数据库内核月报 - 2015 / 05

MySQL · 专家投稿 · MySQL数据库SYS CPU高的可能性分析

问题背景

我们在管理繁忙的 MySQL 数据库时,可能都有碰到 SYS CPU 高的经历:系统突然 SYS CPU 高起来,甚至比 USER CPU 高很多,这时系统 QPS、TPS 急剧下降。

SYS CPU高是什么造成的呢?主要有2种可能:
1. context switch 不高,但在内核态 spin,导致 SYS CPU 高
2. context switch 高,每秒超过 200K,有时超过1M,过多 context switch 导致 SYS CPU 高

下面我们对这两种情况逐一分析。

context switch 不高,但在内核态 spin

MySQL 在内核态 spin,说明需要系统资源,当这个资源紧张不足时,就会在内核态 spin。

有些资源,用户进程(或线程)通过执行系统调或因中断进入内核,一般来说申请这些资源的执行时间很短,当出现资源争用时,如果采用 sleep 再唤醒机制,代价较大,因此多采用在内核态spin的策略。

例如申请内存或发生缺页中断,没有 free 内存可用时,进程或线程就可能在内核态先执行内存回收再执行内存分配,但系统内存是共享资源,分配回收时需要锁保护,当多个进程(或线程)同时回收分配内存时。就会在内核态 spin。

当 free 内存不足时,可能出现这种情况。典型症状:

  1. MySQL running 高,但系统 qps、tps 下降
  2. 系统 free 内存不足;或系统 free 内存充足时,但启用了 numa 内存分配策略,有的节点 free 内存很少
  3. 系统 context switch 不高
  4. MySQL InnoDB 的 mutex、RWlock 查不到等待信息
  5. sar -B 显示有 pgscand 产生

分析

当系统内存不足时,MySQL 突然有大量访问,紧急需要大量内存,kswapd 在短时间内回收不了足够多的 free 内存,或 kswapd 还没有触发执行,这时 MySQL 用户线程就会在内核态执行内存回收操作,从而出现以上症状。

sar -B 输出中,pgscank 是表示内核线程 kswapd 回收内存,k意思是 kernel;pgscand是表示用户进程或线程直接回收内存,d意思是direct。

解决办法:保证系统有充足 free 内存可用,NUMA 环境要求每个节点都有足够free内存可用。

由于 Linux 系统会尽量使用 free 内存,一个运行很久的 Linux 系统,free内存通常很少,存在大量 filecache 内存,但 Linux 没有直接提供控制 filecache 占用多少的参数,那怎么能够保留足够可用的 free 内存,以应对突然内存需求呢?

对此,Linux 2.3.32+ 内核中增加一个新的参数vm.extra_free_kbytes,就是控制free内存的。

关于系统free内存,有2个重要参数:vm.min_free_kbytesvm.extra_free_kbytes(2.6.32+)

vm.min_free_kbytes:系统保留给内核用的内存。

这个值决定 /proc/zoneinfo 中 zone 的min值。当系统 free 内存小于这个值时,kswapd 会回收内存,直到free内存达到/proc/zoneinfo中 high 值才停止回收;

当用户进程或线程分配内存或发生缺页中断时,free 内存少于 vm.min_free_kbytes,会在用户线程上下文中直接进行回收内存(pgscand)和分配内存。

vm.extra_free_kbytes:系统保留给应用的free内存。

这个值决定了/proc/zoneinfo中Normal zone的low值。当系统free内存小于vm.min_free_kbytes + vm.extra_free_kbytes 时,kswapd会开始回收内存,直到free内存达到 /proc/zoneinfo 中high值才停止回收。

这个额外的vm.extra_free_kbytes就是给应用突发内存需求时使用的,避免急需内存时发生pgscand或kswapd回收内存不及时。

vm.extra_free_kbytes 分配多大合适呢?一般能应对流量高峰时1-2秒内存需求就可以了。free内存减少后,kswapd进程会在后台回收内存的,一般512M-2G可以满足要求。

context switch 高

有很多种情况都会导致 context switch。MySQL 中的 mutex 和 RWlock 在获取不成功后,短暂spin,还不成功,就会发生 context switch,sleep,等待唤醒。

在 MySQL中,mutex 和 RWlock导致的 context switch,一般在show global status,show engine innodb mutex,show engine innodb status,performance_schema等中会体现出来,针对不同的mutex和RWlock等待,可以采取不同的优化措施。

除了MySQL的mutex和RWlock,还发现一种情况,是MySQL外的mutex竞争导致context switch高。

典型症状:

  1. MySQL running 高,但系统 qps、tps 低
  2. 系统context switch很高,每秒超过200K
  3. 在 MySQL 内存查不到mutex和RWlock竞争信息
  4. SYS CPU 高,USER CPU 低
  5. 并发执行的SQL中出现timestamp字段,MySQL的time_zone设置为system

分析

对于使用 timestamp 的场景,MySQL 在访问 timestamp 字段时会做时区转换,当 time_zone 设置为 system 时,MySQL 访问每一行的 timestamp 字段时,都会通过 libc 的时区函数,获取 Linux 设置的时区,在这个函数中会持有mutex,当大量并发SQL需要访问 timestamp 字段时,会出现 mutex 竞争。

MySQL 访问每一行都会做这个时区转换,转换完后释放mutex,所有等待这个 mutex 的线程全部唤醒,结果又会只有一个线程会成功持有 mutex,其余又会再次sleep,这样就会导致 context switch 非常高但 qps 很低,系统吞吐量急剧下降。

解决办法:设置time_zone=’+8:00’,这样就不会访问 Linux 系统时区,直接转换,避免了mutex问题。

另外,对于spin消耗,MySQL配置变量中的innodb_spin_wait_delayinnodb_sync_spin_loops 可以用于微调。

作者介绍
高亚芳 北京理工大学计算机系毕业,IT行业老兵,目前负责数据存储基础架构工作,开源爱好者。