MYSQL之 GroupCommit

張衝andy發表於2018-11-08

組提交(group commit)是MYSQL處理日誌的一種優化方式，主要為了解決寫日誌時頻繁刷磁碟的問題。組提交伴隨著MYSQL的發展不斷優化，從最初只支援redo log 組提交，到目前5.6官方版本同時支援redo log 和binlog組提交。組提交的實現大大提高了mysql的事務處理效能，下文將以innodb 儲存引擎為例，詳細介紹組提交在各個階段的實現原理。

redo log的組提交

WAL(Write-Ahead-Logging)是實現事務永續性的一個常用技術，基本原理是在提交事務時，為了避免磁碟頁面的隨機寫，只需要保證事務的redo log寫入磁碟即可，這樣可以通過redo log的順序寫代替頁面的隨機寫，並且可以保證事務的永續性，提高了資料庫系統的效能。雖然WAL使用順序寫替代了隨機寫，但是，每次事務提交，仍然需要有一次日誌刷盤動作，受限於磁碟IO，這個操作仍然是事務併發的瓶頸。

組提交思想是，將多個事務redo log的刷盤動作合併，減少磁碟順序寫。Innodb的日誌系統裡面，每條redo log都有一個LSN(Log Sequence Number)，LSN是單調遞增的。每個事務執行更新操作都會包含一條或多條redo log，各個事務將日誌拷貝到log_sys_buffer時(log_sys_buffer 通過log_mutex

保護)，都會獲取當前最大的LSN，因此可以保證不同事務的LSN不會重複。那麼假設三個事務Trx1,Trx2和Trx3的日誌的最大LSN分別為LSN1,LSN2,LSN3(LSN1<LSN2<LSN3)，它們同時進行提交，那麼如果Trx3日誌先獲取到log_mutex進行落盤，它就可以順便把[LSN1---LSN3]這段日誌也刷了，這樣Trx1和Trx2就不用再次請求磁碟IO。組提交的基本流程如下：

獲取 log_mutex
若flushed_to_disk_lsn>=lsn，表示日誌已經被刷盤,跳轉5
若 current_flush_lsn>=lsn，表示日誌正在刷盤中，跳轉5後進入等待狀態
將小於LSN的日誌刷盤(flush and sync)
退出log_mutex

備註：lsn表示事務的lsn，flushed_to_disk_lsn和current_flush_lsn分別表示已刷盤的LSN和正在刷盤的LSN。

redo log 組提交優化

我們知道，在開啟binlog的情況下，prepare階段，會對redo log進行一次刷盤操作(innodb_flush_log_at_trx_commit=1)，確保對data頁和undo 頁的更新已經重新整理到磁碟；commit階段，會進行刷binlog操作(sync_binlog=1),並且會對事務的undo log從prepare狀態設定為提交狀態(可清理狀態)。通過兩階段提交方式(innodb_support_xa=1)，可以保證事務的binlog和redo log順序一致。二階段提交過程中，mysql_binlog作為協調者，各個儲存引擎和mysql_binlog作為參與者。故障恢復時，掃描最後一個binlog檔案(在flush階段，判斷binlog是否超過閥值，進行rotate binlog檔案，rotate的binlog檔案中對應的事務一定是已經提交的，處於prepared的事務的binlog還沒有刷進來，因為還沒進入ordered_commit函式)，提取其中的xid；重做檢查點以後的redo日誌，讀取事務的undo段資訊，蒐集處於prepare階段的事務連結串列，將事務的xid與binlog中的xid對比，若存在，則提交，否則就回滾。

通過上述的描述可知，每個事務提交時，都會觸發一次redo flush動作，由於磁碟讀寫比較慢，因此很影響系統的吞吐量。淘寶童鞋做了一個優化，將prepare階段的刷redo動作移到了commit(flush-sync-commit)的flush階段之前，保證刷binlog之前，一定會刷redo。這樣就不會違背原有的故障恢復邏輯。移到commit階段的好處是，可以不用每個事務都刷盤，而是leader執行緒幫助刷一批redo。如何實現，很簡單，因為log_sys->lsn始終保持了當前最大的lsn，只要我們刷redo刷到當前的log_sys->lsn，就一定能保證，將要刷binlog的事務redo日誌一定已經落盤。通過延遲寫redo方式，實現了redo log組提交的目的，而且減少了log_sys->mutex的競爭。目前這種策略已經被官方mysql5.7.6引入。

兩階段提交

在單機情況下，redo log組提交很好地解決了日誌落盤問題，那麼開啟binlog後，binlog能否和redo log一樣也開啟組提交？首先開啟binlog後，我們要解決的一個問題是，如何保證binlog和redo log的一致性。因為binlog是Master-Slave的橋樑，如果順序不一致，意味著Master-Slave可能不一致。MYSQL通過兩階段提交很好地解決了這一問題。Prepare階段，innodb刷redo log，並將回滾段設定為Prepared狀態，binlog不作任何操作；commit階段，innodb釋放鎖，釋放回滾段，設定提交狀態，binlog刷binlog日誌。出現異常，需要故障恢復時，若發現事務處於Prepare階段，並且binlog存在則提交，否則回滾。通過兩階段提交，保證了redo log和binlog在任何情況下的一致性。

binlog的組提交

回到上節的問題，開啟binlog後，如何在保證redo log-binlog一致的基礎上，實現組提交。因為這個問題，5.6以前，mysql在開啟binlog的情況下，無法實現組提交，通過一個臭名昭著的prepare_commit_mutex，將redo log和binlog刷盤序列化，序列化的目的也僅僅是為了保證redo log-Binlog一致，但這種實現方式犧牲了效能。這個情況顯然是不能容忍的，因此各個mysql分支，mariadb，facebook，perconal等相繼出了補丁改進這一問題，mysql官方版本5.6也終於解決了這一問題。由於各個分支版本解決方法類似，我主要通過分析5.6的實現來說明實現方法。

binlog組提交的基本思想是，引入佇列機制保證innodb commit順序與binlog落盤順序一致，並將事務分組，組內的binlog刷盤動作交給一個事務進行，實現組提交目的。binlog提交將提交分為了3個階段，FLUSH階段，SYNC階段和COMMIT階段。每個階段都有一個佇列，每個佇列有一個mutex保護，約定進入佇列第一個執行緒為leader，其他執行緒為follower，所有事情交由leader去做，leader做完所有動作後，通知follower刷盤結束。binlog組提交基本流程如下：

FLUSH 階段

1) 持有Lock_log mutex [leader持有，follower等待]

2) 獲取佇列中的一組binlog(佇列中的所有事務)

3) 將binlog buffer到I/O cache

4) 通知dump執行緒dump binlog

SYNC階段

1) 釋放Lock_log mutex，持有Lock_sync mutex[leader持有，follower等待]

2) 將一組binlog 落盤(sync動作，最耗時，假設sync_binlog為1)

COMMIT階段

1) 釋放Lock_sync mutex，持有Lock_commit mutex[leader持有，follower等待]

2) 遍歷佇列中的事務，逐一進行innodb commit

3) 釋放Lock_commit mutex