MYSQL中binlog優化的一些思考彙總

問題

問題1：如何解決事務提交時flush redo log帶來的性能損失

WAL是實現事務持久性(D)的一個常用技術，基本原理是將事務的修改記錄redo log。redo log順序追加寫入。事務提交時，只需要保證事務的redo log落盤即可，通過redo log的順序寫代替頁面的隨機寫提升數據庫系統的性能。但是，該方案必須要求每個事務提交時都將其生成的redo log進行一次刷盤，效率不高。

問題2：binlog和引擎層事務提交的順序問題

對於單個事務而言，日誌寫入順序是先redo log再binlog，只要維持該順序即可維持正確性。但對於一個高併發的數據庫系統而言，每時每刻可能都會存在眾多併發執行的事務。我們還需要通過一定的手段來維護Server層binlog和引擎層事務提交的順序一致性。

維護這種順序一致性其實是為了保證備份工具Xtrabackup的正確性。

當 binlog 作為協調者，如果其中記錄的事務順序和存儲引擎層記錄的順序不一樣的話，備份工具（Innodb Hot Backup）拿到備份集的位點可能會存在空洞。因為備份工具會拷貝 redo 日誌，在 redo 的頭部會記錄最後一個提交的事務對應的 binlog 位點，備份集建立之後就會根據這個位點繼續從主庫 dump binlog。

假如有三個事務 T1，T2，T3 已經 fsync 到 binlog 文件中，三個事務的在文件中的位點分別是 100，200，300，但是在引擎層的只有 T1 和 T3 完成了 commit 並記錄到 redo 中，最後一個 commit 的事務 T3 位點是 300。此時通過備份工具拿到的數據就是這樣的狀態，備份集啟動的時候會走崩潰恢復的流程，prepare 事務被回滾（備份集不會備份 binlog 文件，對應上個小節 xid 集合為空），自位點 300 繼續從主庫同步binlog並apply，導致 T2 在備庫就丟失了。

因此，我們必須設計一種機制來保證Server層的binlog寫入順序和存儲引擎層的事務提交順序保持一致。

問題3：同時寫redo和binlog帶來的性能下降

問題1中提到每次的事務提交會帶來性能問題，而這個問題在引入binlog後會變得更加嚴重。每個事務提交都會增加一次文件IO，且需要刷盤。如果系統併發比較高，那麼這些IO將會成為拖慢整體性能的瓶頸。

解決方案

問題1：Redo log組提交技術

redo組提交技術思想很簡單：通過將多個事務redo log的刷盤動作合併，減少刷盤次數。Innodb的日誌系統裡面，每條redo log都有一個LSN(Log Sequence Number)。事務將日誌拷貝到redo log buffer時，都會獲取當前最大的LSN，且LSN單調遞增，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、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率先執行提交，它會要求刷盤至LSN3處，這樣就順便將Trx1、Trx2的redo log也刷了，Trx1和Trx2會判斷自己的LSN小於當前已落盤的最大LSN，就無需再次刷盤。

問題2：內部XA事務

開啟binlog情況下，引入內部XA事務來協調上層和存儲引擎層，具體來說，在事務提交時引入兩個階段：

prepare：將redo log刷盤操作以確保data頁和undo頁的更新已經刷新到磁盤，設置事務狀態為PREPARE狀態；

commit：1). 寫binlog並刷盤，2).調用引擎層事務提交接口。將事務狀態設置為COMMIT。

如此兩階段提交主要是要保證數據庫崩潰時的正確性。因為一旦binlog落盤了，它就可能被下游節點消費。這種事務必須在重啟後被commit而非rollback。而對於binlog未落盤的事務，崩潰恢復時直接回滾。

具體來說，故障恢復時，掃描最後一個binlog文件(在flush階段，如果binlog大小超過閥值，進行rotate binlog文件，會保證該文件記錄的最後一個事務一定被提交)，提取其中的xid。重做檢查點以後的redo日誌，讀取事務的undo段信息，蒐集處於prepare階段的事務列表，將事務的xid與binlog中記錄的xid對比，若存在，則提交，否則就回滾。

MySQL5.6以前，為了保證數據庫binlog的寫入順序和InnoDB層的事務提交順序一致，MySQL數據庫內部使用了prepare_commit_mutex鎖。

具體來說，在兩階段提交引擎層 prepare 的時候加鎖，在引擎層 commit 之後釋放鎖：

  innobase_xa_prepare()  write() and fsync() binary log  innobase_commit()

這樣確實可以保證 binlog 和 innodb 的事務順序一致，但是這把鎖會導致所有的事務串行化執行，且每次提交都會至少調用多次fsync，效率很低。這也是接下來需要探討並解決的一個問題。

問題4

參考redo log優化技術，引入組提交技術來優化binlog的寫入性能。

考慮未優化時事務提交流程：

prepare：該階段刷存儲引擎層(innodb)的redo log並將事務狀態設置為PREPARED(更新undo page上事務狀態)，該階段不涉及binlog
 commit：寫binlog日誌並刷盤，同時引擎層釋放鎖，釋放回滾段、設置事務狀態為COMMITTED等
 所謂的組提交技術其本質上是將耗時的commit步驟進行更細粒度的拆分，具體來說：

將步驟2的commit 分為三個階段：

Flush：寫binlog，但不sync
 Sync： 調用 fsync 操作將文件落盤
 Commit ：調用存儲引擎接口提交事務

這裡的fsync是耗時操作，因此我們希望能攢足夠多的寫入後才進行一次fsync調用，在這裡使用batch技術。其原理是：上述步驟中的每個階段都有一個對應的任務鏈表，每個進入該階段的線程會將自己的任務加入至該鏈表中，鏈表加鎖以保證正確性。第一個加入該鏈表的線程會成為Leader，後續的線程成為Follower。鏈表中的所有任務組成一個Batch，由Leader負責執行，而Follower則等待其任務完成即可。

一旦某階段的鏈表任務執行完成，這些任務會進入下一個階段，同樣加入該階段的任務鏈表，重複上述執行流。

如此設計有以下幾點好處：

1. 使用Leader執行而非每個線程各自執行可有效減少write/fsync等調用次數，提高效率

2. 可保證事務寫binlog和引擎層提交的順序一致

3. 多事務可併發執行，而不再需要被prepare_commit_mutex鎖強制串行化
   

除此之外，MYSQL還對prepare階段刷redo log進行了進一步優化。原來的設計是多事務可併發地刷redo log，同樣效率不夠高。可以將prepare階段的redo log刷盤放在commit階段的Flush階段執行。但有個小問題需要說明的是：優化前每個線程各自負責自己的redo log的落盤，且知道需要flush的redo log的lsn，如果改為在Flush階段由其Leader線程統一落盤，此時它不瞭解每個線程的redo log的lsn，因此它簡單粗暴地flush至log_sys的最大lsn，這就保證了要提交事務的redo log一定可以被落盤。