binlog实现并发复制过程slave线程数

阅读原文时间：2021年04月21日阅读：1

首先梳理下传统MySQL/MariaDB主备复制基本原理：

主从复制通过三个线程来完成，在master节点运行的binlog dump的线程，I/O线程和SQL线程运行在slave 节点

master节点的Binlog dump线程，当slave节点与master正常连接的时候，master把更新的binlog 内容推送到slave节点。
slave节点的I/O 线程，该线程通过读取master节点binlog日志名称以及偏移量信息将其拷贝到本地relay log日志文件。
slave节点的SQL线程，该线程读取relay log日志信息，将在master节点上提交的事务在本地回放，达到与主库数据保持一致的目的。

问题1：

Master节点的数据库实例并发跑多个线程同时提交事务，提交的事务按照逻辑的时间（数据库LSN号）顺序地写入binary log日志，,slave节点通过I/O线程写到本地的relay log日志，但是slave节点只有SQL单线程来执行relay log中的日志信息重放主库提交得事务，造成主备数据库存在延迟（lag）

思考1：

那么为了减少主备数据同步延迟时间，由于备库只有单线程补偿数据的原因而造成延迟，那么能否使slave节点同时运行多个如SQL线程一样的功能来重放在主库执行的事务？答案当然是：可以！但是我们需要解决以下问题：

1、slave本地的relay log记录的是master 的binary log日志信息，日志记录的信息按照事务的时间先后顺序记录，那么为了保证主备数据一致性，slave节点必须按照同样的顺序执行，如果顺序不一致容易造成主备库数据不一致的风险。

如：

在master节点提交T1和T2事务按照以下顺序

1. State0: x= 1, y= 1

2. T1: { x:= Read(y);

3. x:= x+1;

4. Write(x);

5. Commit; }

6.
State1: x= 2, y= 1

7. T2: { y:= Read(x);

8. y:=y+1;

9. Write(y);

10. Commit; }

11.
State2: x= 2, y= 3

slave节点执行T1和T2相反的顺序：

1. State0: x= 1, y= 1

2. T2: { y:= Read(x);

3. y:= y+1;

4. Write(y);

5. Commit; }

6.
State1: x= 1, y= 2

7. T1: { x:= Read(y);

8. x:=x+1;

9. Write(x);

10. Commit; }

11.
State2: x= 3, y= 2

MySQL 5.6改进：

MySQL 5.6版本引入并发复制（schema级别），基于schema级别的并发复制核心思想：“不同schema下的表并发提交时的数据不会相互影响，即slave节点可以用对relay log中不同的schema各分配一个类似SQL功能的线程，来重放relay log中主库已经提交的事务，保持数据与主库一致”。可见MySQL5.6版本的并发复制，一个schema分配一个类似SQL线程的功能。

实现1：

slave节点开启并发复制（slave_parallel_workers＝3）如下图，当前的slave的SQL线程为Coordinator（协调器），执行relay log日志的线程为worker(当前的SQL线程不仅起到协调器的作用，同时也可以重放relay log中主库提交的事务)

1. +-----+-------------+-----------+------+---------+-------+--------------------------------------------------------+------------------+

3. +-----+-------------+-----------+------+---------+-------+--------------------------------------------------------+------------------+

问题2:

MySQL 5.6基于schema级别的并发复制能够解决当业务数据的表放在不同的database库下，但是实际生产中往往大多数或者全部的业务数据表都放在同一个schema下，在这种场景即使slave_parallel_workers>0设置也无法并发执行relay log中记录的主库提交数据。高并发的情况下，由于slave无法并发执行同个schema下的业务数据表，依然会造成主备延迟的情况。

思考2：

那么如果slave同时可以用多线程的方式，同时执行一个schema下的所有业务数据表，将能大大提高slave节点执行ralay log中记录的主库提交事务达到与主库数据同步的目的，实现该功能我们需要解决什么问题？

1、前面提到过为了保证主库数据一致性，master节点写入的binary log日志按照数据库逻辑时间先后的顺序并且slave节点执行relay log中主库提交的事务必须按照一致的顺序否则会造成主备数据不一致的情况。
2、既然要实现scehma下所有的业务数据表能够并发执行，那么slave必须得知道并发执行relay log中主库提交的事务不能相互影响而且结果必须和主库保持一致。

实现2:

MySQL 5.7 引入Enhanced Muti-threaded slaves,当slave配置slave_parallel_workers>0并且global.slave_parallel_type＝‘LOGICAL_CLOCK’,可支持一个schema下，slave_parallel_workers个的worker线程并发执行relay log中主库提交的事务。但是要实现以上功能，需要在master机器标记binary log中的提交的事务哪些是可以并发执行，虽然MySQL 5.6已经引入了binary log group commit，但是没有将可以并发执行的事务标记出来。

我们用命令 mysqlbinlog -vvv mysqlbinlog.0000003 | grep -i last_committed 在MySQL 5.7的master机器上可以看到last_committed 和sequence_number

1. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 14623 CRC32 0x767a33fa GTID last_committed=18 sequence_number=26

3. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 15199 CRC32 0x7dd1bf05 GTID last_committed=26 sequence_number=27

5. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 15773 CRC32 0xb01dc76e GTID last_committed=26 sequence_number=28

7. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 16347 CRC32 0x7a8e0ee8 GTID last_committed=26 sequence_number=29

9. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 16921 CRC32 0x92516d17 GTID last_committed=26 sequence_number=30

10.

11. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 17495 CRC32 0xeb14a51e GTID last_committed=26 sequence_number=31

12.

13. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 18071 CRC32 0x750667d0 GTID last_committed=26 sequence_number=32

14.

15. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 18645 CRC32 0xcaed6159 GTID last_committed=26 sequence_number=33

16.

17. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 19219 CRC32 0x62408408 GTID last_committed=26 sequence_number=34

18.

19. #151223 15:11:28 server id 15102 end_log_pos 19793 CRC32 0x5cf46239 GTID last_committed=33 sequence_number=35

slave机器的relay log中 last_committed相同的事务（sequence_num不同）可以并发执行。从上面截取的信息可以看出last_committed=26的事务一共有8个：从sequence_number=27~24。假设当slave_parallel_workers=7时，Coordinator线程（SQL线程）分配这一组事务到worker中排队去执行。这里可以看出增加master库binary log group commit组中事务的数量可以提高slave机器并发处理事务的数量，MySQL5.7引入 binlog_group_commit_sync_delay和 binlog_group_commit_sync_no_delay_count参数即提高binary log组提交并发数量。MySQL等待binlog_group_commit_sync_delay毫秒的时间直到binlog_group_commit_sync_no_delay_count个事务数时，将进行一次组提交。

总结:

MySQL 5.7 GA版本推出的 Enhanced Multi-threaded Slaves功能，彻底解决了之前版本主备数据复制延迟的问题，开启该功能参数如下：

1. # slave机器

2. slave-parallel-type=LOGICAL_CLOCK

3. ＃slave-parallel-type=DATABASE #兼容MySQL 5.6基于schema级别的并发复制

4. slave-parallel-workers=16 ＃开启多线程复制

5. master_info_repository=TABLE

6. relay_log_info_repository=TABLE

7. relay_log_recovery=ON

经过上两篇关于MySQL／MariaDB 的Binary Log Group Commit的发展历程和enhanced multi-threaded slave的介绍，相信大家对MySQL 基于Binay Log 的replication的原理以及为了解决主备数据复制延迟问题而引入的enhanced multi-threaded slave 功能，支持从库多线程并发回放主库提交的事务有了更深入的了解。同时为了更好的发挥MySQL 5.7/MariaDB 10 并发复制的性能，两个版本都在主库Binary Log Group Commit的阶段做了更加深入的优化。

无论是MySQL还是MariaDB在Binary Log Group Commit优化的目的都是：使高并发下的事务尽可能的在同一个时间点提交，然后用一次fsync()的操作将这一组的Binary log缓存的数据写入磁盘。当并发事务可以在同一个时间提交，说明每个线程所执行的事务之间没有锁冲突（如果有锁冲突，并发的事务将无法在同一个时刻提交），那么意味着这一组并发提交的事务在slave机器上能并发重放主库提交的事务，所以我们只需要在master机器对二进制日志进行Group Commit的时候标记上组提交相关信息，slave机器就可以安全的并发执行主库提交的事务。

我们来看一个例子：

事务T1、T2(start transaction)开始事务，落后于事务T3、T4的(start transaction)开始时间，但是这一组事务都在C（commit）时间点提交事务，所以这一组事务（T1、T2、T3、T4）将在master机器上进行Binary Log group Commit，然后该二进制日志推送到slave机器上时可以并发执行这一组被标记的事务。

原理：

从上面的例子可以看出，并发线程执行不同的事务只要在同一时刻能够commit（说明线程之间没有锁冲突），那么master节点就可以将这一组的事务标记并在slave机器上安全的进行并发重放主库提交的事务。所以尽可能的使所有线程能在同一时刻提交可以极大的提高slave机器并发执行事务的数量使主备数据同步。

在上一篇文章提到过：MySQL／MariaDB开启Binary Log日志后使 二进制日志写入顺序和存储引擎提交顺序保持一致，Binary Log Group Commit分为三个过程：

图1: Binary Log Group Commit 三个阶段

在 Flush stage：所有已经注册线程都将写入binary log缓存

在Sync stage ：binary log缓存的数据将会sync到磁盘，当sync_binlog=1时所有该队列事务的二进制日志缓存永久写入磁盘

在 Commit stage: leader根据顺序调用存储引擎提交事务。

那么为了使更多的并发线程事务能够视为在同一个时刻commit即在Sync阶段（调fsync()把binary log文件系统缓存日志永久刷入磁盘文件）master机器标记并发提交的事务为同一组事务的信息写入binary log日志中。我们可以在Flush Stage将注册为leader的线程带领更多的follower线程到Sync stage进行一次fsync()的操作，来增加Binary Log Group Commit的数量。

如下图：

当前MySQL/MariaDB数据库实例上运行三个线程分别提交T1、T2、T3事务，T1事务的线程率先提交进入第一阶段Flush stage队列，发现该队列是空队列故注册成leader，与此同时T2事务进入Flush stage成为该队列的follower等待leader调配，事务T1的leader带领T2事务进入Sync stage进行一次fsync()操作那么T1、T2在binary log进行一次group commit。
在二进制日志内标记了这一组事务。之后T3线程的事务随后进入了binary log提交的过程。

图2: 组提交过程

MariaDB 10通过@@binlog_commit_wait_count and @@binlog_commit_wait_usec 两个参数设置，既事务commit阶段的时候至少等binlog_commit_wait_usec毫秒直到有binlog_commit_wait_count个数时进行一次组提交，来提高每组事务中的事务数量，并可以通过查询状态变量@@binlog_commit和@@binlog_group_commit来查参数来查看当前binary log group commit比例。

MySQL5.7通过引入 binlog_group_commit_sync_delay和 binlog_group_commit_sync_no_delay_count参数即提高binary log组提交并发数量，既MySQL等待binlog_group_commit_sync_delay毫秒的时间直到binlog_group_commit_sync_no_delay_count个数时进行一次组提交。

实现：

Binary Log Group Commit在MySQL 5.7和MariaDB 10 中是默认开启不需要配置任何信息，且在binary log中标记的组提交信息依赖于GTID，而MySQL和MariaDB的GTID组成和实现方式不一样，这里我们简单梳理下。

在MySQL 5.7版本由于Binary Log Group Commit是默认开启的，所以即使你不开启gtid_mode在配置文件中，binary log的内容中同样也有GTID 信息只不过标记的信息是"ANONYMOUS"

> show binlog events in 'mysql-bin.000004';截取一段信息

1. ……………
| mysql-bin.000004 | 3571 | Anonymous_Gtid | 15112 | 3636 | SET @@SESSION.GTID_NEXT= 'ANONYMOUS' |

2. | mysql-bin.000004 | 3636 | Query | 15112 | 3712 | BEGIN |

3. | mysql-bin.000004 | 3712 | Rows_query | 15112 | 3763 | # INSERT INTO t1 () VALUES () |

4. | mysql-bin.000004 | 3763 | Table_map | 15112 | 3807 | table_id: 108 (db2.t1) |

5. | mysql-bin.000004 | 3807 | Write_rows | 15112 | 3847 | table_id: 108 flags: STMT_END_F |

6. | mysql-bin.000004 | 3847 | Xid | 15112 | 3878 | COMMIT /* xid=33 */ |
……………..

> mysqlbinlog -vvv mysql-bin.00004 | less

1. #151231 14:34:03 server id 15112 end_log_pos 2408 CRC32 0x5586fe71 Anonymous_GTID last_committed=6 sequence_number=8

2. SET @@SESSION.GTID_NEXT= 'ANONYMOUS'/*!*/;

3. # at 2408

4. #151231 14:34:03 server id 15112 end_log_pos 2484 CRC32 0x748efb17 Query thread_id=11 exec_time=0 error_code=0

5. SET TIMESTAMP=1451543643/*!*/;

6. BEGIN

7. ..

MariaDB的GTID同样也是默认开启且GTID是由Domain ID、Server ID和transaction Sequence Number组成：

图3 MariaDB GTID组成

> show binlog events in 'mysql-bin.000003'；截取一段信息

1. …….
| mysql-bin.000003 | 335 | Gtid | 15102 | 377 | BEGIN GTID 0-15102-64139 |

2. | mysql-bin.000003 | 377 | Table_map | 15102 | 434 | table_id: 18 (test.sbtest1) |

3. | mysql-bin.000003 | 434 | Write_rows_v1 | 15102 | 657 | table_id: 18 flags: STMT_END_F |

4. | mysql-bin.000003 | 657 | Xid | 15102 | 688 | COMMIT /* xid=16 */ |

5. | mysql-bin.000003 | 688 | Gtid | 15102 | 732 | BEGIN GTID 0-15102-64140 cid=20 |

6. | mysql-bin.000003 | 732 | Table_map | 15102 | 789 | table_id: 19 (test.sbtest6) |

7. | mysql-bin.000003 | 789 | Write_rows_v1 | 15102 | 1012 | table_id: 19 flags: STMT_END_F |

8. | mysql-bin.000003 | 1012 | Xid | 15102 | 1043 | COMMIT /* xid=20 */ |

9. | mysql-bin.000003 | 1043 | Gtid | 15102 | 1087 | BEGIN GTID 0-15102-64141 cid=20 |

10. | mysql-bin.000003 | 1087 | Table_map | 15102 | 1145 | table_id: 20 (test.sbtest12) |

11. | mysql-bin.000003 | 1145 | Write_rows_v1 | 15102 | 1368 | table_id: 20 flags: STMT_END_F |

12. | mysql-bin.000003 | 1368 | Xid | 15102 | 1399 | COMMIT /* xid=21 */ |
……

> mysqlbinlog -vvv mysql-bin.00003 | less

1. …….

2. # at 1754

3. #160104 15:16:46 server id 15102 end_log_pos 1798 CRC32 0x26104c0b GTID 0-15102-64143 cid=20 trans

4. /*!100001 SET @@session.gtid_seq_no=64143*//*!*/;

5. BEGIN

6. /*!*/;

7. # at 1798

8. #160104 15:16:46 server id 15102 end_log_pos 1856 CRC32 0x2c994f5a Table_map: `test`.`sbtest12` mapped to number 20

9. # at 1856

10. #160104 15:16:46 server id 15102 end_log_pos 2079 CRC32 0x02b5a694 Write_rows: table id 20 flags: STMT_END_F

11.

12. BINLOG '

13. ………

结论：

MySQL 5.7 / MariaDB 10的parallel replication都是基于主库上Binary Log Group Commit。

MySQL：主库并发提交的事务group commit写入binary log日志中，当事务被标记的 last_committed=N的值相同时（通过binlog_group_commit_sync_delay、 binlog_group_commit_sync_no_delay_count参数设置提高并发事务数量），可以在slave节点并发回放主库提交的事务。

MariaDB: 主库并发提交的事务group commit写入binary log日志中，当事务被标记的 cid=N 的值相同时（通过 binlog_commit_wait_count、binlog_commit_wait_usec参数设置提高并发事务数量），可以在slave节点并发回放主库提交的事务。

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