第16節(jié)：基于WRITESET的并行復制方式

基于COMMIT_ORDER的并行復制只有在有壓力的情況下才可能會形成一組，壓力不大的情況下在從庫的并行度并不會高。但是基于WRITESET的并行復制目標就是在ORDER_COMMIT的基礎(chǔ)上再盡可能的降低last commit，這樣在從庫獲得更好的并行度（即便在主庫串行執(zhí)行的事務(wù)在從庫也能并行應(yīng)用）。它使用的方式就是通過掃描Writeset中的每一個元素（行數(shù)據(jù)的hash值）在一個叫做Writeset的歷史MAP（行數(shù)據(jù)的hash值和seq number的一個MAP）中進行比對，尋找是否有沖突的行，然后做相應(yīng)的處理，后面我們會詳細描述這種行為。如果要使用這種方式我們需要在主庫設(shè)置如下兩個參數(shù)：

  • transaction_write_set_extraction=XXHASH64
  • binlog_transaction_dependency_tracking=WRITESET

它們是在5.7.22才引入的。

一、奇怪的last commit

我們先來看一個截圖，仔細觀察其中的last commit：


image.png

我們可以看到其中的last commit看起來是亂序的，這種情況在基于COMMIT_ORDER 的并行復制方式下是不可能出現(xiàn)的。實際上它就是我們前面說的基于WRITESET的并行復制再盡可能降低的last commit的結(jié)果。這種情況會在MTS從庫獲得更好的并行回放效果，第19節(jié)將會詳細解釋并行判定的標準。

二、Writeset是什么

實際上Writeset是一個集合，使用的是C++ STL中的set容器，在類Rpl_transaction_write_set_ctx中包含了如下定義：

std::set<uint64> write_set_unique;

集合中的每一個元素都是hash值，這個hash值和我們的transaction_write_set_extraction參數(shù)指定的算法有關(guān)，其來源就是行數(shù)據(jù)的主鍵和唯一鍵。每行數(shù)據(jù)包含了兩種格式：

  • 字段值為二進制格式
  • 字段值為字符串格式

每行數(shù)據(jù)的具體格式為：

主鍵/唯一鍵名稱 分隔符 庫名 分隔符 庫名長度 表名 分隔符 表名長度 鍵字段1 分隔符 長度 鍵字段2 分隔符 長度 其他字段...

在Innodb層修改一行數(shù)據(jù)之后會將這上面的格式的數(shù)據(jù)進行hash后寫入到Writeset中。可以參考函數(shù)add_pke，后面我也會以偽代碼的方式給出部分流程。

但是需要注意一個事務(wù)的所有的行數(shù)據(jù)的hash值都要寫入到一個Writeset。如果修改的行比較多那么可能需要更多內(nèi)存來存儲這些hash值。雖然8字節(jié)比較小，但是如果一個事務(wù)修改的行很多，那么還是需要消耗較多的內(nèi)存資源的。

為了更直觀的觀察到這種數(shù)據(jù)格式，可以使用debug的方式獲取。下面我們來看一下。

三、Writeset的生成

我們使用如下表：

mysql> use test
Database changed
mysql> show create table jj10 \G
*************************** 1. row ***************************
       Table: jj10
Create Table: CREATE TABLE `jj10` (
  `id1` int(11) DEFAULT NULL,
  `id2` int(11) DEFAULT NULL,
  `id3` int(11) NOT NULL,
  PRIMARY KEY (`id3`),
  UNIQUE KEY `id1` (`id1`),
  KEY `id2` (`id2`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1
1 row in set (0.00 sec)

我們寫入一行數(shù)據(jù)：

insert into jj10 values(36,36,36);

這一行數(shù)據(jù)一共會生成4個元素分別為：

注意：這里顯示的?是分隔符

1. 主鍵二進制格式
(gdb) p pke
$1 = "PRIMARY?test?4jj10?4\200\000\000$?4"

**注意：\200\000\000$ ：為3個八進制字節(jié)和ASCII字符 $，
其轉(zhuǎn)換為16進制就是“0X80 00 00 24 ”**

分解為：

主鍵名稱 分隔符 庫名 分隔符 庫名長度 表名 分隔符 表名長度 主鍵字段1 分隔符 長度
PRIMARY ? test ? 4 jj10 ? 4 0x80 00 00 24 ? 4
2. 主鍵字符串格式：
(gdb) p pke
$2 = "PRIMARY?test?4jj10?436?2"

分解為：

主鍵名稱 分隔符 庫名 分隔符 庫名長度 表名 分隔符 表名長度 主鍵字段1 分隔符 長度
PRIMARY ? test ? 4 jj10 ? 4 36 ? 2
3. 唯一鍵二進制格式
(gdb) p pke
$3 = "id1?test?4jj10?4\200\000\000$?4"

解析同上

4. 唯一鍵字符串格式：
(gdb) p pke
$4 = "id1?test?4jj10?436?2"

解析同上

最終這些數(shù)據(jù)會通過hash算法后寫入到Writeset中。

四、函數(shù)add_pke的大概流程

下面是一段偽代碼，用來描述這種生成過程：

如果表中存在索引：
   將數(shù)據(jù)庫名，表名信息寫入臨時變量   
   循環(huán)掃描表中每個索引：
        如果不是唯一索引：
             退出本次循環(huán)繼續(xù)循環(huán)。
        循環(huán)兩種生成數(shù)據(jù)的方式(二進制格式和字符串格式)：
             將索引名字寫入到pke中。
             將臨時變量信息寫入到pke中。
             循環(huán)掃描索引中的每一個字段：
                將每一個字段的信息寫入到pke中。
                如果字段掃描完成：
                   將pke生成hash值并且寫入到寫集合中。
    如果沒有找到主鍵或者唯一鍵記錄一個標記，后面通過這個標記來
    判定是否使用Writeset的并行復制方式

五、Writeset設(shè)置對last commit的處理方式

前一節(jié)我們討論了基于ORDER_COMMIT的并行復制是如何生成last_commit和seq number的。實際上基于WRITESET的并行復制方式只是在ORDER_COMMIT的基礎(chǔ)上對last_commit做更進一步處理，并不影響原有的ORDER_COMMIT邏輯，因此如果要回退到ORDER_COMMIT邏輯非常方便?？梢詤⒖糓YSQL_BIN_LOG::write_gtid函數(shù)。

根據(jù)binlog_transaction_dependency_tracking取值的不同會做進一步的處理，如下：

  • ORDER_COMMIT：調(diào)用m_commit_order.get_dependency函數(shù)。這是前面我們討論的方式。
  • WRITESET：調(diào)用m_commit_order.get_dependency函數(shù)，然后調(diào)用m_writeset.get_dependency。可以看到m_writeset.get_dependency函數(shù)會對原有的last commit做處理。
  • WRITESET_SESSION：調(diào)用m_commit_order.get_dependency函數(shù)，然后調(diào)用m_writeset.get_dependency再調(diào)用m_writeset_session.get_dependency。m_writeset_session.get_dependency會對last commit再次做處理。

這段描述的代碼對應(yīng)：

    case DEPENDENCY_TRACKING_COMMIT_ORDER:
      m_commit_order.get_dependency(thd, sequence_number, commit_parent);
      break;
    case DEPENDENCY_TRACKING_WRITESET:
      m_commit_order.get_dependency(thd, sequence_number, commit_parent);
      m_writeset.get_dependency(thd, sequence_number, commit_parent);
      break;
    case DEPENDENCY_TRACKING_WRITESET_SESSION:
      m_commit_order.get_dependency(thd, sequence_number, commit_parent);
      m_writeset.get_dependency(thd, sequence_number, commit_parent);
      m_writeset_session.get_dependency(thd, sequence_number, commit_parent);
      break;

六、Writeset的歷史MAP

我們到這里已經(jīng)討論了Writeset是什么，也已經(jīng)說過如果要降低last commit的值我們需要通過對事務(wù)的Writeset和Writeset的歷史MAP進行比對，看是否沖突才能決定降低為什么值。那么必須在內(nèi)存中保存一份這樣的一個歷史MAP才行。在源碼中使用如下方式定義：

  /*
    Track the last transaction sequence number that changed each row
    in the database, using row hashes from the writeset as the index.
  */
  typedef std::map<uint64,int64> Writeset_history; //map實現(xiàn)
  Writeset_history m_writeset_history;

我們可以看到這是C++ STL中的map容器，它包含兩個元素：

  • Writeset的hash值
  • 最新一次本行數(shù)據(jù)修改事務(wù)的seq number

它是按照Writeset的hash值進行排序的。

其次內(nèi)存中還維護一個叫做m_writeset_history_start的值，用于記錄Writeset的歷史MAP中最早事務(wù)的seq number。如果Writeset的歷史MAP滿了就會清理這個歷史MAP然后將本事務(wù)的seq number寫入m_writeset_history_start，作為最早的seq number。后面會看到對于事務(wù)last commit的值的修改總是從這個值開始然后進行比較判斷修改的，如果在Writeset的歷史MAP中沒有找到?jīng)_突那么直接設(shè)置last commit為這個m_writeset_history_start值即可。下面是清理Writeset歷史MAP的代碼：

  if (exceeds_capacity || !can_use_writesets)
//Writeset的歷史MAP已滿
  {
    m_writeset_history_start= sequence_number; 
//如果超過最大設(shè)置，清空writeset history。從當前seq number 重新記錄， 也就是最小的那個事務(wù)seq number
    m_writeset_history.clear();
//清空歷史MAP
  }

七、Writeset的并行復制對last commit的處理流程

這里介紹一下整個處理的過程，假設(shè)如下：

  • 當前通過基于ORDER_COMMIT的并行復制方式后，構(gòu)造出來的是（last commit=125，seq number=130）。
  • 本事務(wù)修改了4條數(shù)據(jù)，我分別使用ROW1/ROW7/ROW6/ROW10代表。
  • 表只包含主鍵沒有唯一鍵，并且我的圖中只保留行數(shù)據(jù)的二進制格式的hash值，而沒有包含數(shù)據(jù)的字符串格式的hash值。

初始化情況如下圖（圖16-1）：


1.jpg
  1. 第一步 設(shè)置last commit為writeset_history_start的值也就是100。
  2. 第二步 ROW1.HASHVAL在Writeset歷史MAP中查找，找到?jīng)_突的行ROW1.HASHVAL將歷史MAP中這行數(shù)據(jù)的seq number更改為130。同時設(shè)置last commit為120。
  3. 第三步 ROW7.HASHVAL在Writeset歷史MAP中查找，找到?jīng)_突的行ROW7.HASHVAL將Writeset歷史MAP中這行數(shù)據(jù)的seq number更改為130。由于歷史MAP中對應(yīng)的seq number為114，小于120不做更改。last commit依舊為120。
  4. 第四步 ROW6.HASHVAL在Writeset歷史MAP中查找，找到?jīng)_突的行ROW6.HASHVAL將Writeset歷史MAP中這行數(shù)據(jù)的seq number更改為130。由于歷史MAP中對應(yīng)的seq number為105，小于120不做更改。last commit依舊為120。
  5. 第五步 ROW10.HASHVAL在Writeset歷史MAP中查找，沒有找到?jīng)_突的行，因此需要將這一行插入到Writeset歷史MAP中查找（需要判斷是否導致歷史MAP占滿，如果占滿則不需要插入，后面隨即要清理掉）。即要將ROW10.HASHVAL和seq number=130插入到Writeset歷史MAP中。

整個過程結(jié)束。last commit由以前的125降低為120，目的達到了。實際上我們可以看出Writeset歷史MAP就相當于保存了一段時間以來修改行的快照，如果保證本次事務(wù)修改的數(shù)據(jù)在這段時間內(nèi)沒有沖突，那么顯然是可以在從庫并行執(zhí)行的。last commit降低后如下圖（圖16-2）：


2.jpg

整個邏輯就在函數(shù)Writeset_trx_dependency_tracker::get_dependency中，下面是一些關(guān)鍵代碼，代碼稍多：

if (can_use_writesets) //如果能夠使用writeset 方式
  {
    /*
     Check if adding this transaction exceeds the capacity of the writeset
     history. If that happens, m_writeset_history will be cleared only after  而 add_pke
     using its information for current transaction.
    */
    exceeds_capacity=
      m_writeset_history.size() + writeset->size() > m_opt_max_history_size; 
//如果大于參數(shù)binlog_transaction_dependency_history_size設(shè)置清理標記
    /*
     Compute the greatest sequence_number among all conflicts and add the
     transaction's row hashes to the history.
    */
    int64 last_parent= m_writeset_history_start;
//臨時變量，首先設(shè)置為最小的一個seq number
    for (std::set<uint64>::iterator it= writeset->begin(); it != writeset->end(); ++it)
//循環(huán)每一個Writeset中的每一個元素 
    {
      Writeset_history::iterator hst= m_writeset_history.find(*it);
//是否在writeset history中 已經(jīng)存在了。 map中的元素是 key是writeset 值是sequence number
      if (hst != m_writeset_history.end()) //如果存在
      {    
        if (hst->second > last_parent && hst->second < sequence_number) 
          last_parent= hst->second;
//如果已經(jīng)大于了不需要設(shè)置
        hst->second= sequence_number; 
//更改這行記錄的sequence_number
      }
      else
      {
        if (!exceeds_capacity)
          m_writeset_history.insert(std::pair<uint64, int64>(*it, sequence_number));
//沒有沖突則插入。
      }
    }

......
    if (!write_set_ctx->get_has_missing_keys())
//如果沒有主鍵和唯一鍵那么不更改last commit
    {
      /*
       The WRITESET commit_parent then becomes the minimum of largest parent
       found using the hashes of the row touched by the transaction and the
       commit parent calculated with COMMIT_ORDER.
      */；
      commit_parent= std::min(last_parent, commit_parent);
//這里對last commit做更改了。降低他的last commit
    }
  }
    }
  }

  if (exceeds_capacity || !can_use_writesets)
  {
    m_writeset_history_start= sequence_number; 
//如果超過最大設(shè)置 清空writeset history。從當前sequence 重新記錄 也就是最小的那個事務(wù)seqnuce number
    m_writeset_history.clear();//清空真?zhèn)€MAP
  }

八、WRITESET_SESSION的方式

前面說過這種方式就是在WRITESET的基礎(chǔ)上繼續(xù)處理，實際上它的含義就是同一個session的事務(wù)不允許在從庫并行回放。代碼很簡單，如下：

  int64 session_parent= thd->rpl_thd_ctx.dependency_tracker_ctx().
                        get_last_session_sequence_number();
//取本session的上一次事務(wù)的seq number
  if (session_parent != 0 && session_parent < sequence_number) 
//如果本session已經(jīng)做過事務(wù)并且本次當前的seq number大于上一次的seq number
    commit_parent= std::max(commit_parent, session_parent);
//說明這個session做過多次事務(wù)不允許并發(fā)，修改為order_commit生成的last commit
  thd->rpl_thd_ctx.dependency_tracker_ctx().
    set_last_session_sequence_number(sequence_number);
//設(shè)置session_parent的值為本次seq number的值

經(jīng)過這個操作后，我們發(fā)現(xiàn)這種情況最后last commit恢復成了ORDER_COMMIT的方式。

九、關(guān)于binlog_transaction_dependency_history_size參數(shù)說明

本參數(shù)默認值為25000。代表的是我們說的Writeset歷史MAP中元素的個數(shù)。如前面分析的Writeset生成過程中修改一行數(shù)據(jù)可能會生成多個HASH值，因此這個值還不能完全等待于修改的行數(shù)，可以理解為如下：

  • binlog_transaction_dependency_history_size/2=修改的行數(shù) * （1+唯一鍵個數(shù)）

我們通過前面的分析可以發(fā)現(xiàn)如果這個值越大那么在Writeset歷史MAP中能容下的元素也就越多，生成的last commit就可能更加精確（更加?。?，從庫并發(fā)的效率也就可能越高。但是我們需要注意設(shè)置越大相應(yīng)的內(nèi)存需求也就越高了。

十、沒有主鍵的情況

實際上在函數(shù)add_pke中就會判斷是否有主鍵或者唯一鍵，如果存在唯一鍵也是可以。Writeset中存儲了唯一鍵的行數(shù)據(jù)hash值。參考函數(shù)add_pke，下面是判斷：

      if (!((table->key_info[key_number].flags & (HA_NOSAME )) == HA_NOSAME)) 
//跳過非唯一的KEY
        continue;

如果沒有主鍵或者唯一鍵那么下面語句將被觸發(fā)：

  if (writeset_hashes_added == 0)
    ws_ctx->set_has_missing_keys();

然后我們在生成last commit會判斷這個設(shè)置如下：

    if (!write_set_ctx->get_has_missing_keys())
//如果沒有主鍵和唯一鍵那么不更改last commit
    {
      /*
       The WRITESET commit_parent then becomes the minimum of largest parent
       found using the hashes of the row touched by the transaction and the
       commit parent calculated with COMMIT_ORDER.
      */；
      commit_parent= std::min(last_parent, commit_parent);//這里對last commit做更改了。降低他的last commit
    }
  }

因此沒有主鍵可以使用唯一鍵，如果都沒有的話WRITESET設(shè)置就不會生效回退到老的ORDER_COMMIT方式。

十一、為什么同一個session執(zhí)行的事務(wù)也能生成同樣的last commit

有了前面的基礎(chǔ)，我們就很容易解釋這種現(xiàn)象了。其主要原因就是Writeset的歷史MAP的存在，只要這些事務(wù)修改的行沒有沖突，也就是主鍵/唯一鍵不相同，那么在基于WRITESET的并行復制方式中就可以存在這種現(xiàn)象，但是如果binlog_transaction_dependency_tracking設(shè)置為WRITESET_SESSION則不會出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

寫在最后

好了到這里我們明白了基于WRITESET的并行復制方式的優(yōu)點，但是它也有明顯的缺點如下：

  • Writeset中每個hash值都需要和Writeset的歷史MAP進行比較。
  • Writeset需要額外的內(nèi)存空間。
  • Writeset的歷史MAP需要額外的內(nèi)存空間。

如果從庫沒有延遲，則不需要考慮這種方式，即便有延遲我們也應(yīng)該先考慮其他方案。第28節(jié)我們將會描述有哪些導致延遲的可能。

第16節(jié)結(jié)束

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