MySQL 並行複製方案演進歷史及原理分析

ITPUB社群發表於2023-03-06
MySql並行


有過線上 MySQL 維護經驗的童鞋都知道，主從延遲往往是一個讓人頭疼不已的問題。

不僅僅是其造成的潛在問題比較嚴重，而且主從延遲原因的定位尤其考量 DBA 的綜合能力：既要熟悉複製的內部原理，又能解讀主機層面的資源使用情況，甚至還要會分析 binlog。

導致主從延遲的一個常見原因是，對於 binlog 中的事務，從庫上只有一個 SQL 執行緒進行重放，而這些事務在主庫中是併發寫入的。

就好比你多個人（多執行緒）挖坑，我一個人（單執行緒）來填，本來就雙拳難敵四手，在你挖坑速度不快的情況下，我尚能應付。一旦你稍微加速，我則力有不逮，只能眼睜睜地看著你挖的坑越來越深。

具體在 MySQL 中，則意味著 Seconds_Behind_Master 的值越來越大。

本文主要包括以下幾部分：

1、主從延遲的危害。

2、並行複製方案簡介。

3、MySQL 5.7 基於組提交的並行複製方案，包括 Commit-Parent-Based 方案和 Lock-Based 方案。

4、MySQL 8.0 基於 WRITESET 的並行複製方案。

5、對 COMMIT_ORDER，WRITESET_SESSION，WRITESET 這三種方案的壓測結果。

6、如何開啟並行複製。

一、主從延遲的危害

主從延遲帶來的問題，主要體現在以下兩個方面：

1、對於讀寫分離的業務，主從延遲意味著業務會讀到舊資料。

2、主從延遲過大，會影響資料庫的高可用切換。這一點尤其需要注意。

  • 如果等待從庫應用完差異的 binlog 才做高可用切換，無疑會影響資料庫服務的可用性。

  • 如果不等待，直接切換，則意味著沒應用完的這部分 binlog 的資料會丟失，業務不一定能接受這種情況。

二、並行複製方案簡介

MySQL官方先後提出了多個不同的並行複製方案，具體如下。

1、MySQL 5.6 基於庫級別的並行複製方案。

2、MySQL 5.7 基於組提交的並行複製方案。

3、MySQL 8.0 基於 WRITESET 的並行複製方案。

因為線上大部分環境都是單庫多表的，所以基於庫級別的並行複製實際上用得並不多。

下面，重點看看後兩個方案的實現原理。

三、基於組提交的並行複製方案

MySQL 5.7 基於組提交的並行複製方案，先後經歷了兩個版本的迭代：Commit-Parent-Based 方案和 Lock-Based 方案。

3.1 Commit-Parent-Based 方案

MySQL 會將一個事務拆分為兩個階段進行處理：Prepare 階段和 Commit 階段。

另外，InnoDB 使用的鎖機制是悲觀鎖。在悲觀鎖中，事務是在操作之初執行加鎖操作，如果鎖資源被其它事務佔用了，則該事務會被阻塞。

基於這兩點，我們不難推斷出，兩個事務如果都進入了 Prepare 階段，則意味著它們之間是沒有鎖衝突的，在從庫重放時可並行執行。這就是 Commit-Parent-Based 方案的核心思想。

具體實現上：

1、主庫有個全域性計數器（global counter），每次在事務儲存引擎層提交之前，都會增加這個計數器。

2、在事務進入 Prepare 階段之前，會將全域性計數器的當前值記錄在事務中，這個值稱為事務的 commit-parent。

3、這個 commit-parent 會寫入 binlog，記錄在事務的頭部。

4、從庫重放時，如果發現兩個事務的 commit-parent 相同，會並行執行這兩個事務。

以下面這 7 個事務為例，看看這 7 個事務在從庫的並行執行情況。

Trx1 ------------P----------C-------------------------------->
                            |
Trx2 ----------------P------+---C---------------------------->
                            |   |
Trx3 -------------------P---+---+-----C---------------------->
                            |   |     |
Trx4 -----------------------+-P-+-----+----C----------------->
                            |   |     |    |
Trx5 -----------------------+---+-P---+----+---C------------->
                            |   |     |    |   |
Trx6 -----------------------+---+---P-+----+---+---C---------->
                            |   |     |    |   |   |
Trx7 -----------------------+---+-----+----+---+-P-+--C------->
                            |   |     |    |   |   |  |

示例中的 Trx 指的是事務，P 指的是事務在進行 Prepare 階段之前，讀取 commit-parent 的時間點。C 指的是事務在進行 Commit 階段之前，增加全域性計數器的時間點。

下面看看這 7 個事務的並行執行情況。

  • Trx1、Trx2、Trx3 並行執行。

  • Trx4 序列執行。

  • Trx5、Trx6 並行執行。

  • Trx7 序列執行。

這在很大程度上實現了並行，但還不夠完美。

實際上，Trx4、Trx5、Trx6 可並行執行，因為它們同時進入了 Prepare 階段。同理，Trx6、Trx7 也可並行執行。

基於此，官方迭代了並行複製方案，推出了新的 Lock-Based 方案。

3.2 Lock-Based 方案

該方案引入了鎖區間（locking interval）的概念，鎖區間定義了一個事務持有鎖的時間範圍。具體來說，

1、將 Prepare 階段，最後一個 DML 語句獲取鎖的時間點，定義為鎖區間的開始點。

2、將儲存引擎層提交之前，鎖釋放的時間點，定義為鎖區間的結束點。

如果兩個事務的鎖區間存在交集，則意味著這兩個事務沒有鎖衝突，可並行重放。例如，

Trx1 -----L---------C------------>
Trx2 ----------L---------C------->

反之，則不可並行重放，例如，

Trx1 -----L----C----------------->
Trx2 ---------------L----C------->

這裡的 L 代表鎖區間的開始點，C 代表鎖區間的結束點。

在具體實現上，主庫引入了以下 4 個變數：

1、global.transaction_counter：事務計數器。

2、transaction.sequence_number：事務序列號。

在事務進入 Prepare 階段之前，會將 global.transaction_counter 自增加 1 並賦值給 transaction.sequence_number。

transaction.sequence_number = ++global.transaction_counter

序列號不是一直遞增的，每切換一個 binlog，都會將 transaction.sequence_number 重置為 1。

3、global.max_committed_transaction：當前已提交事務的最大序列號。

在事務進行儲存引擎層提交之前，會取 global.max_committed_transaction 和當前事務的 sequence_number 的最大值，賦值給 global.max_committed_transaction。

global.max_committed_transaction = max(global.max_committed_transaction,
                                           transaction.sequence_number)

4、transaction.last_committed：在事務進入 Prepare 階段之前，已提交事務的最大序列號。

transaction.last_committed = global.max_committed_transaction

在這 4 個變數中，transaction.sequence_number 和 transaction.last_committed 會寫入 binlog。

具體來說，對於 GTID 複製，它們會寫入 GTID_LOG_EVENT；對於非 GTID 複製，則寫入 ANONYMOUS_GTID_LOG_EVENT 。

對於示例中的 7 個事務，記錄在 binlog 中的 last_committed、sequence_number 如下所示：

Trx1: last_committed=0 sequence_number=1
Trx2: last_committed=0 sequence_number=2
Trx3: last_committed=0 sequence_number=3
Trx4: last_committed=1 sequence_number=4
Trx5: last_committed=2 sequence_number=5
Trx6: last_committed=2 sequence_number=6
Trx7: last_committed=5 sequence_number=7

3.3 從庫並行重放的邏輯

下面說說從庫並行重放的邏輯。

從庫引入了一個事務佇列（ transaction_sequence ），包含了當前正在執行的事務。

該佇列是有序的，按照事務的 sequence_number 從小到大排列。這個佇列中的事務可並行執行。

一個新的事務能否插入這個佇列，唯一的判斷標準是，事務的 last_committed 是否小於佇列中第一個事務的 sequence_number。只有小於才允許插入。

transaction.last_committed < transaction_sequence[0].sequence_number 

最後，回到示例中的 7 個事務，結合 binlog 中的 last_committed 和 sequence_number，我們看看這 7 個事務的並行執行情況。

  • Trx1、Trx2、Trx3 並行執行。

  • Trx1 執行完畢後，Trx4 可加入佇列。

  • Trx2 執行完畢後，Trx5、Trx6 可加入佇列。

  • Trx5 執行完畢後，Trx7 可加入佇列。

不難發現，相對於 Commit-Parent-Based 方案，Lock-Based 方案的並行度確實大大提高了。

3.4 組提交方案小結

無論是 Commit-Parent-Based 方案，還是 Lock-Based 方案，依賴的都是組提交（Group Commit）。

組提交方案有以下兩個特點：

1、適用於高併發場景。因為只有在高併發場景下，才會有更多的事務放到一個組（Group）中提交。

2、在級聯複製中，層級越深，並行度越低。

針對低併發場景，如果要提升從庫的並行效率，可調整以下兩個引數：

binlog_group_commit_sync_delay

binlog 刷盤（fsync）之前等待的時間。單位微秒，預設為 0，不等待。

該值越大，一個組內的事務就越多，相應地，從庫的並行度也就越高。但該值越大，客戶端的響應時間也會越長。

binlog_group_commit_sync_no_delay_count

在 binlog_group_commit_sync_delay 時間內，允許等待的最大事務數。

如果 binlog_group_commit_sync_delay 設定為 0，則此引數無效。

四、WRITESET 方案

MySQL 8.0 推出了 WRITESET 方案。該方案推出的初衷實際上是為 Group Replication 服務的，主要是用於認證階段（Certification）的衝突檢測。

WRITESET 方案的核心思想是，兩個來自不同節點的併發事務，只要沒修改同一行，就不存在衝突。對於沒有衝突的併發事務，在寫入relay log 中時，可以共享一個 last_committed。

這裡的衝突檢測，實際上比較的是兩個事務之間的寫集合（writeset）。

注意，writeset 和 WRITESET 兩者的區別，前者指的是事務的寫集合，後者則特指 WRITESET 方案。

4.1 事務寫集合的生成過程

下面來看看事務 writeset 的生成過程。具體步驟如下：

1、首先提取被修改行的主鍵、唯一索引、外來鍵資訊。一張表，如果有主鍵和一個唯一索引，則每修改一行，會提取兩條約束資訊：一條針對主鍵，另一條針對唯一索引。針對主鍵的，提取的資訊包括主鍵名、庫名、表名、主鍵值，這些資訊會拼湊為一個字串。

2、計算該字串的雜湊值，具體的雜湊演算法由 transaction_write_set_extraction 引數指定。

3、將計算後的雜湊值插入當前事務的寫集合。

4.2  WRITESET 方案的實現原理

接下來，結合原始碼看看 WRITESET 方案的實現原理。

void Writeset_trx_dependency_tracker::get_dependency(THD *thd,
                                                     int64 &sequence_number,
                                                     int64 &commit_parent) {
  Rpl_transaction_write_set_ctx *write_set_ctx =
      thd->get_transaction()->get_transaction_write_set_ctx();
  std::vector<uint64> *writeset = write_set_ctx->get_write_set();

#ifndef NDEBUG
  /* 空事務的寫集合必須為空 */
  if (is_empty_transaction_in_binlog_cache(thd)) assert(writeset->size() == 0);
#endif

  /*
    判斷一個事務能否使用 WRITESET 方案
  */
  bool can_use_writesets =
      // 事務寫集合的大小不為 0 或者事務為空事務
      (writeset->size() != 0 || write_set_ctx->get_has_missing_keys() ||
       is_empty_transaction_in_binlog_cache(thd)) &&
      // 事務的 transaction_write_set_extraction 必須與全域性設定一致
      (global_system_variables.transaction_write_set_extraction ==
       thd->variables.transaction_write_set_extraction) &&
      // 不能被其它表外來鍵關聯
      !write_set_ctx->get_has_related_foreign_keys() &&
      // 事務寫集合的大小不能超過 binlog_transaction_dependency_history_size
      !write_set_ctx->was_write_set_limit_reached();
  bool exceeds_capacity = false;

  if (can_use_writesets) {
    /*
     檢查 m_writeset_history 加上事務寫集合的大小是否超過 m_writeset_history 的上限，
     m_writeset_history 的上限由引數 binlog_transaction_dependency_history_size 決定 
    */
    exceeds_capacity =
        m_writeset_history.size() + writeset->size() > m_opt_max_history_size;

    /*
     計算所有衝突行中最大的 sequence_number，並將被修改行的雜湊值插入 m_writeset_history
    */
    int64 last_parent = m_writeset_history_start;
    for (std::vector<uint64>::iterator it = writeset->begin();
         it != writeset->end(); ++it) {
      Writeset_history::iterator hst = m_writeset_history.find(*it);
      if (hst != m_writeset_history.end()) {
        if (hst->second > last_parent && hst->second < sequence_number)
          last_parent = hst->second;

        hst->second = sequence_number;
      } else {
        if (!exceeds_capacity)
          m_writeset_history.insert(
              std::pair<uint64, int64>(*it, sequence_number));
      }
    }
    // 如果表上都存在主鍵，則會取 last_parent 和 commit_parent 的較小值作為事務的 commit_parent。
    if (!write_set_ctx->get_has_missing_keys()) {
      commit_parent = std::min(last_parent, commit_parent);
    }
  }

  if (exceeds_capacity || !can_use_writesets) {
    m_writeset_history_start = sequence_number;
    m_writeset_history.clear();
  }
}

該函式的處理流程如下：

1、呼叫函式時，會傳入事務的 sequence_number，commit_parent（last_committed），這兩個值是基於 Lock-Based 方案生成的。

2、獲取事務的寫集合。可以看到，事務的寫集合是陣列型別。

3、判斷一個事務能否使用 WRITESET 方案。

以下場景不能使用 WRITESET 方案，此時，只能使用 Lock-Based 方案生成的 last_committed。

  • 事務沒有寫集合。常見的原因是表上沒有主鍵。
  • 當前事務 transaction_write_set_extraction 的設定與全域性不一致。
  • 表被其它表外來鍵關聯。
  • 事務寫集合的大小超過 binlog_transaction_dependency_history_size。

4、如果能使用 WRITESET 方案。

4.1、首先判斷 m_writeset_history 的容量是否超標。

具體來說，m_writeset_history + writeset 的大小是否超過 binlog_transaction_dependency_history_size 的設定。

4.2、將 m_writeset_history_start 賦值給變數 last_parent。

m_writeset_history_start 代表不在 m_writeset_history 中最後一個事務的 sequence_number，其初始值為 0。

當引數 binlog_transaction_dependency_tracking 發生變化或清空 m_writeset_history 時，會更新 m_writeset_history_start。

4.3、迴圈遍歷事務的寫集合，判斷被修改行對應的雜湊值是否在 m_writeset_history 存在。

若存在，則意味著 m_writeset_history 存在同一行的操作。既然是同一行的不同操作，自然就不能並行重放。這個時候，會將 m_writeset_history 中該行的 sequence_number 賦值給 last_parent。

需要注意的是，這裡會迴圈遍歷完事務的寫集合，畢竟這個事務中可能有多條記錄在 m_writeset_history 中存在。

在遍歷的過程中，會判斷 m_writeset_history 中衝突行的 sequence_number 是否大於 last_parent，只有大於才會賦值。換言之，這裡會取所有衝突行中最大的 sequence_number，賦值給 last_parent。

若不存在，則判斷 m_writeset_history 的容量是否超標，若不超標，則會將被修改行的雜湊值插入 m_writeset_history。

可以看到，m_writeset_history 是個字典型別。其中 key 儲存的是被修改行的雜湊值，value 儲存的是事務的 sequence_number。

5、判斷被操作的表上是否都存在主鍵。

若存在，才會取 last_parent 和 commit_parent 的較小值作為事務的 commit_parent。否則，使用的還是 Lock-Based 方案生成的commit_parent。

6、如果 m_writeset_history 容量超標或者事務不能使用 WRITESET 方案，則會將當前事務的 sequence_number 賦值給m_writeset_history_start，同時清空 m_writeset_history。

4.3 WRITESET 方案的相關引數

下面看看 WRITESET 方案的三個引數。

binlog_transaction_dependency_tracking

指定基於何種方案決定事務的依賴關係。對於同一個事務，不同的方案可生成不同的 last_committed。

該引數有以下取值：

  • COMMIT_ORDER：基於 Lock-Based 方案決定事務的依賴關係。預設值。

  • WRITESET：基於 WRITESET 方案決定事務的依賴關係。

  • WRITESET_SESSION：同 WRITESET 類似，只不過同一個會話中的事務不能並行執行。

transaction_write_set_extraction

指定事務寫集合的雜湊演算法，可設定的值有：OFF，MURMUR32，XXHASH64（預設值）。

對於 Group Replication，該引數必須設定為 XXHASH64。

注意，若要將 binlog_transaction_dependency_tracking 設定為 WRITESET 或 WRITESET_SESSION，則該引數不能設定為 OFF。

binlog_transaction_dependency_history_size

m_writeset_history 的上限，預設 25000。

一般來說，binlog_transaction_dependency_history_size 越大，m_writeset_history 能儲存的行的資訊就越多。在不出現行衝突的情況下，m_writeset_history_start 也會越小。相應地，新事務的 last_committed 也會越小，在從庫重放的併發度也會越高。

五、壓測結果

接下來，看看 MySQL 官方對於 COMMIT_ORDER，WRITESET_SESSION，WRITESET 這三種方案的壓測結果。

主庫環境：16 核，SSD，1個資料庫，16 張表，共 800w 條資料。

壓測場景：OLTP Read/Write, Update Indexed Column 和 Write-only。

壓測方案：在關閉複製的情況下，在不同的執行緒數下，注入 100w 個事務。開啟複製，觀察不同執行緒數下，不同方案的從庫重放速度。

三個場景下的壓測結果如圖所示。

MySQL 並行複製方案演進歷史及原理分析

MySQL 並行複製方案演進歷史及原理分析

MySQL 並行複製方案演進歷史及原理分析

分析壓測結果，我們可以得出以下結論。

1、對於 COMMIT_ORDER 方案，主庫併發度越高，從庫的重放速度越快。

2、對於 WRITESET 方案，主庫的併發執行緒數對其幾乎沒有影響。甚至，單執行緒下 WRITESET 的重放速度都超過了 256 執行緒下的COMMIT_ORDER。

3、與 COMMIT_ORDER 一樣，WRITESET_SESSION 也依賴於主庫併發。只不過，在主庫併發執行緒數較低（4 執行緒、8 執行緒）的情況下，WRITESET_SESSION 也能實現較高的吞吐量。

六、如何開啟並行複製

在從庫上設定以下三個引數。

slave_parallel_type = LOGICAL_CLOCK
slave_parallel_workers = 16
slave_preserve_commit_order = ON

下面看看這三個引數的的具體含義。

slave_parallel_type

設定從庫並行複製的型別。該引數有以下取值：

  • DATABASE：基於庫級別的並行複製。MySQL 8.0.27 之前的預設值。
  • LOGICAL_CLOCK：基於組提交的並行複製。

slave_parallel_workers

設定 Worker 執行緒的數量。開啟了多執行緒複製，原來的 SQL 執行緒將演變為 1 個 Coordinator 執行緒和多個 Worker 執行緒。

slave_preserve_commit_order

事務在從庫上的提交順序是否與主庫保持一致，建議開啟。

需要注意的是，調整這三個引數，需要重啟複製才能生效。

從 MySQL 5.7.22、MySQL 8.0 開始，可使用 WRITESET 方案進一步提升並行複製的效率，此時，需在主庫上設定以下引數。

binlog_transaction_dependency_tracking = WRITESET_SESSION
transaction_write_set_extraction = XXHASH64
binlog_transaction_dependency_history_size = 25000
binlog_format = ROW

注意，基於 WRITESET 的並行複製方案，只在 binlog 格式為 ROW 的情況下才生效。

七、參考資料

1、WL#6314: MTS: Prepared transactions slave parallel applier：https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=6314

2、WL#6813: MTS: ordered commits (sequential consistency)：https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=6813

3、WL#7165: MTS: Optimizing MTS scheduling by increasing the parallelization window on master：https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=7165

4、WL#8440: Group Replication: Parallel applier support：https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=8440

5、WL#9556: Writeset-based MTS dependency tracking on master：https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=9556

6、WriteSet並行複製：

7、Improving the Parallel Applier with Writeset-based Dependency Tracking：

來自 “ ITPUB部落格 ” ，連結：http://blog.itpub.net/70024420/viewspace-2938244/，如需轉載，請註明出處，否則將追究法律責任。

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