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TenDB快速加字段实现原理

2014年05月22日 TenDB 评论 2 条

腾讯互娱内部维护了一个MySQL分支,基于官方5.5.24,实现了类似于Oracle 11g的快速加字段功能,这个分支我们内部称为TenDB。该功能通过扩展存储格式来实现,原理类似于Oracle 11g,以下介绍下其实现原理。

1. GCS行格式

需要在innodb中实现类似oracle的快速加字段功能,仅仅基于原来的行格式是不行的,必须对其进行扩展。为了保证原MySQL和innodb的兼容性,不改变原存储格式的行为,在线加字段功能是通过新增一种innodb行格式GCS(Game Cloud Storage)来实现,从而避免对其他格式造成影响。

image

虽然说是新增格式,但该格式与原默认的compact是基本一样的,只是新增了关键的Field Count(字段数)控制信息。

下面先回顾下compact行格式

compact聚集索引记录的格式由下图所示,由记录头和记录内容组成。

image

记录头记录了解析字段的关键信息,其结构下图所示。

image

  • Record Extra Bytes:是固定的5字节,表示记录的额外信息。
  • Nullable Bitmap:记录可空位图,使用1个bit来表示一个可空字段是否为NULL。
  • non-NULL Variable-Length Array:非空变长字段数组,表示非空变长字段(如varchar、varbinary)在该行的长度。

关于Compact格式的详细介绍可以参考文章

compact格式有很重要的两个特点:

  • 字段的定义顺序与存储顺序基本一致(主键除外)
  • 字段为NULL不占存储空间,只需通过Nullable Bitmap记录。

基于以上特点,实现快速加字段功能GCS格式只需在记录头添加Field Count(字段数),来表示当前记录的字段数,占用1~2字节(若大于127,则使用2字节)。

image

那么,解析GCS记录的关键逻辑就变为

假设某GCS记录的Field count记录为x,表字段数为y,那么x <= y总是成立的。对于GCS格式,字段的解析变为:

  • 如果x == y或非GCS格式,按原来compact方式解析
  • 如果x < y,那么记录必定是在Alter Table加字段前就生成,那么最后y-x个字段必为NULL或默认值。
    • 如果该字段是允许为NULL,则为NULL。
    • 如果该字段不允许为NULL,则为默认值。

这样就可以将新增的字段解析出来。

另外,GCS格式在TenDB中会替代compact作为innodb的默认行格式

mysql> create table t1(c1 int, c2 int);
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> show table status like 't1'\G
*************************** 1. row ***************************
           Name: t1
         Engine: InnoDB
        Version: 10
     Row_format: Gcs
           Rows: 0
 Avg_row_length: 0
    Data_length: 16384
Max_data_length: 0
   Index_length: 0
      Data_free: 0
 Auto_increment: NULL
    Create_time: 2013-09-10 11:44:21
    Update_time: NULL
     Check_time: NULL
      Collation: utf8_general_ci
       Checksum: NULL
 Create_options: 
        Comment: 
1 row in set (0.00 sec)

# 插入大量数据
mysql> insert into t1 values(1,1); 
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

# 快速加字段
mysql> alter table t1 add column d1 int not null default 0, add column d2 int; 
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

mysql> select * from t1 limit 1;
+------+------+----+------+
| c1   | c2   | d1 | d2   |
+------+------+----+------+
|1     |1     |  0 | NULL |
+------+------+----+------+
1 row in set (0.00 sec)
2. 兼容性

仅仅新增GCS存储格式,必定导致原来数据的不兼容(每行增加Field Count),只能通过重导数据或alter table来使其支持在线加字段功能。

# compact格式转换为GCS格式
mysql> alter table t_compact row_format=gcs;

如果数据量越大,上述语句所花时间就会越长,这样对升级和使用都带来困难。

为了解决这个问题,GCS格式实现了对compact格式的全面兼容

在innodb实现中,compact格式记录头的Record Extra Bytes首字节最高位和次高位是保留的,总是为0。因此,GCS记录占用了其中的最高bit,若为1表示使用GCS格式,记录中会包含Field count信息,这里称该bit为控制位

然而GCS行格式新增的Field Count仅仅是为了表示记录的字段数,如果表不执行加字段操作,该部分其实是不起作用的(记录字段数恒等于表字段数)。换句话说,如果GCS表不执行快速加字段操作,记录其实并不需要存储Field Count信息。

因此,当表第一次快速加字段前,GCS记录可以与compact完全相同,即控制位为0;当第一次快速加字段时,可将加字段前的字段数存储在扩展的数据字典中,用来解析控制位为0的GCS记录(充当记录上的field count信息);新插入或修改的记录,则按照第一节介绍的存储格式进行构建。

最后,这个设计中的GCS记录在第一次快速加字段前可以跟Compact格式是完全一致的。这样做,有两个好处:

  • 第一次在线加字段前,减少每条GCS记录Field Count 1~2字节的存储消耗
  • 可以支持Compact表快速转换为GCS表,实现快速升级

由于存储格式完全兼容,不管原来的compact表数据量有多少,仅需执行以下命令,修改表的元数据信息,就能将格式快速转换为GCS,从而获得快速加字段功能。

mysql> create table t_compact(c1 int, c2 int) row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> insert into t_compact values(1,1);
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

# compact格式非onlie操作,需要拷贝数据
mysql> alter table t_compact add column d1 int;
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
Records: 1  Duplicates: 0  Warnings: 0

# online操作,只需修改元数据,不需拷贝数据
mysql> alter table t_compact row_format = gcs;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

# online操作
mysql> alter table t_compact add column d2 int not null default 0;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
Records: 0  Duplicates: 0  Warnings: 0

这样,TenDB可实现基于5.5的覆盖升级,对于compact表只需执行alter table row_format = gcs命令就能快速支持在线加字段功能,大大降低升级成本,并且实现加字段前没有存储空间的额外消耗

3 DML操作

存储格式得以支持,相应的DML操作逻辑需要修改。

  • select:按照GCS格式进行解析
  • insert:根据当前表的字段数构造记录中field count和标记控制位
  • delete:不变
  • update:原地更新不变;非原地更新走delete+insert,会更新为新的field count
4 数据字典

InnoDB关于列的数据字典中并不包含默认值信息,默认值只存储在MySQL层的frm文件中。

为了支持默认值的加字段操作,InnoDB存储引擎层需要存储新增列的默认值信息。一种办法是在原SYS_COLUMNS系统表增加def_val 列,表示默认值。但这必定导致TenDB和官方版本的不兼容,并且不是所有列的默认值都需要存储的,只需保存新增列的默认值信息。

因此,TenDB新增一个系统表SYS_ADDED_COLS_DEFAULT,保存新增列的默认值,并通过(tableid,pos)与SYS_COLUMNS的列信息关联起来。

SYS_ADDED_COLS_DEFAULT(
    tableid     bigint,
    pos         int,
    def_val     binary(65535),
    def_val_len int,
    Primary key (tableid, pos)
);

为了实现与官方版本兼容,SYS_ADDED_COLS_DEFAULT使用动态创建功能,即TenDB启动加载数据字典子系统时发现该表不存在,会动态创建。这样,从官方版本升级原地升级为TenDB时就不需考虑该表导致的不兼容问题。

除了默认值,systables系统表还需记录GCS格式标记,第一次加字段前字段数等新增元数据信息。

5 加字段流程

MySQL官方版本加字段其实是新建表导入数据,并删除原表的过程,整个过程是阻塞写的。

而TenDB的GCS格式支持原数据不改变的情况下解析新增字段,并且可以在原表上直接修改元数据,不需拷贝数据,从而实现加字段时间可以大大缩短。

GCS表在线加字段的过程为:

  1. 目标表T1上字典锁(SHARED_NO_WRITE),阻塞所有写操作
  2. 判断是否符合在线加字段的条件,如符合,执行步骤3,否则按照官方拷贝数据的方式来新增字段。
  3. 创建跟目标表T1同构的临时表frm文件S1.frm(含新增字段)
  4. 目标表T1的字典锁升级为排它锁,所有关于T1表的所有读写操作被阻塞
  5. 修改T1表InnoDB内部数据字典信息,增加新字段。
  6. 将S1.frm重命名为T1.frm
  7. 释放表T1的字典锁

以上流程处理参考了5.6 online DDL的部分实现。

TenDB并不支持任何情况的加字段操作,必须符合以下条件:

  • 表必须是innodb的GCS表,原Compact表不支持在线加字段功能。
  • 不支持临时表。
  • 一次alter table仅允许加一列或多列,但不允许同时进行多个alter table的不同操作(如增删索引、删字段、修改字段等)。
  • 加字段不支持指定Before或After关键字表示定义在某列之前或之后。
  • 所加字段不能包含除not null外的任何约束,包括外键约束、唯一约束。
  • 不支持允许为NULL并指定默认值的加字段操作(同oracle 11g)
  • 所加字段不能自增列(auto_increment)
6 总结

以上是TenDB在线加字段操作的实现原理,除了以上内容还包括语法、故障恢复、事务回滚、自适应哈希索引等适配改造,比较细节,这里就先不介绍了。对以上有任何疑问,欢迎讨论~

除了在线加字段,TenDB还有不少其他新特性,后续再介绍了。

原创文章,转载请注明: 转载自腾讯游戏DBA团队

本文链接地址: TenDB快速加字段实现原理

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  1. 我想问一下,TMysql的在线加字段这个功能对后续mysql的增删改查等操作的性能会有影响吗?影响幅度在多少?

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