详谈 MySQL 8.0 原子 DDL 原理

柯煜昌 青云科技研发顾问级工程师 目前从事 RadonDB 容器化研发,华中科技大学研究生毕业,有多年的数据库内核开发经验。

文章字数 3800+,阅读时间 15 分钟

背景

MySQL 5.7 的字典信息保存在非事务表中,并且存放在不同的文件中(.FRM,.PAR,.OPT,.TRN,.TRG 等)。所有 DDL 操作都不是 Crash Safe,而且对于组合 DDL(ALTER 多个表)会出现有的成功有的失败的情况,而不是总体失败。这样主从复制就出现了问题,也导致基于复制的高可用系统不再安全。

MySQL 8.0 推出新特性 - 原子 DDL,解决了以上的问题。

什么是原子 DDL?

DDL 是指数据定义语言(Data Definition Language),负责数据结构的定义与数据对象的定义。原子 DDL 是指一个 DDL 操作是不可分割的,要么全成功要么全失败。

有哪些限制?

MySQL 8.0 只有 InnoDB 存储引擎支持原子 DDL。

支持语句:数据库、表空间、表、索引的 CREATE、ALTER 以及 DROP 语句,以及 TRUNCATE TABLE 语句。

MySQL 8.0 系统表均以 InnoDB 存储引擎存储,涉及到字典对象的均支持原子 DDL。

支持的语句:存储过程、触发器、视图以及用户定义函数(UDF)的 CREATE 和 DROP 、ALTER 操作,用户和角色的 CREATE、ALTER、DROP 语句,以及适用的 RENAME 语句,以及 GRANT 和 REVOKE 语句。

不支持的语句:

  • INSTALL PLUGIN、UNINSTALL PLUGIN
  • INSTALL COMPONENT、UNINSTALL COMPONENT
  • REATE SERVER、ALTER SERVER、DROP SERVER

实现原理是什么?

首先,8.0 将字典信息存放到事务引擎的系统表(InnoDB 存储引擎)中。这样 DDL 操作转变成一组对系统表的 DML 操作,从而失败后可以依据事务引擎自身的事务回滚保证系统表的原子性。

似乎 DDL 原子性就此就可以完成,但实际上并没有这么简单。首先字典信息不光是系统表,还有一组字典缓存,如:

  • Table Share 缓存
  • DD 缓存
  • InnoDB 中的 dict

此外,字典信息只是数据库对象的元数据,DDL 操作不光要修改字典信息,还要实实在在的操作对象,以及对象本身在内存中缓存。

  • 表空间
  • Dynamic meta
  • Btree
  • ibd 文件
  • buffer pool 中表空间的 page 页

此外,binlog 也要考虑 DDL 失败的情况。

因此,原子 DDL 在处理 DDL 失败的时候,不光是直接回滚系统表的数据,而且也要保证内存缓存,数据库对象也能回滚到一致状态。

实现细节

为了解决 DDL 失败情况中数据库对象的回滚,8.0 引入了系统表 DDL_LOG。该表在 mysql 库中。不可见,也不能人为操作。如果想了解该表的结果,先编译一个 debug 版的 MySQL:

SET SESSION debug='+d,skip_dd_table_access_check';
show create table  mysql.innodb_ddl_log;

可以看到如下表结构:

CREATE TABLE innodb_ddl_log (
  id bigint unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  thread_id bigint unsigned NOT NULL,
  type int unsigned NOT NULL,
  space_id int unsigned DEFAULT NULL,
  page_no int unsigned DEFAULT NULL,
  index_id bigint unsigned DEFAULT NULL,
  table_id bigint unsigned DEFAULT NULL,
  old_file_path varchar(512) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin DEFAULT NULL,
  new_file_path varchar(512) CHARACTER SET utf8 COLLATE utf8_bin DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (id),
  KEY thread_id (thread_id)
) /*!50100 TABLESPACE mysql */ ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=48 DEFAULT CHARSET=utf8 COLLATE=utf8_bin STATS_PERSISTENT=0 ROW_FORMAT=DYNAMIC

在 8.0 中,这个表需要满足两个场景以及两个任务:

  • 场景 1: 符合 DDL 失败的场景,需要回滚部分完成的 DDL。
  • 场景 2:DDL 进行中,发生故障(掉电、软硬件故障等),重启机器需要完成部分 DDL。

两个任务:

  • 任务 1:失败后回滚,执行反向操作。
  • 任务 2:如果成功,则执行清理工作。

也许有人会问,为什么执行成功需要执行清理工作呢?

之所以要执行清理工作,因为 ibd 文件和索引一旦删除就不能恢复。为了实现回滚,DDL 删除这些对象时候,并不是真正删除,而是先将它们备份一下,以备回滚时使用。所以只有确认 DDL 已经执行成功,这些备份对象不需要了,才执行清理工作。

举个例子

为了将这个原理将清楚,我们流程相对简单的 CREATE TABLE 讲起,管中窥豹,可见一斑。假设已经有编译好了 8.0 debug 版本,并且 innodb_file_per_table 为 on,先执行以下命令:

mysql> set global log_error_verbosity=3;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> set global innodb_print_ddl_logs = on;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

从而开启了ddl log的日志,然后创建表:

mysql> create table t2 (a int);
Query OK, 0 rows affected (25 min 26.42 sec)

可以看到如下日志:

XXXXX 8 [Note] [MY-012473] [InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DELETE SPACE, id=20, thread_id=8, space_id=6, old_file_path=./test/t2.ibd]
XXXXX 8 [Note] [MY-012478] [InnoDB] DDL log delete : 20
XXXXX 8 [Note] [MY-012477] [InnoDB] DDL log insert : [DDL record: REMOVE CACHE, id=21, thread_id=8, table_id=1067, new_file_path=test/t2]
XXXXX 8 [Note] [MY-012478] [InnoDB] DDL log delete : 21
XXXXX 8 [Note] [MY-012472] [InnoDB] DDL log insert : [DDL record: FREE, id=22, thread_id=8, space_id=6, index_id=157, page_no=4]
XXXXX 8 [Note] [MY-012478] [InnoDB] DDL log delete : 22
XXXXX 8 [Note] [MY-012485] [InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 8
XXXXX 8 [Note] [MY-012486] [InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 8 

create table 的 DDL 只有反向操作日志记录,而无清理操作日志记录。细心的读者可能看到日志中插入某条 DDL log,随后又将其删除,会心生疑惑。但这正是 MySQL 原子 DDL 的秘密所在。我们选 DELETE SPACE 这个 DDL 日志写入函数Log_DDL::write_delete_space_log 来揭秘这个过程。

dberr_t Log_DDL::write_delete_space_log(trx_t *trx, const dict_table_t *table,

space_id_t space_id,

const char *file_path, bool is_drop,

bool dict_locked) {

ut_ad(trx == thd_to_trx(current_thd));

ut_ad(table == nullptr || dict_table_is_file_per_table(table));

if (skip(table, trx->mysql_thd)) {

return (DB_SUCCESS);

}

uint64_t id = next_id();

ulint thread_id = thd_get_thread_id(trx->mysql_thd);

dberr_t err;

trx->ddl_operation = true;

DBUG_INJECT_CRASH("ddl_log_crash_before_delete_space_log",

crash_before_delete_space_log_counter++);

if (is_drop) { //(1)

err = insert_delete_space_log(trx, id, thread_id, space_id, file_path,

dict_locked);

if (err != DB_SUCCESS) {

return err;

}

DBUG_INJECT_CRASH("ddl_log_crash_after_delete_space_log",

crash_after_delete_space_log_counter++);

} else { // (2)

err = insert_delete_space_log(nullptr, id, thread_id, space_id, file_path,

dict_locked);

if (err != DB_SUCCESS) {

return err;

}

DBUG_INJECT_CRASH("ddl_log_crash_after_delete_space_log",

crash_after_delete_space_log_counter++);

DBUG_EXECUTE_IF("DDL_Log_remove_inject_error_2",

srv_inject_too_many_concurrent_trxs = true;);

err = delete_by_id(trx, id, dict_locked); //(3)

ut_ad(err == DB_SUCCESS || err == DB_TOO_MANY_CONCURRENT_TRXS);

DBUG_EXECUTE_IF("DDL_Log_remove_inject_error_2",

srv_inject_too_many_concurrent_trxs = false;);

DBUG_INJECT_CRASH("ddl_log_crash_after_delete_space_delete",

crash_after_delete_space_delete_counter++);

}

return (err);

}

create table 这个过程中调用write_delete_space_logis_dropfalse,执行以上代码执行分支 (2)(3) 。注意的是 insert_delete_space_log 第一个参数为空,这意味着会在创建一个后台事务(调用trx_allocate_for_background)插入DELETE_SPACE 记录到innodb_ddl_log 表中,然后提交该事务。注意到(3)delete_by_id 第一个参数为trx , 这里的trx 即本次 DDL 的事务,(3) 所做的动作是在本次事务中删除(2)插入的记录。

为什么是这样的逻辑呢?

详谈 MySQL 8.0 原子 DDL 原理插图

以下分两种情况来讨论,如上图所示:

  1. 如果插入 DDL log 之后,DDL 的各个步骤都成功执行,最后事务trx 成功提交,那么 innodb_ddl_log 并没有该 DDL 的记录,因此在后续的post_ddl 中什么也不做(post_ddl 在后面会描述)。
  2. 如果插入 DDL log 之后,DDL 的某个步骤失败,则 DDL 所在的事务trx会回滚。此时,上图中delete [DELETE SPACE, id=20]这个动作也会回滚。最后,innodb_ddl_log 中就会存在DELETE SPACE 这条记录,后续执行post_ddl 进行 Replay(重演), 从而删除这次失败的create table 的 DDL 已经创建的表空间。你可以发现,create table 的 DDL 创建表空间,就一定会以这样的机制往innodb_ddl_log 中插入一条相反的动作DELETE SPACE的日志记录,所以也被称为反向操作日志。

其它 DDL log 记录的操作如REMOVE CACHEFREE 日志记录的写入也是类似的逻辑。复杂的 DDL,不光是会插入反向操作日志记录,也会插入清理操作日志。比如TRUNCATE 表操作会将原有的表空间重命名为一个零时表空间,当 DDL 成功之后,需要通过post_ddl Replay DDL log 记录,将临时表空间删除。如果失败,又需要 post_ddl重演 DDL log,执行反向操作,将临时表空间重命名为原来的表空间。总之,如果是反向操作日志,则使用background trx 插入并提交,然后使用trx 删除;如果是清理日志,则使用trx 插入即可。

注意:innodb_ddl_log表与其他 InnoDB 表一样,对该表所有操作 InnoDB 引擎都会产生 Redo 日志与 Undo 记录,所以不要将 DDL log 表中反向操作记录看作 Undo log,这两者不在同一个抽象层次上。而且反向操作在另一个事务中执行,而回滚时,Undo log 则是在原有同一个事务上执行。

需要探讨的几个问题

DDL 是否有必要日志刷盘?

我们知道 MySQL 有一个 innodb_flush_log_at_trx_commit 参数,当设置为 0 时,提交时并不会立刻将 Redo log 刷入持久存储中。虽然能提高性能,但在掉电或者停机时会有一定概率丢失已经提交的事务。对于 DML 操作来说,这样仅仅是丢失事务,但对于 DDL 来说,丢失 DDL 的事务,就会导致数据库元数据与其他数据不一致,以至数据库系统无法正常工作。

所以,在trx_commit 会根据该事务是否为 DDL 操作,进行特殊处理:

无论innodb_flush_log_at_trx_commit参数如何设置,与 DDL 有关的事务,提交时必须日志刷盘!

DDL log 的写入时机

在理解了 DDL log 的机制之后,笔者问大家一个问题,对于create table 来说,是先执行write_delete_space_log 还是先创建表空间呢?

我们先假设是先创建表空间(A 动作),再写反向操作日志(B 动作)。如果 A 执行结束后出现掉的情况,此时 B 还未执行,此时create table 动作并没有完成,而innodb_ddl_log 不存在DELETE SPACE 这样的 DDL 反向日志记录,数据库崩溃恢复后,数据库系统会将系统表数据回滚,但是 A 创建的表空间却没有删除,由于存在中间状态,此时create table 就不是原子DDL 了。

所以,在 DDL 中每个步骤中,先写入该步骤的反向操作日志记录到innodb_ddl_log ,再执行该步骤。也就是说 DDL Log 写入时机在执行步骤之前。如果create table 已经写入了 DDL log, 但是没有创建表空间就出现掉电情况呢? 这并不要紧,在 post_ddl 做 Replay 的时候,会进行处理。

Replay 的调用逻辑

在 DDL 操作完成之后,无论 DDL 的事务提交还是回滚,都会调用post_ddl 函数,post_ddl 则会调用replay函数进行 Replay。此外,MySQL 8.0 数据库崩溃恢复过程中,与 MySQL 5.7 相比,也多了ha_post_recover的过程,它会调用log_ddl->recoverinnodb_ddl_log 所有的日志记录进行 Replay。

post_ddl调用的是replay_by_thread_id,崩溃恢复中ha_post_recover 调用的是replay_all,其逻辑如下描述:

  1. 依据传入的thread_id 为索引(thread_idtrx 是可以一一对应的),以逆序方式将所有记录获取出来,然后根据记录的内容,依次执行 Replay 动作,最后删除已经重演的记录。
  2. replay_allinnodb_ddl_log 所有记录逆序方式获取出来,依次执行 Replay 动作,最后删除已经重演的记录。

可以看到,以上两个函数都有将记录逆序的获取的过程,为什么要逆序呢?

逆函数

1、反向操作

我们如果将 DDL 中每个步骤看做一个函数,参数为数据库系统。假设第 i 个步骤函数为oi,那么n个步骤就是 n 个函数的复合函数:

详谈 MySQL 8.0 原子 DDL 原理插图1

也即,复合函数的逆时所有步骤逆函数的反向复合。所以反向操作需要将 DDL log 逆序进行处理。

2、清理操作

DDL 的清理动作往往没有顺序要求,逆向操作与正向操作效果往往是一样的,所以统一进行逆序处理也没有问题。

幂等性

与 Redo、Undo 类似,每个类型的日志重演均要考虑其幂等性。

所谓幂等性,就是执行多次和执行一次的效果是一样的。特别是在崩溃恢复的时候,在重演反向操作的时候,尚未完成时发生掉电故障,重新进行崩溃恢复。此时某项重演操作可能发生多次。

因此,MySQL 8.0 实现这些重演操作,必须要考虑幂等性。最典型是重演一些删除操作,必须先判断数据库对象是否存在。如果存在,才进行删除,否则什么都不做。

Tips:说到这里,笔者推荐一本书《具体数学:计算机科学中的一块基石》此书讲解了许多计算机科学中用到的数学知识及技巧,并特别著墨于算法分析方面。

Server 层的动作

  1. DDL 开始更新,无论失败与否,table share 都要进行缓存更新,tdc_remove_table;
  2. DDL 成功之后,执行事务提交,否则执行事务回滚;
  3. 无论事务提交还是回滚,都要调用 post_ddlpost_ddl 作用在前面已经描述,用以r Replay 系统表 innodb_ddl_log 记录的日志;
  4. 崩溃恢复时候,除了执行 Redo 日志,回滚未提交的事务之后,还需要执执行 ha_post_recover,而 InnoDB 的 ha_post_recover 就是调用 post_ddl 执行 DDL 的反向操作;
  5. binglog 处理只有一个原则,就是 DDL 事务成功。并且提交之后,才调用 write_bin_log 写 binlog。

注意事项

  1. MySQL 8.0 支持原子 DDL,并不意味着 DDL 可以通过 SQL 语句命令进行回滚。实际上除了 SQLServer 外,几乎所有的数据库系统不支持 DDL 的 SQL 命令进行回滚,DDL 回滚引入的问题远远多于其带来的好处。
  2. MySQL 8.0 只承诺单个 DDL 语句的原子性,并不能保证多个 DDL 组合也能保持原子性。某大厂为了实现 Truncate table flashback ,仅仅在 MySQL 的 Server 层将 truncate table 动作转换为 rename table 动作,flashback 的时候将表、索引、约束重新以 RENAME DDL 组合执行来实现 flashback,这个是及其危险的,不保证其原子性。笔者也完成过此功能,并没有如此取巧,而是老老实实的从 Server 层、InnoDB 存储引擎、binlog 各方面进行改造,完整保证其原子性。
  3. MySQL 8.0 用这种方法实现原子 DDL,并不意味着其它数据库也是这种方式实现原子DDL。

参考

文章来源于互联网:详谈 MySQL 8.0 原子 DDL 原理

THE END
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