数据库内核月报 － 2016 / 06

TokuDB的buffer pool（在TokuDB中被称作cachetable）维护几个后台工作线程定期处理一些任务。 其中有一个工作线程叫做checkpointer线程，每60秒启动一次把cachetable中所有脏页写回到磁盘上。 TokuDB只支持这一种checkpoint方式，用MySQL术语来说就是sharp checkpoint。 每次checkpoint过程写的脏页数目可能会比较多，而且在写回的过程中需要一直持有节点的读写锁，因此，checkpoint时索引的访问性能会受到一定程度的影响。 为了降低checkpoint对性能影响，TokuDB对每个脏页clone一份用于写回，在clone的过程中是持有节点的读写锁的，clone结束会放掉读写锁。

TokuDB checkpoint过程分为如下五个步骤：

• 获取全局的checkpoint锁
• Begin checkpoint
• End checkpoint
• 清理redo日志
• 释放全局的checkpoint锁

下面我们一起看一下begin checkpoint和end checkpoint的详细过程。

Begin checkpoint

在checkpoint开始时刻要做一些准备工作，诸如：

1. pin FT 给CACHEFILE对应的FT加pinned_by_checkpoint标记，保证CACHEFILE不会从内存里移除。CACHEFILE记录了索引包含的数据节点列表和描述索引对应文件的相关信息。

2. 对每个CACHEFILE加for_checkpoint标记 标识此CACHEFILE数据属于当前的checkpoint。
3. 记redo日志 记录checkpoint开始时刻的lsn。 写redo日志：begin checkpoint日志项，checkpoint打开索引文件日志项，live txn日志项
4. 对每个PAIR（数据页）加checkpoint_pending标记 遍历cachetable里面每个数据页，如果数据页对应的索引文件（CACHEFILE）属于checkpoint，对数据页加checkpoint_pending标记，并加入到全局m_pending_head双向链表里面。
5. 更新checkpoint header信息 clone一份FT header，记做ft->checkpoint_header,记录checkpoint开始时刻BTT（Block Translation Table）的位置。 TokuDB每次checkpoint都会把数据写到一个新的地方，索引逻辑页号（或者块号）到索引文件offset的映射关系记录在BTT里面。 ft->checkpoint_header的类型为FT_CHECKPOINT_INPROGRESS，lsn为checkpoint开始时刻的lsn。
6. 克隆BTT，BTT里面有个translation表，记录逻辑页号到索引文件offset的映射关系。这个表有三个版本：

• _current（当前的，类型为TRANSLATION_CURRENT）
• _inprogress（checkpoint开始时刻的，类型为TRANSLATION_INPROGRESS）
• _checkpointed（上次checkpont的，类型为TRANSLATION_CHECKPOINTED）
  就是把TRANSLATION_CURRENT复制一份，并把类型设置为TRANSLATION_INPROGRESS。

注： 1, 2阶段在m_cf_list->read_lock保护下进行 4, 5阶段在此过程在pair list的锁和m_cf_list->read_lock保护下进行。。 注意是拿了pair list上所有的锁，m_list_lock读锁，m_pending_lock_expensive写锁，m_pending_lock_cheap写锁，保证不能向pair list添加/删除数据页；不能把pair list的数据页evict出内存；同时也阻止在get_and_pin的过程中client线程池帮助写回属于checkpoint的脏页。这三个锁都是保护pair list的，按照不同的功能拆分成三个锁。

void checkpointer::begin_checkpoint() {
    // 1. Initialize the accountability counters.
    m_checkpoint_num_txns = 0;

    // 2. Make list of cachefiles to be included in the checkpoint.
    m_cf_list->read_lock();
    m_cf_list->m_active_fileid.iterate<void *, iterate_note_pin::fn>(nullptr);
    m_checkpoint_num_files = m_cf_list->m_active_fileid.size();
    m_cf_list->read_unlock();

    // 3. Create log entries for this checkpoint.
    if (m_logger) {
        this->log_begin_checkpoint();
    }

    bjm_reset(m_checkpoint_clones_bjm);

    m_list->write_pending_exp_lock();
    m_list->read_list_lock();
    m_cf_list->read_lock(); // needed for update_cachefiles
    m_list->write_pending_cheap_lock();

    // 4. Turn on all the relevant checkpoint pending bits.
    this->turn_on_pending_bits();

    // 5. Clone BTT and FT header
    this->update_cachefiles();
    m_list->write_pending_cheap_unlock();
    m_cf_list->read_unlock();
    m_list->read_list_unlock();
    m_list->write_pending_exp_unlock();
}

End checkpoint

在end checkpoint的阶段

• 把所有的CACHEFIlE记录在checkpoint_cfs数组里面，为后面的步骤做准备。
• 然后调用checkpoint_pending_pairs函数把m_pending_head双向链表的数据页写回到磁盘上。 Checkpoint_pending_pairs遍历m_pending_head链表，对每个数据页判断是否真的需要写回。 因为一次checkpoint的时间比较长，有的数据页可能是被client线程池帮忙写回了，这里就不需要再做一次写回操作。如果需要写回，就调用clone_callback克隆一份。 在clone的过程中是持有数据页的读写锁和disk_nb_mutex（mutex语义，表示有I/O在进行），克隆结束后，释放读写锁，只持有disk_nb_mutex锁，由checkpointer线程把数据页写回（cloned副本）。写回结束后，释放disk_nb_mutex。 如果数据页没有设置clone_callback（缺省是都会设置的），由checkpointer线程把数据页（注意，是数据页本身）写回，写回过程中是持有读写锁和disk_nb_mutex的。 写回结束后清除checkpoint_pending标记和dirty标记。 函数checkpoint_pending_pairs把所有的数据页写回到磁盘上，后面要做的就是metadata的修改。
• 对checkpoint_cfs数组的每个CACHEFILE调用checkpoint_userdata回调函数（实际上是ft_checkpoint函数）把BTT（Block Translation Table）和ft->checkpoint_header序列化到磁盘上。 BTT的rootnum 在FT索引文件里有两个位置可以保存ft->header：偏移0和偏移4096。 TokuDB采用round robin的方式，把奇数次（1,3,5…）checkpoint的header存储在偏移为0的地方; 把偶数次（2,4,6,…）checkpoint的header存储在偏移为4096的位置上。 然后更新ft->h->checkpoint_lsn为checkpoint开始时刻的lsn。
• 写redo日志：end checkpoint日志项。
• 通知logger子系统logger->last_completed_checkpoint_lsn为checkpoint开始时刻的lsn。
• 对checkpoint_cfs数组保存的每个CACHEFILE调用end_checkpoint_userdata回调函数（实际上是ft_end_checkpoint）把_checkpointed记录的上次checkpoint写回的数据页所占用空间释放掉。并且把这次checkpoint的BTT保存在_checkpointed，然后清空_inprogress，表示checkpoint结束，当前没有正在进行的checkpoint。在ft_end_checkpoint里面还做了一个事情就是把ft->checkpoint_header释放并置为空，到这里checkpoint的工作就完成了。
• unpin FT

void checkpointer::end_checkpoint(void (*testcallback_f)(void*),  void* testextra) {
    toku::scoped_malloc checkpoint_cfs_buf(m_checkpoint_num_files * sizeof(CACHEFILE));
    CACHEFILE *checkpoint_cfs = reinterpret_cast<CACHEFILE *>(checkpoint_cfs_buf.get());

    this->fill_checkpoint_cfs(checkpoint_cfs);
    this->checkpoint_pending_pairs();
    this->checkpoint_userdata(checkpoint_cfs);
    // For testing purposes only.  Dictionary has been fsync-ed to disk but log has not yet been written.
    if (testcallback_f) {
        testcallback_f(testextra);
    }
    this->log_end_checkpoint();
    this->end_checkpoint_userdata(checkpoint_cfs);

    // Delete list of cachefiles in the checkpoint,
    this->remove_cachefiles(checkpoint_cfs);

}

Checkpoint的redo日志

下面我们一起看一下checkpoint过程记录的redo日志：

• Begin_checkpoint：表示begin checkpoint的日志项
• Fassociate：表示打开的索引的日志项
• End_checkpoint：表示end checkpoint的日志项

./tdb_logprint < data/log000000000002.tokulog27
begin_checkpoint         'x': lsn=88 timestamp=1455623796540257 last_xid=153 crc=470dd9ea len=37
fassociate               'f': lsn=89 filenum=0 treeflags=0 iname={len=15 data="tokudb.rollback"} unlink_on_close=0 crc=8606e9b1 len=49
fassociate               'f': lsn=90 filenum=1 treeflags=4 iname={len=18 data="tokudb.environment"} unlink_on_close=0 crc=92dc4c1c len=52
fassociate               'f': lsn=91 filenum=3 treeflags=4 iname={len=16 data="tokudb.directory"} unlink_on_close=0 crc=86323b7e len=50
end_checkpoint           'X': lsn=92 lsn_begin_checkpoint=88 timestamp=1455623796541659 num_fassociate_entries=3 num_xstillopen_entries=0 crc=5cde4ff2 len=45