PolarDB B-tree 并发控制优化

简介： PolarDB 解决了 InnoDB 在 B-tree 并发控制上的限制，解决 index lock 竞争问题，并支持了 latch coupling。

InnoDB 索引

InnoDB 引擎使用索引组织表，每个表的数据都放在一个对应的索引中，该索引称为聚集索引（clustered index），使用索引组织表的目的是：

动态地组织磁盘文件结构，维护数据记录有序；
借助索引快速定位记录；

除了 clustered index，一个表中的其它索引称为二级索引（secondary indexes）。二级索引的每个 record 除了包含本身的 columns，还包含其对应的数据行的 primary key，InnoDB 可以利用 primary key 去主索引找到完整的 row。

InnoDB 使用 B-tree 作为索引的数据结构，B-tree 本质是多级索引，扁平且平衡的树结构可以保证单次访问数据的 IO 次数较小且固定。

InnoDB 实现的 B-tree 结构有几点特性：

实际数据全部存储在 leaf 层（即 B+ tree，降低树高度、优化顺序访问）；
non-leaf 层只存储索引项（key, page no），每个索引项指向唯一一个 child 节点；
一个索引项的 key 为 P，它的 child 节点只能存 >= P 并且 < P1 的记录，其中 P1 是下一个索引项的 key；
每层节点通过双向链表串起来；

B-tree 并发控制

如果把 B-tree 索引看成一个黑盒，不关心内部具体的数据结构，外面看来只有有序排列的 record，所有的读取、插入、删除等操作都能原子地一步完成。这时多线程并发操作不会感知到索引结构，只需要考虑事务层面的约束，例如 InnoDB 中一个事务对 record 加逻辑锁（lock）阻止其它事务访问。

但是实际的 B-tree 操作不是原子的，例如，一个线程在做结构调整（SMO）时会涉及多个页面的改动，此时另外一个线程进来会访问到不正确的 B-tree 结构而产生错误，另外，页面内部的数据结构改动也不能多线程并发执行。

InnoDB 是采用 page 加锁的方式对 B-tree 进行并发控制，每个 page 有一个对应的物理读写锁（rw latch），线程读取一个 page 要先加 S latch，修改 page 时要加 X latch。

因为 B-tree 索引的访问和修改流程是确定的，所以 InnoDB 有一套设计好的加锁规则，防止多线程死锁。与之对应的是，事务锁（lock）是用户层面的，加锁顺序不可控，因此需要死锁检测机制。

并发瓶颈

InnoDB 对 B-tree 的并发控制实现细节可以参考 InnoDB btree latch 优化历程这篇文章，可以看到多次优化改进的目的都是为了提高 B-tree 的并发访问能力，即尽量减小每个操作的加锁范围和时间。

目前 8.0 版本在 B-tree 并发上还有一些限制：

SMO 无法并发：同一时刻只允许有一个 SMO 进行（SMO 线程持有 index SX latch），导致在大批量插入场景下 index latch 会成为全局的瓶颈点，MySQL 官方性能测试人员 Dimitrick 也指出 TPCC 场景下最大的瓶颈在于 index lock contention（MySQL Performance : TPCC "Mystery" [SOLVED]）。设想一下，如果将这个限制放开，多个做 SMO 的线程会同时进入 B-tree，每个线程要拿多个 page，如何设计加锁规则避免线程间死锁，有很多细节需要处理。
加锁范围大：为了避免死锁，乐观读写操作要持有遍历路径上所有 non-leaf page 的 S latch，SMO 操作要持有所有可能修改的 page 的 X latch。单一操作的加锁范围比较大，并发操作越多越会加剧锁竞争，在某些关键节点（例如，root、internal node）的竞争会更明显。理论上采用 latch coupling 的方式可以减小加锁范围，遍历过程中最多同时持有 2 个 page 的锁（即沿着一个指针从一个节点到另一个节点时，不能有其他线程去改变这个指针，因此要拿到后一个节点的 latch 再放开前一个 latch），有利于降低并发操作的竞争。

PolarDB 并发控制优化

PolarDB 解决了 InnoDB 在 B-tree 并发控制上的限制：

提升并发度：去除 index 锁，允许所有操作并发访问 B-tree，线程间冲突只在 page 级别；
降低锁粒度：所有操作都实现了 latch coupling，减小锁范围，大大降低线程间冲突；

PolarDB 设计了页级别的 B-tree 并发控制，对索引页的加锁规则如下：

规则 1：所有操作采用 latch coupling 形式遍历 B-tree，遍历过程中对非目标节点加 S latch（相当于读取节点指针），直到找到目标节点，根据操作读/写类型对目标节点加 S latch 或 X latch（SMO 操作涉及邻居节点更新，还需要加左右邻居节点的 latch）；

为了避免死锁，规定加锁方向为，自上而下，从左到右。而 SMO 操作是自下而上的，即 SMO 的加锁方向是破坏规则的，会造成死锁（InnoDB 的 SMO 操作不使用 latch coupling 方式，开始就从上到下拿到所有相关节点的 latch，从而避免死锁）。

规则 2：在 SMO 操作中间，申请父节点或左邻居节点的 latch 之前，对当前持有 X latch 的 page 做 SMO 标记，并释放这些 latch。

这里借鉴了 B-link 的设计，将 SMO 操作划分为两个阶段，第一阶段完成提前释放 latch，避免了 SMO 操作反向加锁。这样，在 SMO 中间状态没有持有任何 latch。

SMO 中间状态节点设置一个指向其右侧节点的指针（side link），其它读操作访问到 SMO 中间状态的节点，并可以同时在其 right page 中检索，解决了 B-tree 结构不完整的问题。

其它写操作不应该修改处于 SMO 中间状态的节点，因为之前 SMO 操作还没提交。因此，其它线程的写操作遇到 SMO 节点，要等待其 SMO 完成。

规则 3: 其它线程遍历到有 SMO 标记的节点，并想要修改该节点时：立即释放掉已持有的 latch，等待该节点 SMO 完成再从 root 重试；

如果其它线程不释放已持有的 latch，相当于跟 SMO 线程之间互相占有并等待，造成死锁。

性能对比

采用上述的 B-tree 并发控制机制，在高并发 TPCC 场景（1000 warehouse）下：

当并发小于 64 时，InnoDB 与 Polar index 性能结果接近，InnoDB 在并发 128 时达到性能峰值；
Polar index 在并发 256 时达到峰值，可以看到 Polar index 相比于 InnoDB，峰值提高 141%；

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