发布于2026-05-28 阅读(0)
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PostgreSQL,这个开源关系型数据库的常青树,如今正作为OpenAI核心产品的基石,默默支撑着每秒数百万次的查询和8亿用户的访问。其架构颇为经典:一个主实例负责写入,配合遍布全球的近50个只读副本来应对海量读取。这套组合拳展现了PostgreSQL在应对读密集型负载时惊人的扩展潜力。当然,任何技术方案都有其边界,面对写入压力,团队也巧妙地借助了Azure Cosmos DB来分担可分片的写负载,并持续优化着查询、负载分流与高可用策略。
多年来,PostgreSQL一直是ChatGPT与OpenAI API等服务的核心数据引擎。随着用户规模呈指数级攀升,数据库面临的挑战也与日俱增。过去一年,其负载增长了超过10倍,且增长势头丝毫未减。
在持续升级基础设施以应对业务洪流的过程中,我们获得了一个关键洞察:PostgreSQL处理读密集型负载的能力,远比许多人想象的要强大。这个源自加州大学伯克利分校的系统,凭借一个Azure PostgreSQL灵活服务器主实例,以及部署在全球多个区域的近50个只读副本,成功扛住了全球流量的冲击。本文将分享OpenAI技术团队如何通过一系列扎实的工程优化,将PostgreSQL推向极限,并总结其中积累的宝贵经验。
ChatGPT发布后,流量以惊人的速度涌入。当时,团队在应用层和数据库层双管齐下,既通过提升硬件规格进行纵向扩展,也通过增加只读副本来横向扩展读取能力。这套架构在相当长一段时间内运行平稳,持续的优化也为未来的增长预留了空间。
单主架构竟能支撑OpenAI的庞大规模,听起来或许有些意外,但其落地过程绝非一帆风顺。团队曾多次遭遇因PostgreSQL过载引发的严重服务事件,其模式往往如出一辙:上游的某个问题——可能是缓存层故障导致的大范围缓存穿透,也可能是消耗大量CPU的复杂多表连接查询突然激增,或是新功能上线带来的“写入风暴”——会瞬间推高数据库负载。随着资源利用率飙升,查询延迟增加,请求开始超时。而后续涌入的重试流量,又会进一步加剧负载,形成一个自我强化的恶性循环,最终导致ChatGPT与API服务性能严重下降。
尽管PostgreSQL在处理读负载时扩展性良好,但在高写入流量期间,挑战依然严峻。这很大程度上源于其多版本并发控制(MVCC)的实现机制。简单来说,当一个查询需要更新某一行甚至其中一个字段时,PostgreSQL会复制整行数据以创建新版本。在高写入负载下,这种机制会导致显著的写入放大。同时,查询为了找到最新数据,可能需要扫描多个旧版本(即“死元组”),这又带来了读取放大。此外,MVCC还会引发表与索引膨胀、增加索引维护开销,并使自动清理(VACUUM)的调优变得复杂。
为了缓解上述限制、减轻主库的写入压力,团队采取了一个清晰的策略:将那些可以水平分片的写入密集型工作负载,逐步迁移至像Azure Cosmos DB这样的分片系统中。同时,优化应用逻辑,尽可能减少非必要的写入操作。作为一项纪律,新的工作负载默认不再使用当前的PostgreSQL部署,而是转向分片系统。
即便基础设施在不断演进,PostgreSQL本身仍保持未分片状态,由单个主实例处理所有写入。这背后的主要考量是成本与复杂性:对现有庞杂的应用工作负载进行分片改造,意味着需要修改数百个应用端点,其工程复杂度和耗时可能长达数月甚至数年。考虑到当前工作负载以读取为主,且已实施了大量优化,现有架构仍有充足的余量来支持流量持续增长。虽然未来不排除对PostgreSQL进行分片的可能性,但鉴于当前的扩展空间,这并非近期的优先事项。
那么,具体是如何应对挑战,并将PostgreSQL的查询处理能力推向每秒数百万次呢?以下将深入探讨几个关键的优化方向。
挑战: 单一写入节点是单主架构的天然瓶颈,无法横向扩展写入能力。剧烈的写入峰值可能迅速压垮主库,进而波及其支撑的所有服务。
解决方案: 核心思路是尽一切可能为主库“瘦身”。读取流量被最大限度地分流到只读副本。然而,部分读查询因其属于写事务的一部分而必须留在主库执行,对于这类查询,确保其高效运行、避免慢查询至关重要。在写入侧,可分片的写入负载已迁移至分片系统。对于那些更难分片但仍产生高写入的负载,迁移工作仍在持续进行。此外,团队积极优化应用以减少写入,例如修复导致冗余写入的程序缺陷,在适当场景引入延迟写入以平滑流量峰值。在进行大规模数据回填等操作时,也会强制执行严格的速率限制,防止产生过度的写入压力。
挑战: 系统中存在一些高开销查询,过去,一旦这类查询的流量激增,便会大量挤占CPU资源,导致服务延迟甚至中断。
解决方案: 经验表明,少数几个高开销查询(尤其是涉及复杂多表连接的查询)就足以引发严重的服务劣化。因此,持续优化PostgreSQL查询、避免常见的OLTP反模式是一项必须坚持的工作。例如,团队曾定位到一个连接了12张表的极高开销查询,它的流量峰值正是过去几次高严重性服务事件的元凶。教训是深刻的:应尽可能避免复杂的多表连接。如果连接不可避免,可以考虑将查询拆分,将复杂的连接逻辑移至应用层处理。许多有问题的查询由对象关系映射(ORM)框架自动生成,因此仔细审查其生成的SQL是否符合预期,是开发中的必要环节。另外,PostgreSQL中长时间运行的空闲事务也会带来问题,配置如 idle_in_transaction_session_timeout 这样的超时参数,对于防止其阻塞关键的自动清理进程至关重要。
挑战: 读副本故障时,流量可以重新路由。但依赖单一写入节点意味着存在一个明显的单点故障——一旦主库宕机,所有写入操作都将中断。
解决方案: 幸运的是,大多数关键请求仅涉及读操作。为了缓解主库的单点故障风险,团队将这些读查询彻底从主库卸载到副本。这样,即使主库发生故障,这些只读请求仍可继续得到服务。虽然写操作会失败,但影响范围已被大幅缩小,通常不再构成最高级别的事故。
为了进一步减轻主库故障的影响,生产环境以高可用(HA)模式运行主库,并配备一个热备副本(保持同步、可随时接管流量)。当主库需要下线维护或发生意外宕机时,可以快速将备用副本提升为主库,最大限度减少停机时间。Azure PostgreSQL团队为此做了大量工作,确保即使在极高负载下,故障转移也能安全可靠。对于读副本故障,策略是在每个区域部署多个副本,并预留充足的容量余量,确保单个副本的失效不会导致整个区域的服务中断。
挑战: 经常遇到某些特定请求消耗不成比例资源的情况,导致同一数据库实例上的其他工作负载性能下降。例如,一个新上线的功能可能引入低效查询,大量消耗PostgreSQL的CPU,从而拖慢其他关键功能的请求。
解决方案: 团队在全球多个地理区域运行了近50个读副本以降低延迟。然而,在当前架构下,主库必须向每一个副本流式传输预写日志(WAL)。尽管目前通过使用超大型实例类型和高网络带宽尚能良好应对,但无限制地添加副本最终会压垮主库。为此,团队正与Azure PostgreSQL团队合作开发级联复制方案。简单来说,就是让中间副本充当“中继站”,将WAL日志传递给下游副本。这种方法有望将副本数量扩展到上百个,而不会让主库不堪重负。当然,这也会引入额外的运维复杂性,尤其是在故障转移的管理上。该功能目前仍在测试中,团队计划在确保其足够健壮并能安全进行故障转移后,再将其部署到生产环境。
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