MySQL Online DDL的改进与应用

    本文简析Online DDL的实现原理与使用过程注意事项。

 

    任何DDL操作，执行者都需要预先测试或者清晰了解这个操作会给数据库带来的影响是否是在业务期间数据库的可承受范围内，尤其是对大表的DDL操作中，需要密切留意服务器的IO，内存及CPU使用情况（每个DBA总有那么一段被大表的DDL语句坑到的血泪史）。

 

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1 早期DDL实现原理（5.6.7之前 ）

    Innodb早期支持通过copy table跟inplace的方式来执行DDL语句，其原理如下：

• copy table方式
  • 新建跟原表格一致的临时表，并在该临时表上执行DDL语句
  • 锁原表，不允许DML，允许查询
  • 逐行数据从原表拷贝到临时表中（这个过程是没有排序的）
  • 拷贝结束后，原表禁止读操作，也就是原表此时不提供读写服务
  • 进行rename操作，完成DDL过程
• inplace方式（fast index creation，仅针对索引的创建跟删除）
  • 新建frm临时文件
  • 锁原表，不允许DML，允许查询
  • 按照聚集索引的顺序，查询数据，找到需要的索引列数据，排序后插入到新的索引页中
  • 原表禁止读操作，也就是原表此时不提供读写服务
  • 进行rename操作，替换frm文件，完成DDL过程

inplace在copy table的基础上做了一个较大的改进，则是不需要copy整个表格，只需要在原来的ibd文件上，新建所需要的索引页，这个过程比copy table节约极大的IO资源占用 且 DDL SQL执行速度大大提高，减少了该表格不提供写服务的时长。但是inplace仅支持索引的创建于删除，不支持其他的DDL操作，其他的DDL操作，仍然是copy table方式执行。

    对于一个线上业务数据库，无论是copy table方式还是inplace方式，这里仍然有一个明显的弊端：操作期间涉及表格不提供写服务！无法对涉及到表格至下INSERT,UPDATE,DELETE操作，仅支持SELECT。

2 Online DDL实现原理

    当表格发生DDL操作，可能会出现该表格数分钟甚至数小时不可访问，性能及响应异常，为了有效改善这个情况，MySQL 在5.6.7版本推出了Online DDL。（本文参考官网5.7版本的文档整理及测试）。

 

    在online DDL中，也包含了copy跟inplace两种方式，对于不支持Online DDL的DDL SQL，则采用COPY方式；对于支持Online DDL的DDL SQL，则采用Inplace方式，这里的Inplace又区分为2类：是否需要rebuild表格，判断标准为：是否修改行记录格式。如果修改了行记录格式，则需要rebuild表格，比如修改列类型、增减列等；如果没有修改行记录格式，仅修改表的元数据，则不需要rebuild表格，仅修改元数据 metadata，比如删除索引、设置默认值及重命名列名等。详细可见下图，具体语法情况见`第4部分`。

 

    那么，新增的Online DDL内部是怎样一个实现原理呢？（此处参考：http://blog.itpub.net/22664653/viewspace-2056953/）

    有3个阶段：prepare、execute、commit。

• PREPARE
  • 创建新的临时frm文件
  • 持有EXCLUSIVE_MDL锁，禁止读写
  • 根据alter类型，确定执行方式（copy，rebuild，no-rebuild）
  • 更新数据字典的内存对象
  • 若是需要rebuild，分配row_log对象记录的增量
  • 若是需要rebuild， 生成新的临时ibd文件
• EXECUTE
  • 如果是仅修改元数据：
    • 这部分无操作
  • 其他，则是：
    • 降低EXCLUSIVE-MDL锁，允许读写（copy 不允许写）
    • 记录ddl执行过程中产生的增量row-log（仅rebuild类型需要）
    • 扫描old_table的聚集索引每一条记录record
    • 遍历新表的聚集索引和二级索引，逐一处理
    • 根据record构造对应的索引项
    • 将构造索引项插入sort_buffer块
    • 将sort_buffer块插入新的索引
    • 把row-log中的操作应用到新临时表中，应用到最后一个Block
• COMMIT
  • 升级到EXECLUSIVE-MDL锁，禁止读写
  • 重做最后一部分的row_log增量
  • 更新innodb的数据字典表
  • 提交事务，写redo日志
  • 修改统计信息
  • rename 临时的ibd文件、frm文件
  • DDL完成

    这里注意下row-log，它是记录 DDL在执行过程中表格发生数据变更的操作，这样就可以保证执行DDL表格的并发性，在EXCUTE阶段可以正常提供写服务，不发生堵塞，最后把row-log应用到新的表格上即可。

    在5.7.17版本上测试的时候，发现，支持inplace且需要rebuild的DDL，在DDL期间，如果数据发生修改，都是直接刷新到原来的idb文件上，在测试环境中，给大表testddl删除一个字段，这个过程中INSERT 100w行记录，可以看到原有ibd文件增长了1G左右。

    这里有个疑问，未确定：row-log应该不是记录行记录的修改格式，因为这样效率过慢，初步推测应该是仅记录主键，然后根据主键查找应用到新表上。

 

    Online DDL可以有效改善DDL期间对数据库的影响：

• Online DDL期间，查询和DML操作在多数情况下可以正常执行，对表格的锁时间也会大大减少，尽可能的保证数据库的可扩展性；
• 允许 in-place 操作的 DDL，避免重建表格占用过多磁盘IO及CPU资源，减少对数据库的整体负荷，使得在DDL期间，能够维持数据库的高性能及高吞吐量；
• 允许 in-place 操作的 DDL，比需要COPY到临时文件的操作要更少占用buffer pool，避免以往DDL过程中性能的临时下降，因为以前需要拷贝数据到临时表，这个过程会占用到buffer pool ，导致内存中的部分频繁访问的数据会被清理出去。

3 Online DDL涉及参数及选项

3.1 innodb_online_alter_log_max_size

    online ddl过程中发生DML时，会把数据修改情况记录到row-log中，而row-log的大小，则由 innodb_online_alter_log_max_size设定，默认为128M，当表格较大且操作频繁时，做DDL过程，可调大该参数，避免出现1799错误：

3.2 Online DDL语法

• Alter table …. , ALGORITHM [=] {DEFAULT|INPLACE|COPY}, LOCK [=] { DEFAULT| NONE| SHARED| EXCLUSIVE }

3.3 lock 选项

    该选项用于调整DDL加锁的方式，一共有4个选项。

• LOCK=EXCLUSIVE
  • 对整个表格添加独占锁（x锁），不允许查询跟修改操作
• LOCK=SHARED
  • 对整个表格添加（s锁），允许查询操作，但是不支持数据变更操作
• LOCK=NONE
  • 不添加锁，既允许查询操作，也支持数据库变更操作，该模式下并发最好
• LOCK=DEFAULT
  • 没有指定LOCK的时候，则是默认为这个选项
  • 根据DDL的操作类型，最小程度的加锁，尽可能支持查询及0DML操作
  • 首先判断当前操作是否可以使用NONE模式，如果不能，判断是否可以使用SHARED模式，如果不能，判断是否可以使用EXCLUSIVE模式

3.4 ALGORITHM选项

    DDL对数据库性能的影响，很大程度受操作方式影响，比如是否是允许in-place，是否请求COPY操作，是否重建整个表格。比如某个表格，修改或者添加默认值，并不会影响到表格内部的数据，所以1s内就可以完成；添加1个索引，需要几十秒，应为需要新增索引数据页跟修改frm文件，但是不用rebuild表格数据；而修改列的数据类型是，可能需要几分钟甚至更多时间，因为其需要重新Rebuild整个表格，执行期间对CPU，IO及buffer pool大量申请资源。

 

    由DDL引起的INPLACE,COPY,REBUILD，可以通过指定ALGORITHM来选择（注意并非所有DDL都支持in-place，详见第4部分）

• ALGORITHM=INPLACE
• ALGORITHM=COPY

   这两个选项中，INPLACE要比COPY性能好，因为INPLACE既不会记录UNDO LOG，也不写REDO LOG，同时执行期间提供DML操作。

4 Online DDL支持语法情况

    Online DDL对不同的DDL语句具有不同的执行规则，下面的表格将详细描述各个语法对Online DDL的支持情况。

列说明：

• In-Place?
  • 说明： 是否支持  ALGORITHM=INPLACE 
• Rebuilds Table?
  • 说明：是否会重建表格
  • 重建表格分为两种方式：INPLACE跟COPY （原地修改或者复制到临时文件修改）
  • 如果支持 ALGORITHM=INPLACE，那么则是原地修改 INPLACE（淡黄色标记）
  • 如果不支持 ALGORITHM=INPLACE，那么则是COPY，拷贝到临时文件修改，并且不支持UPDATE DELETE INSERT操作（深褐色标记）
• Permits Concurrent DM
  • 说明： 是否支持在DDL期间并发对该表格操作DML SQL
  • 新增空间索引及全文索引时，不支持DML操作
  • 当允许时，可以通过LOCK选项来控制是否要提供查询或者修改操作
  • LOCK=NONE，支持查询跟UPDATE INSERT DELETE操作
  • LOCK=SHARED，仅支持查询
  • Only Modifies Metadata?
  • 是否只修改元数据

5 测试记录

5.1 4个典型DDL操作分析

    针对是否支持INPLACE、是否需要REBUILD及是否仅修改metadata来分类，选取每类一个DDL SQL来测试，见下图：

   

    考虑到varchar变化长度的问题，这里加测多这一项。

5.1.1 DDL测试内容

• 测试DB环境：表格名 tbddl，表格大小：1G ，500W行记录
• 测试流程：开启事务查询，不提交 => 执行DDL => 提交查询事务 => 执行DML =>开启事务，执行DML不提交 =>提交DML
• 测试DDL SQL
  • ALTER TABLE tbddl MODIFY COLUMN ItemId VARCHAR(20);
  • ALTER TABLE tbddl ADD xinysu int;
  • CREATE INDEX IX_PROID ON tbddl (providerid);
  • ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN xinysu SET DEFAULT 123456;
  • ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ItemId VARCHAR(50); #UTF8字符集,3个字节一个字符，50个字符则是150个字节，小于256bytes
  • ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ItemId VARCHAR(100);  #UTF8字符集,3个字节一个字符，100个字符则是300个字节，大于256bytes
• 测试关注点
  • 启动与关闭 old_alter_table
  • prepare，commit阶段的锁是怎么样的
  • excute阶段的锁是怎么样的
  • 执行期间服务器的性能情况（zabbix监控）
  • 执行期间数据库的并发情况（sysbench压测）

5.1.2 DDL测试结论

    测试过程中的截图，不在此描述，直接粘贴测试结果，感兴趣的筒子们，可以自行测试。

    VARCHAR按字符存储，每个字符按照字符集来计算字节，UTF8是3个字节一个字符，当VARCHAR的字节数<256byte时，只需要1个byte来存储实际长度，当VARCHAR字节数>=256时，则需要2个byte来存储实际长度。举例，UTF8字符集下的VARCHAR(10)，假设存储 N （0<=N<=10），则其占用的字节数为：N*3+1；UTF8字符集下的VARCHAR(100)，假设存储 N （0<=N<=100），则其占用的字节数为：N*3+2。

    理解了这一点后，就可以理解 增长或缩短列的长度这列DDL的处理方式，假设列 VARCHAR(M)需要增大或缩小到VARCHAR(N)，字符集是UTF8：

• 当 3M<256，3N<256，存储长度的字节不需要变化，都为1，则不需要变动行记录，仅需要修改元数据；
• 当 3M>256，3N>256，存储长度的字节不需要变化，都为2， 则不需要变动行记录，仅需要修改元数据；
• 当 3M<256，3N>256，存储长度的字节需要变化，由1变2， 则需要变动行记录，Online DDL使用COPY TABLE方式；
• 当 3M>256，3N>256，存储长度的字节需要变化，由2变1，则需要变动行记录，Online DDL使用COPY TABLE方式

5.2 同表格多个DDL处理

    在Online DDL之前，都会习惯性的把同个表格的所有DDL语句合并为一个SQL语句，避免重复Rebuild、多次加锁导致不提供DML时长增加等弊端。

    但是，引入Online DDL后，需要有2点改观：

• 除了个别不支持inplace的DDL语句，其他DDL语句在执行期间是不会加X锁的，也就是表格仍然提供DML操作
• 锁的粒度，同个DDL语句中，按照最高级别的锁处理
• 维护的方便性

    这里建议按照3类来处理（测试后的个人建议，仅供参考），见下图。

• 为啥copy table单独出来呢？
  • 因为这一类操作过程中是不允许DML操作的，建议把这一类的合成单独一条DDL SQL执行，不与IPLACE的DDL SQL合并；
• 为啥iplace的要分为2类呢？
  • 方便维护
  • 仅元数据修改的DDL较快执行结束，为了方便管理维护，不至于所有SQL贴一堆，仅元数据修改的DDL语句归一类
  • 需要REBUILD的归一类，避免重复rebuild，浪费磁盘IO跟CPU资源。

   

    举个例子，现在上线项目，需要对表格tbddl，1个字段由INT修改为VARCHAR，新增3个字段，2个索引，2个默认值，2个列增长长度，单独的SQL 为：

 

alter table tbddl alter column ItemId varchar(20);

 

ALTER TABLE tbddl ADD  su int;

ALTER TABLE tbddl ADD  xin varchar(40);

ALTER TABLE tbddl ADD  yu int;

 

CREATE INDEX IX_SU ON tbddl(SU);

CREATE INDEX IX_yu ON tbddl(yu);

 

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN CreatedById SET DEFAULT 123456;

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ItemID SET DEFAULT 654321;

 

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN CreatedByName VARCHAR(70);

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ModifiedByName VARCHAR(100);

 

 

测试建议以下执行方式：

 

alter table tbddl alter column ItemId varchar(20);

ALTER TABLE tbddl ADD su int ,ADD xin varchar(40) ,ADD  yu int,ALTER COLUMN ModifiedByName VARCHAR(100),add index ix_su(SU), add index ix_yu(yu);

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN CreatedById SET DEFAULT 123456,ALTER COLUMN ItemID SET DEFAULT 654321,ALTER COLUMN CreatedByName VARCHAR(70);

5.3 DDL执行期间数据库性能异常处理

    执行DDL期间，需要密切留意数据库服务器的CPU及IO情况，查看数据库的连接池、慢查询情况，如果期间发生了异常，应该如何处理呢？

    假设现在给大表tbddl新增一列，新增的过程中，发现影响到线上业务，需要紧急停止，可以通过以下步骤操作：

• show processlist;
• kill 进程id;

    具体见截图。

   

  

 

5.4 DDL执行期间数据库宕机

    DDL期间，如果发生宕机情况，会对数据库的恢复启动造成什么影响呢？临时文件还存在吗？ 恢复过程中会自动执行未完成的DDL操作吗？如果会，是怎么处理？如果不会，再次手动创建会有影响吗？

    在5.7.17版本上，测试了4类DDL SQL，当DDL执行过程中，数据库发生宕机，该DDL不会影响到数据库的恢复启动，同时，这个未完成的DDL语句不回自动执行，由于宕机过程中来不及清理临时文件，所以数据库恢复后，临时文件依旧存在。DDL没有commit，也就以为这数据库的数据字典和表格的元数据没有发生修改，再次手动执行DDL语句，并不会报冲突。（这点跟部分博文的分析有些出入，本次测试版本是5.7.17版本）

    测试过程，这里不做过多描述，直接贴上结论，感兴趣的筒子们可以自行测试，欢迎讨论。

 

5.5 DDL对主从的影响

    DDL期间，假设该SQL执行的时间需要10h，除去waitting metadata lock的时间，rebuild或者inplace的时间需要5小时，那么在从库是单线程SQL THREAD应用relay log的情况，需要考虑从库滞后的影响。

    DDL在主库执行情况，由于DDL语句没有提交，所以不会同步到从库上，从库可以正常同步其他数据修改操作，这个环节没有问题，但是当DDL在主库提交后，该binlog日志通过IO_THREAD传送到从库的RELAY LOG上，从库的SQL_Thread是单线程工作，应用RELAY log的时候，至少需要5个小时，也就是这5个小时都用来执行RELAY LOG，无法同步主库几个小时内产生的BIN LOG，那么，从库就会发生严重的滞后情况，这个问题是否在可接受范围内，需要纳入到DDL执行造成的影响范围内。

    如果不能接受从库这么大的滞后，有什么法子可以处理呢？

    可以通过这个思路来，从库启动并行复制。启动并行复制，需要注意这几个问题：

• 使用注意
  • 在从库严重落后主库的情况下，可以开启该参数实现多线程并行执行
  • 在业务量低的数据库，不建议开启，从库同步性能反而会比拖累
• 配置注意
  • 注意 master_info_repository  relay_log_info_repository 设置为 table，默认是写入mater_info.log 及 relay_info.log ，刷下这两个文件的频率带来的性能影响比较大，据 姜承骁姜老师 压测，性能相差 20-50%间
  • slave_parallel_workers 建议设置为从库 核心 数
  • slave_parallel_type
    • database，不同库的事务，触发从库并行回放
    • logical_clock，组提交事务，按照组提交设置，从库并行回放，如果是为了改善DDL的滞后情况，应使用这个配置。

6 Online DDL注意事项

• 磁盘空间
  • rebuild 的时候，datadir空间是否足够
    • 因为会拷贝ibd文件，所以要确保空间足够
  • rebuild 的时候，innodb_online_alter_log_max_size是否足够
    • rebuild过程中，产生的DML涉及到行记录变更日志，是否足够存储
  • inplace的时候，考虑tmpdir空间是否足够
• ddl对从库延迟的影响是否可以接受
  • 主库online DDL的过程中，由于没有commit，所以其他并发操作可以正常同步到从库
  • 主库commit后，DDL同步到从库
  • 由于从库是单线程执行SQL_THREAD，假设DDL执行过程需要1个小时，那么从库将会滞后1小时+
  • 是否允许从库的滞后，如果不允许，可以通过并行复制来优化处理
• row-log会检查重复值或者修改冲突吗？
  • 会根据主键及唯一约束来检查
• copy table ，inplace下如何暂停DDL操作
  • show full processlist;
  • kill id; #( DDL SQL的id号)
  • 这里kill完后，仍然可以再次正常执行DDL，不会存在冲突，其创建的临时idb及frm文件会自动删除
• copy table ，inplace下宕机
  • 这两种情况下宕机后，没有完成的DDL语句不会继续执行
  • 但是，其生成的frm跟idb临时文件不会被删除，可以手动删除，也可以不手动删除，即使不删除，也不会影响再次执行DDL
  • 但建议mysql服务后，删除无用的临时文件
• 同个表格多个DDL语句，不要一个个执行
  • 请按照是否支持inplace及是否需要rebuild分类合并执行
• 如何查看ddl进度（未解决）
  • 如果有rebuild，则是通过ibd文件的增长来评估；但是如果是inplace，如何查看呢？有没有什么比较好的方式查看？performance_schema是否有提供相应的查询方式？