华为云·寻找黑马程序员#海量数据的分页怎么破？【华为云技术分享】

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一、背景

分页应该是极为常见的数据展现方式了，一般在数据集较大而无法在单个页面中呈现时会采用分页的方法。
各种前端UI组件在实现上也都会支持分页的功能，而数据交互呈现所相应的后端系统、数据库都对数据查询的分页提供了良好的支持。
以几个流行的数据库为例：

查询表 t_data 第 2 页的数据(假定每页 5 条)

MySQL 的做法：

select * from t_data limit 5,5

PostGreSQL 的做法：

select * from t_data limit 5 offset 5

MongoDB 的做法：

db.t_data.find().limit(5).skip(5);

尽管每种数据库的语法不尽相同，通过一些开发框架封装的接口，我们可以不需要熟悉这些差异。如 SpringData 提供的分页接口：

1 public interface PagingAndSortingRepository
2   extends CrudRepository {
3 
4   Page findAll(Pageable pageable);
5 }

这样看来，开发一个分页的查询功能是非常简单的。
然而万事皆不可能尽全尽美，尽管上述的数据库、开发框架提供了基础的分页能力，在面对日益增长的海量数据时却难以应对，一个明显的问题就是查询性能低下！
那么，面对千万级、亿级甚至更多的数据集时，分页功能该怎么实现？

下面，我以 MongoDB 作为背景来探讨几种不同的做法。

二、传统方案

就是最常规的方案，假设我们需要对文章 articles 这个表(集合) 进行分页展示，一般前端会需要传递两个参数：
- 页码(当前是第几页)
- 页大小(每页展示的数据个数)

按照这个做法的查询方式，如下图所示：

因为是希望最后创建的文章显示在前面，这里使用了_id 做降序排序。
其中红色部分语句的执行计划如下：

 1 {
 2   "queryPlanner" : {
 3     "plannerVersion" : 1,
 4     "namespace" : "appdb.articles",
 5     "indexFilterSet" : false,
 6     "parsedQuery" : {
 7       "$and" : []
 8     },
 9     "winningPlan" : {
10       "stage" : "SKIP",
11       "skipAmount" : 19960,
12       "inputStage" : {
13         "stage" : "FETCH",
14         "inputStage" : {
15           "stage" : "IXSCAN",
16           "keyPattern" : {
17             "_id" : 1
18           },
19           "indexName" : "_id_",
20           "isMultiKey" : false,
21           "direction" : "backward",
22           "indexBounds" : {
23             "_id" : [ 
24               "[MaxKey, MinKey]"
25             ]
26          ...
27 }

可以看到随着页码的增大，skip 跳过的条目也会随之变大，而这个操作是通过 cursor 的迭代器来实现的，对于cpu的消耗会比较明显。
而当需要查询的数据达到千万级及以上时，会发现响应时间非常的长，可能会让你几乎无法接受！

或许，假如你的机器性能很差，在数十万、百万数据量时已经会出现瓶颈

三、改良做法

既然传统的分页方案会产生 skip 大量数据的问题，那么能否避免呢？答案是可以的。
改良的做法为：
1. 选取一个唯一有序的关键字段，比如 _id，作为翻页的排序字段；
2. 每次翻页时以当前页的最后一条数据_id值作为起点，将此并入查询条件中。

如下图所示：

修改后的语句执行计划如下：

 1 {
 2   "queryPlanner" : {
 3     "plannerVersion" : 1,
 4     "namespace" : "appdb.articles",
 5     "indexFilterSet" : false,
 6     "parsedQuery" : {
 7       "_id" : {
 8         "$lt" : ObjectId("5c38291bd4c0c68658ba98c7")
 9       }
10     },
11     "winningPlan" : {
12       "stage" : "FETCH",
13       "inputStage" : {
14         "stage" : "IXSCAN",
15         "keyPattern" : {
16           "_id" : 1
17         },
18         "indexName" : "_id_",
19         "isMultiKey" : false,
20         "direction" : "backward",
21         "indexBounds" : {
22           "_id" : [ 
23             "(ObjectId('5c38291bd4c0c68658ba98c7'), ObjectId('000000000000000000000000')]"
24           ]
25       ...
26 }

可以看到，改良后的查询操作直接避免了昂贵的 skip 阶段，索引命中及扫描范围也是非常合理的！

性能对比

为了对比这两种方案的性能差异，下面准备了一组测试数据。

测试方案
准备10W条数据，以每页20条的参数从前往后翻页，对比总体翻页的时间消耗

 1 db.articles.remove({});
 2 var count = 100000;
 3 
 4 var items = [];
 5 for(var i=1; i<=count; i++){
 6 
 7   var item = {
 8     "title": "论年轻人思想建设的重要性-" + i,
 9     "author" : "王小兵-" + Math.round(Math.random() * 50),
10     "type" : "杂文-" + Math.round(Math.random() * 10) ,
11     "publishDate" : new Date(),
12   } ;
13   items.push(item);
14 
15 
16   if(i%1000==0){
17     db.test.insertMany(items);
18     print("insert", i);
19 
20     items = [];
21   }
22 }

传统翻页脚本

 1 function turnPages(pageSize, pageTotal){
 2 
 3   print("pageSize:", pageSize, "pageTotal", pageTotal)
 4 
 5   var t1 = new Date();
 6   var dl = [];
 7 
 8   var currentPage = 0;
 9   //轮询翻页
10   while(currentPage &lt; pageTotal){
11 
12      var list = db.articles.find({}, {_id:1}).sort({_id: -1}).skip(currentPage*pageSize).limit(pageSize);
13      dl = list.toArray();
14 
15      //没有更多记录
16      if(dl.length == 0){
17          break;
18      }
19      currentPage ++;
20      //printjson(dl)
21   }
22 
23   var t2 = new Date();
24 
25   var spendSeconds = Number((t2-t1)/1000).toFixed(2)
26   print("turn pages: ", currentPage, "spend ", spendSeconds, ".")  
27 
28 }

改良翻页脚本

 1 function turnPageById(pageSize, pageTotal){
 2 
 3   print("pageSize:", pageSize, "pageTotal", pageTotal)
 4 
 5   var t1 = new Date();
 6 
 7   var dl = [];
 8   var currentId = 0;
 9   var currentPage = 0;
10 
11   while(currentPage ++ &lt; pageTotal){
12 
13       //以上一页的ID值作为起始值
14      var condition = currentId? {_id: {$lt: currentId}}: {};
15      var list = db.articles.find(condition, {_id:1}).sort({_id: -1}).limit(pageSize);
16      dl = list.toArray();
17 
18      //没有更多记录
19      if(dl.length == 0){
20          break;
21      }
22 
23      //记录最后一条数据的ID
24      currentId = dl[dl.length-1]._id;
25   }
26 
27   var t2 = new Date();
28 
29   var spendSeconds = Number((t2-t1)/1000).toFixed(2)
30   print("turn pages: ", currentPage, "spend ", spendSeconds, ".")    
31 }

以100、500、1000、3000页数的样本进行实测，结果如下：

可见，当页数越大(数据量越大)时，改良的翻页效果提升越明显！
这种分页方案其实采用的就是时间轴(TImeLine)的模式，实际应用场景也非常的广，比如Twitter、微博、朋友圈动态都可采用这样的方式。
而同时除了上述的数据库之外，HBase、ElasticSearch 在Range Query的实现上也支持这种模式。

四、完美的分页

时间轴(TimeLine)的模式通常是做成“加载更多”、上下翻页这样的形式，但无法自由的选择某个页码。
那么为了实现页码分页，同时也避免传统方案带来的 skip 性能问题，我们可以采取一种折中的方案。

这里参考Google搜索结果页作为说明：

通常在数据量非常大的情况下，页码也会有很多，于是可以采用页码分组的方式。
以一段页码作为一组，每一组内数据的翻页采用ID 偏移量 + 少量的 skip 操作实现

具体的操作如下图所示：

实现步骤

对页码进行分组(groupSize=8, pageSize=20)，每组为8个页码；
提前查询 end_offset，同时获得本组页码数量：

db.articles.find({ _id: { $lt: start_offset } }).sort({_id: -1}).skip(20*8).limit(1)

分页数据查询以本页组 start_offset 作为起点，在有限的页码上翻页(skip)，由于一个分组的数据量通常很小(8*20=160)，在分组内进行skip产生的代价会非常小，因此性能上可以得到保证。

小结

随着物联网，大数据业务的白热化，一般企业级系统的数据量也会呈现出快速的增长。而传统的数据库分页方案在海量数据场景下很难满足性能的要求。

在本文的探讨中，主要为海量数据的分页提供了几种常见的优化方案(以MongoDB作为实例)，并在性能上做了一些对比，旨在提供一些参考。

来源：华为云社区作者：zale

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