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https://github.com/hasura/graphql-engine.git
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# 借助 GraphQL 承载 100万活动订阅（实时查询）
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Hasura 是基于 Postgres数据库的 GraphQL 引擎，提供可控制权限的开箱即用的 GraphQL API。到 [hasura.io](https://hasura.io/) 和 [github.com/hasura/graphql-engine](https://github.com/hasura/graphql-engine) 了解更多。
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Hasura 可为客户端提供实时查询（基于 GraphQL 订阅）。例如，一个外卖应用使用实时查询显示某特定用户的订单实时状态。
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本文档描述 Hasura 的架构，阐述它是如何支撑百万个并发实时查询的。
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##### 目录
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- [结论](#结论)
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- [GraphQL 与订阅](#GraphQL-与订阅)
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- [实现 GraphQL 实时查询](#实现-GraphQL-实时查询)
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- [再获取 GraphQL 查询结果](#再获取-GraphQL-查询结果)
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- [Hasura 的方法](#Hasura-的方法)
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- [测试](#测试)
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- [本方法的优势](#本方法的优势)
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## 结论
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**设置：** 每个客户端（Web 或 移动应用）用认证令牌登录并订阅一个实时查询结果。数据存放于 Postgres 数据库。每秒钟更新 Postgres 数据库中的一百万行数据，并确保推送一个新查询结果到客户端。Hasura 是 GraphQL API 的提供者（包含授权）。
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**测试：** Hasura 可以并发处理多少个客户端的实施订阅？Hasura 是否可以纵向或横向性能伸缩扩展？
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<img src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/main-image-fs8.png" width="500px" />
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|单例配置| 活动实时查询数量 | CPU 平均负载 |
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| 1xCPU, 2GB RAM | 5000 | 60% |
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| 2xCPU, 4GB RAM | 10000 | 73% |
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| 4xCPU, 8GB RAM | 20000 | 90% |
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<img alt="results-horizontally-scaled" src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/horizontal-scalability.png" width="80%" />
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当一百万个实时查询的时候，Postgres 的负载不超过 28%，连接数峰值在 850 左右。
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关于配置的说明：
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- AWS RDS postgres, Fargate, 使用 ELB 的默认配置，无任何微调
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- RDS Postgres: 16xCPU, 64GB RAM, Postgres 11
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- Hasura 运行在 Fargate (4xCPU, 8GB RAM per instance) ，采用默认配置
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## GraphQL 与订阅
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GraphQL 让应用开发者轻松地从 API 中精确获取他们想要的数据。
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比如，我们要创建一个外卖应用。Postgres 的架构看起来像这样：
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<img src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/pg-schema.png" alt="postgres schema for food delivery app" width="700px" style="width: 60%; min-width: 400px;" />
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应用界面会显示当前用户订单的状态，GraphQL 查询会获取订单最新状态和配送员的定位。
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<img alt="order-graphql-query" src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/images2/basic-query-fs8.png" width="700px" style="width: 70%; min-width: 400px;" />
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在底层，查询被当作字符串发送给服务器，经解析、授权后，从数据库中获取应用所需的数据。返回的 JSON 数据结构与请求时的相同。
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进入实时查询：实时查询的主意是订阅特定查询的最新结果。一旦底层的数据改变，服务器应该推送最新结果到客户端。
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乍一看，这完美符合 GraphQL 的使用场景，因为 GraphQL 客户端支持处理大量 websocket 连接。用 subscription 替换 query 就能转换查询到实时查询。就是这么简单，如果 GraphQL 服务器可实现的话。
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<img alt="order-subscription-query" src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/images2/subscription-query-fs8.png" width="700px" style="width: 70%; min-width: 400px;" />
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## 实现 GraphQL 实时查询
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实现实时查询是个痛苦的过程。当你的数据库查询包含授权规则，那么当变更事件发生时，会增加查询结果的计算量。这在 web服务上是一个挑战。像 Postgres 这样的数据库，这相当于在底层表更改时，要保持物化视图最新一样困难困难。另一种方法是为特定查询重新获取全部数据（针对特定授权规则的客户端）。这是我们目前采取的方法。
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其次，构建一个 web服务以一种可伸缩的方式来处理 websockets 有时也有点麻烦，但是某些框架和语言确实使并发编程更容易处理。
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### 再获取 GraphQL 查询结果
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为了理解为什么这里使用再获取(refetching) GraphQL 查询不好，我们来看一个典型的 GraphQL 查询过程：
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<img alt="graphql-resolvers" src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/resolvers-fs8.png" width="700px" style="width: 70%; min-width: 400px;" />
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在 GraphQL 查询中，授权 + 数据获取逻辑必须为每个节点运行一次。这很可怕，因为即使稍大一点的查询都会轻易拖垮数据库。运用 ORM 不当时，N+1 问题也是个常见问题，这对数据库性能不好，且难以优化 Postgres 查询。Data loader 类型模式可以缓解该问题，但在底层仍然会多次查询 Postgres 数据库（减少为 GraphQL 查询中有多少个节点）。
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实时查询中，该问题更为严重，因为每个客户端的查询都有一个独一无二的再获取。尽管查询是相同的，考虑到授权规则创建不同的会话变量，每个客户端需要单独的再获取。
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### Hasura 的方法
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如何做得更好？如果申明式映射数据模型到 GraphQL 模式，并使用它创建单个 SQL 数据库查询？这样就能避免多次捣鼓数据库，无论返回中是否有大量项目或 GraphQL 查询中有很多节点。
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#### 主意 #1：编译 一个 GraphQL 查询为单个 SQL 查询
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Hasura 部分功能是作为转译器，它使用数据模型到 GraphQL 模式的映射信息的元数据，编译 GraphQL 查询为 SQL 查询，来从数据库获取数据。
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GraphQL 查询 GraphQL 抽象语法树（AST） SQL 抽象语法树 SQL
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这消除了 N+1 查询问题，并允许数据库优化数据获取。
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但这不够，因为解析器（resolver）还应用了授权来强制它只获取权限范围内的数据。因此我们需要将授权规则嵌入到生成的 SQL 中。
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#### 主意 #2：使授权具有声明性
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访问数据时的授权本质上是一种约束，它取决于所获取的数据(或行)的值，以及动态提供的应用程序特定用户的会话变量。例如最普通的，一行数据包含表示数据所有权的字段 `user_id`。或有个关联表 `document_viewers` 来表示用户可查看哪些文档。其他场景中，会话变量本身可能包含与行相关的数据所有权信息，例如，账户管理员可以访问任何帐户 [1,2,3]，其中该信息不存在于当前数据库中，而是存在于会话变量（可能由其他数据系统提供）。
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为了对此建模，我们在 API 层实现了类似于 Postgres RLS 的授权层，以提供用于配置访问控制的声明性框架。如果您熟悉 RLS，可以类比 SQL查询中的当前会话变量为来自 cookie、JWTs 或 HTTP头的 HTTP会话变量。
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顺便说一句，因为我们在许多年前就开始了 Hasura 工程，所以我们在 Postgres RLS特性加入 Postgres 之前就在应用层实现了该特性。我们甚至在的 insert 返回子句中也有与已修复的 Postgres RLS 相同的 bug https://www.postgresql.org/about/news/1614/。
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因为在 Hasura 应用层面实现了授权（而不是使用 RLS，传递用户详情给 Postgres 连接的当前会话），这带来一个显著优势，我们等下会看到。
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总而言之，既然授权是声明性的，并且可以在表、视图甚至函数（如果函数返回 SETOF）中使用，那么就可以创建具有授权规则的单个 SQL查询。
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GraphQL 查询 GraphQL 抽象语法树 包含授权规则的内部抽象语法树 SQL 抽象语法树 SQL
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#### 主意 #3：在单个 SQL 查询中批处理多个实时查询
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仅凭主意 [#1](#主意-1编译-一个-graphql-查询为单个-sql-查询)、[#2](#主意-2使授权具有声明性) 的实现，我们仍会导致这样的情况：连接了 100k 个客户端可能会导致相称的 100k 个 Postgres查询来获取最新数据（假如 100k 个更新，每个更新对应一个客户端）。
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然而，考虑到我们在 API层有所有应用程序用户级会话变量可用，我们实际上可以创建单个 SQL查询来一次为许多客户端再次获取数据！
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假设有客户端运行一个订阅，以获取最新的订单状态和配送员位置。我们可以在查询中创建一个关系，其中包含作为不同行的所有查询变量（订单id）和会话变量（用户id）。然后join查询以获取具有此关系的实际数据，以确保在单个响应中获取多个客户端的最新数据。这将允许同时为多个用户获取最新的结果，即使它们提供的参数和会话变量是完全动态的，并且仅在查询时可用。
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#### 何时执行再获取（refetch）？
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我们尝试了多种方法，获取底层数据库更新事件时来再获取查询。
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1. 监听、通知：需要用触发器检测所有表，在消费端（web服务器）重启或网络中断的情况下，被消费事件可能会被丢弃。
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2. WAL（译注：Write-ahead logging，预写式日志）：Reliable stream，但是 LR 插槽使得横向性能扩展非常困难，并且在托管数据库供应商上通常不可用。繁重的写入负载会污染 WAL，并且需要在应用层进行节流。
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在这些尝试后，我们当前回退到基于时间间隔的轮询来再获取查询。因此，我们不是在有适当事件时再获取，而是根据一个时间间隔再获取查询。这样做有两个主要原因：
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1. 当实时查询中使用的声明性权限和条件很简单时，在某种程度上可以将数据库事件映射到特定客户端的动态查询上（比如 `order_id` = 1 and `user_id` = cookie.`session_id`），但是对于复杂的查询会变得棘手（比如查询 `'status' ILIKE 'failed_%'`）。声明性权限有时也可以跨表使用。我们在研究这种方法以及基本的增量更新方面投入了大量的精力，并且在生产中有[几个小项目](https://www.postgresql.eu/events/pgconfeu2018/sessions/session/2195/slides/144/Implementing%20Incremental%20View%20Maintenance%20on%20PostgreSQL%20.pdf)采用了类似的方法。
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2. 对于任何应用程序，除非写吞吐量很小，否则无论如何，您最终都会在一个时间间隔内对事件进行节流/防抖（throttling/debouncing）。
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这种方法的缺点是写负载很小时存在延迟。再获取可以立即完成，而不是在几毫秒后。通过适当地调整再获取间隔和批量大小，可以容易地缓解这一问题。到目前为止，我们首先关注的是消除开销最大的瓶颈，即再获取查询。也就是说，我们将在接下来的几个月里继续关注改进，特别是使用事件依赖（在适用的情况下），来潜在地减少实时查询中每隔一段时间再获取的的数量。
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请注意，我们在内部有其他基于事件的方法的驱动程序，如果你有一个用例，目前的方法不能满足你的要求，我们愿意与你合作与提供协助！
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## 测试
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测试基于 Websocket 的实时查询的性能扩展性与可靠性是一项挑战。我们花了几周来构建测试套件和基础自动化工具。设置如下所示：
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1. 一个 nodejs脚本，它运行大量的 GraphQL实时查询客户端，并在内存中记录事件，这些事件随后被存储到数据库中。[\[github\]](https://github.com/hasura/subscription-benchmark)
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2. 一个在数据库上创建写负载的脚本，从而导致所有运行实时查询的客户端之间发生更改（每秒更新一百万行）。
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3. 一旦测试套件完成运行，验证脚本就会在数据库中运行，在该数据库中提取日志/事件以验证没有错误并且所有事件已被接收到。
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4. 仅在以下情况下才认为测试有效：
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- 收到的有效载荷错误数为 0
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- 从创建事件到客户端接收的平均延迟小于 1000毫秒
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<img alt="testing-architecture" src="https://storage.googleapis.com/graphql-engine-cdn.hasura.io/img/subscriptions-images/test-architecture.png" width="700px" />
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## 本方法的优势
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Hasura 使实时查询变得触手可及。查询的概念很容易扩展到实时查询，而不需要使用 GraphQL 的开发人员做任何额外工作。这对我们来说是最重要的。
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1. 功能特性丰富的实时查询，全面支持 Postgres operators/aggregations/views/functions 等
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2. 性能可估
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3. 性能可纵向与横向伸缩扩展
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4. 可运行于所有云、数据库供应商平台
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## 未来展望
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减少 Postgres 负载，通过：
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1. 映射事件到实时查询
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2. 结果集的增量计算
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