc_start -h 127.0.0.1 -p 3306 -d tpcctest -u [資料庫使用者名稱] -p [資料 庫使用者密碼] -w 100 -c 10 -r 100 -l 300 -i 20 -f /var/log/tpcc_mysql.log
執行完畢，就會出現如圖2所示的效能報告（以逗號分隔的CSV格式），各列數據意義說明如下：
圖2 出現效能報告。
第一列：為間隔秒數資訊，在本例為每間隔20秒就會產生一次效能測試數據，故此欄位每隔20秒即會產生一筆完整的測試報告。
第二列：在間隔秒數（即20秒）中，針對新訂單資料庫表格（New-Order）新產生的訂單交易數量。此數值越高，代表效率越好。
第三列：針對新訂單資料庫表格測試交易中，所測試數量其中百分之95的平均回應（Response）時間，此數值越低，代表效率越好。
第四列：針對新訂單資料庫表格測試交易中，所測試數量其中百分之99的平均回應時間。
第五列：針對新訂單資料庫表格測試交易中，其中最長回應時間（max_rt）。
第六列：針對支付資料庫表格（Payment）的測試資訊，其格式為「支付資料庫表格測試數量|在測試過程的最長回應時間」。
第七列：針對訂單狀態資料庫表格（Order-Status）的測試資訊，其格式為「訂單狀態資料庫表格測試數量|在測試過程的最長回應時間」。
第八列：針對發貨狀態資料庫表格（Delivery）的測試資訊，其格式為「發貨狀態資料庫表格測試數量|在測試過程的最長回應時間」。
第九列：針對庫存資料庫表格（Stock）的測試資訊，其格式為「庫存資料庫表格測試數量|在測試過程的最長回應時間」。
tpcc-mysql安裝完成後，就可以用來測試MySQL使用tcmalloc前後的效能表現。
＜本文作者：吳惠麟，多年資安經驗，喜好利用開源碼建構相關解決方案，著有「資訊安全原理與實驗」等書。＞