MySQL 8.0 新特性：WriteSet 复制

前言

MySQL 的主从同步应该是被各个 DBA 熟知的技术了，从 MySQL 3.23.15 开始一直迭代改进到 8.0 版本。经过这么多年的改进，目前 8.0 提供的复制技术是最新的 WriteSet 机制，这个功能也被合并到了 5.7.21 版本，解决了 5.7 并行复制的一些问题。

复制的发展与瓶颈

基本原理

复制原理

MySQL 复制的基本原理是比较简单和清晰的：Slave 节点中的 IO Thread 从 Master 的 binlog dump 新的内容到 Slave 本地的 relaylog，然后 SQL Thread 从 relaylog 中读取数据，在 Slave 上重放这些数据变更。

MySQL 5.5 与以前

在这个阶段，MySQL 复制的实现和原理基本是一致的，只有一个 SQL 线程在回放这些数据变更，这就导致了主库上并行执行的很多操作，在 Slave 上变成了串行，严重的限制了复制的效率，导致同步延迟的问题出现的比较多。

MySQL 5.6

为了解决这个问题，MySQL 5.6 提出了并行复制的技术，简单的原理图参考下图：

MySQL 5.6

这个并行复制并不是通常意义上的并行复制，实际上是以 DB 为维度的并行复制，同一个 DB 内的操作实际上还是串行的，但是这个消费者生产者的原模型一直被并行复制所沿用。

MySQL 5.7.21 之前

在 5.6 的基础上，MySQL 5.7 去掉了表或者库的限制，基于 Group Commit 实现了完整的并行复制，同一个恶 Group 内的事务是互不冲突的，在 Slave 上可以并行回放。

具体的设计思路可以参考官方的文档：WL#6314，以及优化过后的方案（WL#7165），这里只是简单介绍一下 5.7 是如何判断事务冲突的。

5.7 原生的方案，参考如下图：

    Trx1 ------------P----------C-------------------------------->
                                |
    Trx2 ----------------P------+---C---------------------------->
                                |   |
    Trx3 -------------------P---+---+-----C---------------------->
                                |   |     |
    Trx4 -----------------------+-P-+-----+----C----------------->
                                |   |     |    |
    Trx5 -----------------------+---+-P---+----+---C------------->
                                |   |     |    |   |
    Trx6 -----------------------+---+---P-+----+---+---C---------->
                                |   |     |    |   |   |
    Trx7 -----------------------+---+-----+----+---+-P-+--C------->
                                |   |     |    |   |   |  |
                                ^   ^     ^    ^   ^
                                c1  c2    c3   c4  c5

横向表示时间线，纵向表示不同的事务，P 和 C 可以粗略的理解为事务执行的不同阶段。简单的看，原生的方案中，以 C 的逻辑时间点为分界线，为每个 Trx 标记了一个逻辑的序号，P 阶段会获取这个逻辑序号，同样序号的事务可以在 Slave 并行回放。因此上图中会生成如下的 4 个事务组：

<Trx1，Trx2，Trx3>，<Trx4>，<Trx5，Trx6>，<Trx7>

从实际的情况来看，Trx4 这个事务有很多部分是和 Trx5，Trx6 重合的，这几个事务之间其实可能并不存在锁冲突，因此官方又对这个所冲突检测的方式做了优化：

  - 持有锁的生命周期有重叠，说明不存在锁争用，可以并行回放:
    Trx1 -----L---------C------------>
    Trx2 ----------L---------C------->

  - 持有锁的生命周期没有重叠部分，无法判断是否有锁争用，不可以并行回放:
    Trx1 -----L----C----------------->
    Trx2 ---------------L----C------->

因为检测锁的消耗会比较大，因此官方根据事务各个阶段的特点，直接划定了事务的锁生命周期，绕开了锁争用的检测，“预测”了事务之间的锁争用。

以上图为例，L 与 C 代表锁生命周期的起点，如果两个事物在这个周期内存在重叠，那么就判断为可以并行回放，如果这两个周期没有重叠，就判断为无法并行回放。参考前面 Trx1 ~ Trx7 的示例，以这种策略来判断的话，事务组会合并成 3 个，并行复制的事务吞吐量会得到提升。

<Trx1，Trx2，Trx3>，<Trx4，Trx5，Trx6>，<Trx7>

但是这种策略会有一个问题：当主库的并发度不高（比如少量的长连接），或者是 IO 设备的性能足够好的时候，L 与 C 重叠的事务会比较少，每一个 Group 的事务数偏低，实际并行复制的效率依旧会有问题，严重的时候，比如单线程操作 DML（脚本批量操作数据）的时候，会发现所有的 DML 都不存在重叠的部分，5.7 的并行复制就会退化为单线程串行复制（传统艺能：一核有难，多核围观）。

WriteSet 复制，8.0 及 5.7.21 之后

WriteSet 实际上是事务冲突检测机制的称呼，通过对事务中受影响的行进行 Hash，然后和 History 中的 WriteSet result 进行对比，如果不存在冲突则合并到一个事务组，否则就把这个事务加到下一个事务组中。

由于采用了实际的数据内容检测，所以相比较于 5.7 的预测，WriteSet 能更准确的判断事务之间的冲突，既避免了 5.7 退化的问题，又避免了锁争用检测的消耗。

仍旧以图例来简要说明 WriteSet 的原理：

WriteSet 复制

每一个方块代表这个事务内受影响行的范围，T1~T8 代表事务执行的顺序，从方块代表的范围来看，可以看到 T4 和 T3 存在重叠，意味着这两个事务的 Hash 计算结果中会发现冲突，因此会从 T4 开始，开启一个新的事务组。T8 和 T6 之间存在重叠部分，因此与 T4 的行为类似，最终会产生如下图所示的效果：

WriteSet 复制

总共会有三个事务组：

<Trx1，Trx2，Trx3>，<Trx4，Trx5，Trx6，Trx7>，<Trx8>

测试一下

针对 5.7 单线程 DML 退化的场景和常规场景，都和 WriteSet 做一下对比，看看实际的效果。测试使用的数据集由 sysbench 1.0.20 生成，具体信息如下：

• 测试数据：5 张表，每张表 100 万行数据，物理大小约 900MB。
• MySQL 版本：Oracle 官方版本，5.7.31，6 GB 的 Buffer Pool。
• 事务提交策略：innodb_flush_log_at_trx_commit=2，sync_binlogsync_binlog=0
• 从库并行复制的并发度为 8
• 数据已经预热，全部加载到内存
• 测试项目：
  • 主库 32 线程并发，回放 500 万条单行操作的 DML 语句，分别使用 WriteSet 和普通并行复制。
  • 主库 1 线程并发，回放 500 万条当行操作的 DML 语句，分别使用 WriteSet 和普通并行复制。

测试结果参考下图：

测试结果

图例的纵坐标为追同步的耗时，越少越好，横坐标为各个测试用例：

• 1T-Para：主库 1 线程并发，使用 5.7 的并行复制
• 1T-WriteS：主库 1 线程并发，使用 WriteSet 复制
• 32T-Para：主库 32 线程并发，使用 5.7 的并行复制
• 32T-WriteS：主库 32 线程并发，使用 WriteSet 复制

可以看到 WriteSet 复制比 5.7 的并行复制快了至少 1 倍，在主库单线程的场景下，WriteSet 耗时仅并行复制的 40% 左右，同步复制的事务吞吐量提升了非常多。

总结一下

新技术的不断出现，让 MySQL 的“短板”逐渐被补齐，是时候更新数据库的版本，迎接更好的使用体验了~