集团内部数据资产团队维护了IPv6相关的地域数据，同时也提供了SDK查询特定IPv6的地域信息（参考语雀文档全球IP图谱SDK使用说明）。我在mac机器上进行了相关的随机查询测试（总次数1000万次），mmap的内存模式平均耗时为3us左右（1000万次查询总耗时30.2s），其性能和他们之前做的性能测试报告基本一致。对于大部分查询场景，这个性能基本能够满足需求。但对于SLS SQL的场景，单次查询需要处理10亿（甚至100亿）级别条IPv6的地域解析，当前的性能还是不够的。因此，需要在数据资产团队已有SDK的基础上，探索针对SQL使用场景下的优化。

当前已有设计

数据保存格式

在优化说明之前，需要熟悉下IPv6地址的结构（参考IPv6 address）。IPv6有128位（或16个字节）组成，其中前64位基本是用来识别子网的。换句话说，可以用IPv6的前64位来确定对应IPv6的地域。因此，IPv6的地域查询，可以等价于下面一张巨大的查询表：

不难发现，按照上面的方式保存IPv6和地域的映射关系，是不切实际的，因为这需要2^64个映射项。实际上，对于地址连续的IPv6地址，其地域信息通常是相同的。因此，可以采用范围条目的形式来映射地域信息，具体如下表所示。

采用范围条目的映射方式后，可以显著减少映射项的数量（当前为120万个左右）。数据资产团队将IPv6的地域信息存在单个文件中，该文件由4部分组成：

文件的具体结构，如下图所示。

文件加载流程

首先会读取文件前16个字节的MD5摘要，并校验文件数据是否受损。其次，读取元数据部分的内容。对于范围条目索引，总是加载到JVM堆中，以加快IPv6范围条目的过滤。而对于全量范围条目和地域信息数据，可以选择加载到JVM堆中、通过mmap映射到堆外或者从磁盘读取。对于我们SQL的场景，采用mmap映射的方式较为合适，兼顾性能的同时，不占用JVM堆的空间。

地域查询流程

IPv6地域的查询流程如下所示，其中范围条目过滤采用二分查找算法。因此，不难理解，地域查询的复杂度是O(logN)的，其中N是数据文件中IPv6范围条目的总数。

可优化点挖掘

直接阅读代码

潜在问题

通过对源码的分析发现，范围条目过滤的实现有比较大的改进空间。当前实现存在以下两个问题：

• 匹配范围条目时，总是按照字节逐次对比（两个8字节对比，平均需要比较4次，才能区分大小）

int compareByteBuffer(byte[] ipv6PrefixBytes, ByteBuffer buffer) {
  for(byte kb : ipv6PrefixBytes) {
    byte bb = buffer.get();
    int re = GravityBytesUtil.compareUnByte(kb, bb);
    if(re != 0) {
      return re;
    }
  }
  return 0;
}

• 范围条目过滤过程中，产生大量的临时对象，这主要来自两个方面：
  • ByteBuffer的产生。范围条目索引在JVM对中是以byte[]形式保存的，每次提取条目内容时，都要转成ByteBuffer。

    private ByteBuffer wrapCell(int index) {
        int position = index * cellSize;
        return ByteBuffer.wrap(indexArr, position, cellSize);
    }

• 临时过滤结果的产生。每次查询都会产生IndexResult和ItemResult，但它们是可以避免的，因为真正有的信息其实就是地域信息在文件的位置（即address）。

优化方案

知道上面的问题后，改进其实也比较简单。

• 总是采用long进行8字节范围对比。在加载范围条目索引时，避免采用byte[]进行保存，而应该采用两个long[]数组以及一个int[]数组来分别保存范围条目的start、end以及地域信息的位置。在过滤IPv6的地址时，其前8个字节也转为long，这样比较的时候只需要比较一次long即可。同时，这样改造还解决了产生大量ByteBuffer的问题。 但这里有个问题，IPv6的前8个字节转成java long后，可能是负数，而IPv6的前8个字节组成的long值应该解释为unsigned。因此，IPv6的前8个字节转成long后，不能直接用比较运算符进行比较。不过，java有个Long.compareUnsigned专门解决这种情况的比较问题。

public static int compareIpv6Range(long keyValue, long prefixStart, long prefixEnd) {
  if (Long.compareUnsigned(keyValue, prefixStart) < 0) {
    return -1;
  }
  if (Long.compareUnsigned(keyValue, prefixEnd) > 0) {
    return 1;
  }
  return 0;
}

• 范围条目查询直接使用int来指示结果。对于indexCker.queryIndex，直接命中索引中的范围条目，则返回地域地址；否则，返回-index-1，其中index为全量范围条目要进一步进行过滤的起始位置。对于，itemCker.searchValue的返回结果，也是类似处理。

优化效果

经过上面的优化后，每次地域查询的时间降为了2.1us，性能提升了30%左右。这个提升应该主要是采用long比较代替字节逐个带来的，可以看到，上面的优化还是非常有效果的。

通过jvisualvm热点分析

潜在问题

通过CPU采样发现，有很大一部分时间花在了IPv6字符串的解析上。通过上面的查询流程知道，查询时会通过正则去判断IPv6格式是否合法(即GravityBytesUtil.isIPv6)，然后再提取其前8个字节（即GravityBytesUtil.parseIPv6_V64）。通过代码分析发现，整个解析流程会遍历IPv6字符串好几遍，尤其是正则匹配较为消耗CPU。

优化方案

理论上，通过一遍扫面即可完成判断IPv6是否合法以及提取出它的前8个字节，而无需借助于正则。通过查找资料发现，libc库中有个非常高效函数将IPv6字符串解析为byte数组，只需要扫面一遍即可（具体参考）。根据已有的C实现，我自己用java实现类似的逻辑。就IPv6解析效率来说，提升了4-5倍。

优化效果

在范围比较优化基础上，引入IPv6解析优化后，每次地域查询的时间从2.1us降为了1.5us，性能进一步提升了30%左右。和数据资产团队最初的实现相比，性能至此提升100%。

结合SLS SQL场景

潜在问题

目前地区信息包含了20多个字段的内容，但在文件中却是作为一个字符串整体存放的，各个字段的内容通过$字符进行分割。每个地域信息的存储结构具体如下所示，其中第一部分为地域信息的长度（2个字节），第二部分是地域信息的具体内容。

因此，从文件中读取地域信息后，需要先split字符串，然后再组装为地域信息结构体。这样操作存在以下问题：

• 读放大。对于SQL查询场景，每个地域相关的function通常只需要其中一个字段的信息。
• 字符串切分消耗CPU（即下面splitNoRegex函数）以及产生大量的临时字符串对象

优化方案

为了避免读放大和不必要的字符串切割，需要将每个字段的内容单独存储，优化后的单个地域信息存储结果如下所示。需要说明的是，每个字段的end offset，是相对于第一个字段内容的开始位置的。之所以采用end offset来记录字段内容的位置，为了便于快速获取某个字段内容的起始位置及其大小。

对于SLS SQL的场景，目前只有用到地域信息中的9个字段，通过统计发现，9个字段的内容总长度不会超过255。因此，每个字段的end offset采用1个字节即可。给定地域信息的地址，获取某个字段的内容，其代码如下所示，其中pointerBytes表示的是存储单个字段end offset所需要的字节数，fieldDataOffset表示的是第一个字段内容的偏移量。

    public byte[] queryFieldInfo(int address, int fieldId) {
        final int fieldStartFp, fieldBytes;
        if (fieldId == 0) {
            mappedBuffer.position(address);
            fieldStartFp = 0;
            fieldBytes = readFieldPointer();
        } else {
            mappedBuffer.position(address + (fieldId - 1) * pointerBytes);
            fieldStartFp = readFieldPointer();
            fieldBytes = readFieldPointer() - fieldStartFp;
        }

        if (fieldBytes <= 0) {
            return null;
        }

        mappedBuffer.position(address + fieldDataOffset + fieldStartFp);
        byte[] data = new byte[fieldBytes];
        mappedBuffer.get(data);

        return data;
    }

优化效果

在范围比较和IPv6解析优化基础上，引入地域信息结构存储优化后，每次地域查询的时间从1.5us降为了0.3us。而和数据资产团队最初的实现相比，性能至此提升了10倍（即从3us降为了0.3us）。

JVM堆优化前后对比

下图是优化前执行随机压测查询时堆变化情况，可以明显看到堆的使用波动非常大，最高达到116M，Young GC后又会下降回30M。很明显，这种现象是因为执行过程中有大量的临时对象产生导致的。

优化前

下图是优化后执行随机压测查询时堆变化情况，可以看到堆的使用最大不超过35M，使用量的波动明显比优化前小很多，这证实了上述优化对临时变量产生的治理是非常有效的。

优化后

总结

本分主要对数据资产团队的IPv6地域查询设计和实现进行了分析，在他们已有的基础上进行了一定的优化，主要包括减少临时变量的产生、改进IPv6前8个字节对比实现、采用遍历一次的IPv6解析算法以及分离存储地域信息的各字段。整体优化效果非常明显，性能提升了一个数量级（单次查询从3us降为了0.3us），对于SLS SQL海量数据处理来说，这里的优化还是非常有意义的。

对于java程序而言，虽然JVM会自动回收不再使用的对象，但为了更好的性能，需要尽可能避免临时对象的生成（申请内存、初始化、对象销毁都有overhead）。另外，正则表达式使用起来虽然方便，但对于性能要求高的场景，可能并不适合。尤为重要的是，数据处理场景减少数据读写的放大，对性能的提升是显著的。