数据库内核月报 - 2021 / 09

MySQL · 源码详解 · mini transaction详解

mtr介绍

mini-transaction是mysql内部的对底层page的一个原子操作,保证并发事务操作下以及数据库异常时page中数据的一致性。 ​

mini transaction 的信息保存在结构体 mtr_t 中,结构体成员描述详见前文,其中m_memo和m_log最为重要。本文的代码参照mysql 8.0.23。 ​

m_memo管理mtr持有的锁信息。对于持有的page锁,还要保留page指针,这是为了在commit时,将修改的脏页加入flush list中。 ​

m_log保存mtr修改操作对应的redo日志。在commit时,将redo日志一起拷贝到log_sys模块的公共日志buffer中。 ​

而mtr的使用方式如下:

mtr_t mtr;
mtr_start(&mtr);

// 1. 加锁

// 对待访问的index加锁
mtr_s_lock(rw_lock_t, mtr);
mtr_x_lock(rw_lock_t, mtr);

// 对待读写的page加锁
mtr_memo_push(mtr, buf_block_t, MTR_MEMO_PAGE_S_FIX);
mtr_memo_push(mtr, buf_block_t, MTR_MEMO_PAGE_X_FIX);

// 2. 访问或修改page
btr_cur_search_to_nth_level
btr_cur_optimistic_insert

// 3. 为修改操作生成redo
mlog_open
mlog_write_initial_log_record_fast
mlog_close

// 4. 持久化redo,解锁
mtr_commit(&mtr);

mtr的成员

我们重点看下mtr_t中m_memo和m_log成员的实现。m_memo和m_log都是mtr_buf_t类型的对象,mtr_buf_t是由一个双向链表组成的动态buffer,每个元素是512B大小的buffer(512B刚好匹配一个log block大小)。随着mtr_buf_t存储的数据的增加,它会自动生成新的512B的buffer,并加入双向链表中。 ​

m_memo使用动态buffer的方式是把锁类型、锁地址或page地址加入动态buffer。在mtr_s_lock或mtr_memo_push中会执行如下操作:

mtr_memo_slot_t *slot;

// 先在动态buffer中申请能容纳锁类型+地址的空间,再对该空间进行初始化
slot = m_impl.m_memo.push<mtr_memo_slot_t *>(sizeof(*slot));

// 锁类型
slot->type = type;
// 锁地址或page地址
slot->object = object;

m_log使用动态buffer的方式是把日志类型、space id、page no、以及具体的操作信息加入动态buffer。mlog_open:预分配待写入的日志空间,若空间不够,则增加新的buffer到动态buffer中。 mlog_write_initial_log_record_fast:写入日志类型、space id、page no,且m_n_log_recs加1。

// 将日志类型写入从动态buffer中申请的空间log_ptr
mach_write_to_1(log_ptr, type);
log_ptr++;

// 将space id和page no以压缩格式写入log_ptr
log_ptr += mach_write_compressed(log_ptr, space_id);
log_ptr += mach_write_compressed(log_ptr, page_no);

// m_n_log_recs加1,用于标识是single log record还是multiple log records
mtr->added_rec();

mlog_close:更新最终的日志大小m_size ​

mtr的使用

在开启一个mini transaction时,会初始化mtr对象中的m_log和m_memo成员,设置m_state为active。

mtr_t::start
  |
  |-> 初始化mtr.m_impl->m_log日志管理对象
  |
  |-> 初始化mtr.m_impl->m_memo锁管理对象
  |   m_log和m_memo都是mtr_buf_t,以block_t节点m_node域构建的双向链表
  |
  |-> m_log_mode=MTR_LOG_ALL(记录所有的数据变更) & m_state=MTR_STATE_ACTIVE

提交一个mini transaction的过程比较复杂,大致流程是先将m_log中的日志写入公共log buffer,再将m_memo中的加锁并且发生修改的脏page加入flush list,最后释放m_memo中的所有锁。 ​

公共log buffer是按照log block格式存储的(包含12B的header和4B的trailer,详见前文中的日志块结构),每个log block大小为512B,并且持久化时以512B进行对齐。每个log block中能存储日志内容的空间为512-12-4=496B。 ​

公共log buffer有个原子变量log.sn,其统计的是公共buffer中曾经存储过的日志内容的大小。通过sn可以很容易计算出对应的lsn,其统计的是公共buffer中曾经存储过的以log block格式的日志量的大小。 lsn = (sn / 496 * 512 + sn % 512 + 12)

公共log buffer是个循环buffer,其中有三个重要的位点log.write_lsn,log.sn对应的lsn,log.buf_limit_sn对应的lsn。其中log.write_lsn表示已写入磁盘的日志位点(不要求flush),log.sn对应的lsn表示已占位待拷贝的日志位点,log.buf_limit_sn对应的lsn表示可以占位的最大日志位点。满足log.write_lsn <= log.sn对应的lsn <= log.buf_limit_sn对应的lsn。 ​

将m_log中的日志写入公共log buffer:

  • 根据日志数m_n_log_recs是否为1,来判断是single log还是multiple log。对于single log,在日志的开头的日志类型字段中增加MLOG_SINGLE_REC_FLAG。而对于multiple log,在日志结尾增加1B的MLOG_MULTI_REC_END。
  • 在公共log buffer中使用原子变量log.sn进行日志占位。
  • 在往已占位的日志空间中拷贝日志前,有以下两种情况需要等待:
    • 若当前的log.sn位点被SN_LOCKED锁定,则要等待log.sn_locked 超过占位前的log.sn。当公共log buffer需要在线变更大小的时候,会进行SN_LOCKED加锁。
    • 若日志写入速度过快,来不及写磁盘,就会把log buffer占满,这时需要阻塞等待日志的写磁盘。
  • 将m_log动态buffer拷贝到公共log buffer,是按照512B大小的buffer粒度进行拷贝的:
    • 若日志长度超过log block剩余大小,则要做截断,并增加tail和新的header,以满足log block格式
    • 若写到log buffer的结尾(默认大小为16M),要继续转向log buffer开头继续拷贝。由于log buffer大小是log block的倍数,所以这里不需要再次做截断。
    • 每个buffer拷贝完成后触发一次log.recent_written的Link_buf更新(详见前文),log.recent_written记录完成拷贝的最大连续日志的lsn
  • 当m_log日志都写完,要检查已写入的日志是否横跨log block,若横跨了,则要在结尾的log block的header的LOG_BLOCK_FIRST_REC_GROUP字段中标识新mtr的位点end_lsn。

将m_memo中的加锁并且发生修改的脏page加入flush list:

  • 遍历m_memo动态buffer中的每个buffer中的每个锁对象mtr_memo_slot_t
    • 若是page锁,且该page发生了修改,则将该page加入flush list
  • 触发一次log.recent_closed的Link_buf更新,log.recent_closed记录添加到flush list的最大连续日志的lsn

以下是详细流程图:

mtr_t::commit
  |
  |-> mtr_t::Command
  |
(m_n_log_recs>0 || m_modifications)
  |
  |-> (yes)
  |	    v
  |   Command::execute 	  将mtr.m_impl->m_log写入公共log buffer,把脏页加入flush list
  |	    |
  |   	|-> prepare_write
  |     |     |
  |     |     |-> 若 mtr.m_impl->m_log_mode为 MTR_LOG_NO_REDO或MTR_LOG_NONE,则直接返回
  |     |     |
  |     |     |-> 若 mtr.m_impl->m_n_log_recs==1,则 m_log.front()->begin()|=MLOG_SINGLE_REC_FLAG,在日志头Type字段中标识,
  |     |         否则 m_log->push(MLOG_MULTI_REC_END),在日志结尾附加1B
  |	    |
  |   	|-> log_buffer_reserve      在公共log buffer中为日志预留空
  |     |     |
  |     |     |-> log_buffer_s_lock_enter_reserve
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> 对 log.pfs_psi加 s-lock
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> log.sn.fetch_add(mtr.m_impl->m_log.m_size)     在公共的log buffer中占位
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> log_buffer_s_lock_wait     若log.sn被SN_LOCKED,则等待log.sn_locked 超过占位前的log.sn
  |     |     |
  |     |     |-> log_translate_sn_to_lsn      将日志内容的偏移量log.sn 转为log block格式的偏移量start_lsn,start_lsn可以唯一表示日志在log block和公共log buffer中的位置
  |     |     |
  |     |     |-> log_wait_for_space_after_reserving     若end_sn > log.buf_limit_sn,则等待
  |	    |
  |   	|-> mtr_write_log_t(mtr.m_impl->m_log.m_list)    将日志内容拷贝至预留的空间
  |     |     |
  |     |   (loop mtr_buf_t::block in m_list)   将mtr.m_impl->m_log中的日志按block粒度拷贝到公共log buffer
  |     |     |
  |     |     |-> log_buffer_write      以log block的 start_lsn%OS_FILE_LOG_BLOCK_SIZE位置的数据 拷贝到公共log buffer的 start_lsn%log.buf_size位置
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> left = OS_FILE_LOG_BLOCK_SIZE - LOG_BLOCK_TRL_SIZE - offset     若日志长度超过log block剩余大小,则要做截断
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> lsn_diff = left + LOG_BLOCK_TRL_SIZE + LOG_BLOCK_HDR_SIZE       若log block写满,要增加tail和新的header
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> 若公共log buffer被写满,则下次从开头继续写。因为每个mtr的日志在解析时大小就不超过2M,肯定不会超过公共log buffer的大小16M
  |     |     |     |
  |     |     |     |-> log_block_set_first_rec_group    在新header中设置 LOG_BLOCK_FIRST_REC_GROUP为0
  |     |     |
  |     |     |-> log_buffer_set_first_record_group      若mtr日志都写完且 mtr开头和结尾不在同一个log block中,则在新header中设置 LOG_BLOCK_FIRST_REC_GROUP为 end_lsn
  |     |     |
  |     |     |-> log_buffer_write_completed    每个block拷贝完成后均触发一次Link_buf(并查集)的更新,log.recent_written记录完成拷贝的最大连续日志的lsn
  |     |           |
  |     |           |-> log.recent_written.add_link_advance_tail     在recent_written->m_links的slot中记录当前日志的end_lsn,m_tail表示已拷贝到log buffer连续日志的end_lsn
  |     |           |     |
  |     |           |     |-> 若m_tail为当前日志的start_lsn,则推进m_tail为当期日志的end_lsn
  |     |           |     |
  |     |           |     |-> 否则recent_written->m_links[start_lsn%capacity] = end_lsn,并推进m_tail
  |     |           |           v
  |     |           |         log.recent_written.advance_tail_until   等到log.recent_written.m_tail推进到最大lsn
  |     |           |           |
  |     |           |           |-> 若recent_written->m_links[m_tail%capacity] > m_tail,则使用cas更改recent_written->m_links[m_tail%capacity] = m_tail 来排他访问
  |     |           |           |
  |     |           |           |-> (loop next_position)    推进m_tail为此刻连续的最大lsn,即使没推进到当前日志,其它help线程会帮忙推进
  |     |           |
  |     |           |-> 若log.recent_written.m_tail > log.current_ready_waiting_lsn,则os_event_set(log.closer_event)
  |	    |
  |   	|-> add_dirty_blocks_to_flush_list(mtr.m_impl->m_memo)      将mtr锁管理中记录的脏页加入flush list
  |     |     |
  |     |   (reverse loop mtr_buf_t::block in m_memo)
  |     |     v
  |     |   (reverse loop mtr_memo_slot_t in block)
  |     |     |
  |     |     |-> add_to_flush     为了去掉flush_order_mutex,把mtr对应的脏页无序的添加到flush list,在做checkpoint时, 无法保证flush list 上面最头的page lsn是最小的
  |     |           v
  |     |         add_dirty_page_to_flush_list    把修改后的page加入flush list,当mtr_memo_slot_t.type为MTR_MEMO_PAGE_X_FIX或MTR_MEMO_PAGE_SX_FIX,
  |     |           |                             或为MTR_MEMO_BUF_FIX,且mtr_memo_slot_t.object->made_dirty_with_no_latch
  |     |           v
  |     |         buf_flush_note_modification(mtr_memo_slot_t.object)
  |	    |
  |   	|-> log_buffer_close       将mtr锁管理中记录的脏页处理完后触发一次Link_buf更新,log.recent_closed记录添加到flush list的最大连续日志的lsn
  |           |                    以log.recent_closed.m_tail的lsn来做checkpoint肯定是安全的,
  |           v
  |         log_buffer_s_lock_exit_close
  |           |
  |           |-> 对 log.pfs_psi解锁 s-lock
  |           |
  |           |-> log.recent_closed.add_link_advance_tail
  |
  |-> Command::release_all
  |	    |
  |   	|-> Release_all(mtr.m_impl->m_memo)     释放mtr持有的锁
  |
  |-> Command::release_resources -> clean mtr.m_impl->m_log & m_memo