数据库内核月报 - 2017 / 02

AliSQL · 开源 · Sequence Engine

Introduction

单调递增的唯一值,是在持久化数据库系统中常见的需求,无论是单节点中的业务主键,还是分布式系统中的全局唯一值,亦或是多系统中的幂等控制。不同的数据库系统有不同的实现方法,比如MySQL提供的AUTO_INCREMENT,Oracle,SQL Server提供SEQUENCE等。

在MySQL数据库中,如果业务系统希望封装唯一值,比如增加日期,用户等信息,AUTO_INCREMENT的方法会带来很大的不便,在实际的系统设计的时候, 也存在不同的折中方法,比如:

  • 序列值由Application或者Proxy来生成,不过弊端很明显,状态带到应用端,增加了扩容和缩容的复杂度。
  • 序列值由数据库通过模拟的表来生成,但需要中间件来封装和简化获取唯一值的逻辑。

AliSQL自主实现了SEQUENCE ENGINE,通过引擎的设计方法,尽可能的兼容其他数据库的使用方法,简化获取序列值复杂度。

Github开源地址:https://github.com/alibaba/AliSQL

Description

AliSQL开源的SEQUENCE,实现了MySQL存储引擎的设计接口,但底层的数据仍然使用现有的存储引擎,比如InnoDB或者MyISAM来保存持久化数据,以便尽可能的保证现有的外围工具比如XtraBackup等工具的兼容,所以SEQUENCE ENGINE仅仅是一个逻辑引擎。

对sequence对象的访问通过SEQUENCE handler接口,这一层逻辑引擎主要实现NEXTVAL的滚动,CACHE的管理等,最后透传给底层的基表数据引擎,实现最终的数据访问。

下面我们透过语法来看下AliSQL SEQUENCE的使用。

Syntax

1. CREATE SEQUENCE Syntax:

CREATE SEQUENCE [IF NOT EXISTS] schema.sequence_name
   [START WITH <constant>]
   [MINVALUE <constant>]
   [MAXVALUE <constant>]
   [INCREMENT BY <constant>]
   [CACHE <constant> | NOCACHE]
   [CYCLE | NOCYCLE]
  ;

SEQUENCE OPTIONS:

  • START
    Sequence的起始值

  • MINVALUE
    Sequence的最小值,如果这一轮结束并且是cycle的,那么下一轮将从MINVALUE开始

  • MAXVALUE
    Sequence的最大值,如果到最大值并且是nocycle的,那么将会得到以下报错:
    ERROR HY000: Sequence 'db.seq' has been run out.

  • INCREMENT BY
    Sequence的步长

  • CACHE/NOCACHE
    Cache的大小,为了性能考虑,可以设置cache的size比较大,但如果遇到实例重启,cache内的值会丢失

  • CYCLE/NOCYCLE
    表示sequence如果用完了后,是否允许从MINVALUE重新开始

例如:

  create sequence s
       start with 1
       minvalue 1
       maxvalue 9999999
       increment by 1
       cache 20
       cycle;

2. SHOW SEQUENCE Syntax

SHOW CREATE [TABLE|SEQUENCE] schema.sequence_name;

CREATE SEQUENCE schema.sequence_name (
  `currval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'current value',
  `nextval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'next value',
  `minvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'min value',
  `maxvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'max value',
  `start` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'start value',
  `increment` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'increment value',
  `cache` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cache size',
  `cycle` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cycle state',
  `round` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'already how many round'
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1

由于SEQUENCE是通过真正的引擎表来保存的,所以SHOW COMMAND看到仍然是engine table。

3. QUERY STATEMENT Syntax

SELECT [NEXTVAL | CURRVAL | *] FROM schema.sequence_name;
SELECT [NEXTVAL | CURRVAL | *] FOR schema.sequence_name;

这里支持两种访问方式,FROM和FOR:

  • FROM clause: 兼容正常的SELECT查询语句,返回的结果是基表的数据,不迭代NEXTVAL。
  • FOR clause:兼容SQL Server的方法,返回的结果是迭代后NEXTVAL的值。
mysql> select * from s;
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
| currval | nextval | minvalue | maxvalue            | start | increment | cache | cycle | round |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
|       0 |   30004 |        1 | 9223372036854775807 |     1 |         1 | 10000 |     0 |     0 |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

mysql> select * for s;
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
| currval | nextval | minvalue | maxvalue            | start | increment | cache | cycle | round |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+
|       0 |   20014 |        1 | 9223372036854775807 |     1 |         1 | 10000 |     0 |     0 |
+---------+---------+----------+---------------------+-------+-----------+-------+-------+-------+

4. 兼容性

因为要兼容MYSQLDUMP的备份方式,所以支持另外一种CREATE SEQUENCE方法,即:通过创建SEQUENCE表和INSERT一行初始记录的方式, 比如:

  CREATE SEQUENCE schema.sequence_name (
  `currval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'current value',
  `nextval` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'next value',
  `minvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'min value',
  `maxvalue` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'max value',
  `start` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'start value',
  `increment` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'increment value',
  `cache` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cache size',
  `cycle` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'cycle state',
  `round` bigint(21) NOT NULL COMMENT 'already how many round'
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=latin1

INSERT INTO schema.sequence_name VALUES(0,0,1,9223372036854775807,1,1,10000,1,0);
COMMIT;

但强烈建议使用native的CREATE SEQUENCE方法。

5. 语法限制

  • Sequence不支持subquery和join
  • FOR clause只支持sequence表,普通引擎表不支持
  • 可以使用SHOW CREATE TABLE或者SHOW CREATE SEQUENCE来访问SEQUENCE结构,但不能使用SHOW CREATE SEQUENCE访问普通表
  • 不支持CREATE TABLE的时候指定SEQUENCE引擎,sequence表只能通过CREATE SEQUENCE的语法来创建

High level architecture

1. Sequence initialization

Sequence对象的创建,会转化成拥有固定[CURRVAL, NEXTVAL, MINVALUE, MAXVALUE, START, INCREMENT, CACHE, CYCLE, ROUND]这9个字段的引擎表,并根据CREATE SEQUENCE clause的定义,初始化了一条数据,所以sequence对象实质上是拥有一条记录的存储引擎表,SLAVE复制的BINLOG使用CREATE SEQUENCE ...语句生成的QUERY EVENT来完成。

2. Sequence interface

SEQUENCE handler实现了一部分的handler interface,并定义了两个重要的属性,SEQUENCE_SHARE和BASE_TABLE_FILE,SEQUENCE_SHARE保存着共享的sequence对象属性和CACHE的值,NEXTVAL的值首先从cache中获取,只有在cache使用完了,才会查询基表。
BASE_TABLE_FILE是基表的handler,对持久化的数据的访问和修改,都通过BASE_TABLE_FILE handler进行访问。

3. Sequence cache

Sequence对象的CACHE值保存在SEQUENCE_SHARE中,使用SEQUENCE_SHARE::MUTEX进行保护,所有对cache的访问是串行的。比如cache size是20,那么SEQUENCE_SHARE中只是保存一个cache_end值,当访问的NEXTVAL到了cache_end,就会从基表中获取下一个batch放到cache中。NEXTVAL根据INCREMENT BY设置的步长进行迭代。

4. Sequence update

当cache用完了之后,会从基表中获取下一个batch,这样会更新基表中的记录,查询会转化成更新语句,
其更新的主要步骤如下:

  1. 升级SEQUENCE的MDL_SHARE_READ METADATA LOCK 到 MDL_SHARE_WRITE级别
  2. 持有GLOBAL MDL_INTENSIVE_EXCLUSIVE METADATA LOCK
  3. 开启AUTONOMOUS TRANSACTION
  4. 更新记录并生成BINLOG EVENT
  5. 持有COMMIT METADATA LOCK
  6. XA提交AUTONOMOUS TRANSACTION 并释放MDL锁

5. Autonomous transaction

因为nextval不支持ROLLBACK重用,所以必须重启一个自治事务来脱离事务上下文,
其步骤如下:

  1. 备份当前基表引擎的事务上下文
  2. 备份当前BINLOG引擎的上下文
  3. SEQUENCE和BINLOG分别注册AUTONOMOUS TRANSACTION
  4. 等更新完成,XA提交AUTONOMOUS TRANSACTION
  5. 还原当前事务上下文

6. Sequence read only

因为SEQUENCE的SELECT语句会转换成UPDATE语句,所以SELECT NEXTVAL FOR s statement须持有 MDL_SHARE_WRITE 和 GLOBAL MDL_INTENSIVE_EXCLUSIVE METADATA LOCK 进行,以便在READ ONLY的时候,阻塞对sequence对象的访问。

7. Skip cache

这里指两种CACHE:

  • 一种是SEQUENCE的CACHE,可以使用SELECT NEXTVAL FORM Sequence_name来skip。
  • 另外一种是QUERY CACHE,所有的SEQUENCE都设置了不支持QUERY CACHE,这样避免由于QUERY CACHE导致NEXTVAL没有迭代。

8. Sequence backup

由于SEQUENCE是通过真正的引擎表来保存的,所以类似XtraBackup这样的物理备份可以直接使用,而类似于MYSQLDUMP这样的逻辑备份,SEQUENCE会备份成CREATE SEQUENCE语句和INSERT语句的组合来完成。

Next Release

本次开源了部分功能,下一次release将继续开源SEQUENCE的部分功能:

  • 支持CURRVAL的访问,CURRVAL表示当前session的上一次的NEXTVAL访问的值。
  • 兼容更多数据库的访问方法,比如:
Oracle Syntax:
  SELECT sequence_name.nextval FROM DUAL;  

PostgreSQL Syntax:
  nextval(regclass);
  currval(regclass);
  setval(regclass, bigint);

Usage Scenario

1. 更具有业务含义的主键设计 .

例如:[八位日期 + 四位USER ID + sequence_number]的流水业务单据号的设计格式,可以通过SELECT NEXTVAL FOR Sequence和应用封装的方式实现,相比较无意义的id数字,这种格式会带来几个优势:

  • 保持和时间同步的有序性,有利于数据的归档,比如可以直接使用这种ID来进行按日/月/年RANGE分区, 无缝使用MySQL的partition特性
  • 增加USER的id信息,可以作为天然的分库分表逻辑位, 提升数据节点可扩展性
  • 保持数字的有序性,保证InnoDB这种聚簇索引表的插入性能稳定

业界目前采用的设计方法:

  • Booking使用了AUTO_INCREMENT的方法, 先插入一个无业务含义的数字,然后使用last_insert_id()方法获取ID值,最后在业务逻辑中使用这个ID值。 其劣势就是必须先插入,并没有办法再修改这个无业务含义的id。
  • Twitter采用了另外一种格式,[41 bits timestamp + 10 bits configured machine ID + 12 bits sequence number], sequence number的生成机制没有透露,machine ID的的设计,使用Zookeeper来管理的machine ID或者机器的MAC address。
  • UUID的方法,这种方式生成了一个随机的唯一值,严重影响了插入的性能,并且增大了索引大小,降低了命中率,没有任何优势。

2. 分布式节点的唯一值设计

分布式SEQUENCE生成:

  • 可以为每一个节点设计sequence,比如为每个节点设计不同的INCREMENT BY步长来达到MySQL AUTO_INCREMENT中,设置auto_increment_increment和auto_increment_offset的效果,但相比较auto increment的全局配置,并且保存在my.cnf中的方法,SEQUENCE可以把这些配置当做sequence对象的属性持久化保存下来,优势明显。但不推荐使用这种方法来设计唯一值,会给运维留下不少坑。
  • 使用类似twitter的方法,每一个节点上创建sequence,然后增加节点信息到sequence number中,生成唯一值。

集中式SEQUENCE生成:

  • 对于分布式节点中的ID需求,使用独立的集中式的sequence服务来生成,但如果要保证持续可用,sequence服务仍然需要设计成多节点的,比如Flickr的Ticket Servers设计:

Sequence服务节点上创建Ticket表:

CREATE TABLE `Tickets64` (
  `id` bigint(20) unsigned NOT NULL auto_increment,
  `stub` char(1) NOT NULL default '',
  PRIMARY KEY  (`id`),
  UNIQUE KEY `stub` (`stub`)
) ENGINE=MyISAM

+-------------------+------+
| id                | stub |
+-------------------+------+
| 72157623227190423 |    a |
+-------------------+------+

使用以下语句,生成ID值:
SQL REPLACE INTO Tickets64 (stub) VALUES ('a'); SELECT LAST_INSERT_ID();
因为PHOTOS,COMMENTS,FAVORITES,TAGS都需要ID, 所以会建不同的ticket表来完成,为了保持持续可用,采用了:

TicketServer1:
auto-increment-increment = 2
auto-increment-offset = 1

TicketServer2:
auto-increment-increment = 2
auto-increment-offset = 2

来保证高可用。
如果使用sequence对象,可以大大简化ID的获取逻辑,并更加安全。