Mysql onlineddl vs gh-ost

mysql 0nlineddl vs gh-ost

online ddl

1 早期DDL实现原理（5.6.7之前 ）

Innodb早期支持通过copy table跟inplace的方式来执行DDL语句，其原理如下：

• copy table方式
  • 新建跟原表格一致的临时表，并在该临时表上执行DDL语句
  • 锁原表，不允许DML，允许查询
  • 逐行数据从原表拷贝到临时表中**（这个过程是没有排序的）**
  • 拷贝结束后，原表禁止读操作，也就是原表此时不提供读写服务
  • 进行rename操作，完成DDL过程
• inplace方式（fast index creation，仅针对索引的创建跟删除）
  • 新建frm临时文件
  • 锁原表，不允许DML，允许查询
  • 按照聚集索引的顺序，查询数据，找到需要的索引列数据，排序后插入到新的索引页中
  • 原表禁止读操作，也就是原表此时不提供读写服务
  • 进行rename操作，替换frm文件，完成DDL过程

inplace在copy table的基础上做了一个较大的改进，则是不需要copy整个表格，只需要在原来的ibd文件上，新建所需要的索引页，这个过程比copy table节约极大的IO资源占用 且 DDL SQL执行速度大大提高，减少了该表格不提供写服务的时长。但是inplace仅支持索引的创建于删除，不支持其他的DDL操作，其他的DDL操作，仍然是copy table方式执行。

对于一个线上业务数据库，无论是copy table方式还是inplace方式，这里仍然有一个明显的弊端：操作期间涉及表格不提供写服务！无法对涉及到表格至下INSERT,UPDATE,DELETE操作，仅支持SELECT。

2 Online DDL实现原理

当表格发生DDL操作，可能会出现该表格数分钟甚至数小时不可访问，性能及响应异常，为了有效改善这个情况，MySQL 在5.6.7版本推出了Online DDL。（本文参考官网5.7版本的文档整理及测试）。

• 在online DDL中，也包含了copy跟inplace两种方式，对于不支持Online DDL的DDL SQL，则采用COPY方式；
• 对于支持Online DDL的DDL SQL，则采用Inplace方式：这里的Inplace又区分为2类：是否需要rebuild表格，判断标准为：是否修改行记录格式。
  • 如果修改了行记录格式，则需要rebuild表格，比如修改列类型、增减列等；
  • 如果没有修改行记录格式，仅修改表的元数据，则不需要rebuild表格，仅修改元数据 metadata，比如删除索引、设置默认值及重命名列名等。

详细可见下图，具体语法情况见第4部分。

那么，新增的Online DDL内部是怎样一个实现原理呢？

有3个阶段：prepare、execute、commit。

• PREPARE
  • 创建新的临时frm文件
  • 持有EXCLUSIVE_MDL锁，禁止读写
  • 根据alter类型，确定执行方式（copy，rebuild，no-rebuild）
  • 更新数据字典的内存对象
  • 若是需要rebuild，分配row_log对象记录的增量
  • 若是需要rebuild， 生成新的临时ibd文件
• EXECUTE
  • 如果是仅修改元数据：
    • 这部分无操作
  • 其他，则是：
    • 降低EXCLUSIVE-MDL锁，允许读写（copy 不允许写）
    • 记录ddl执行过程中产生的增量row-log（仅rebuild类型需要）
    • 扫描old_table的聚集索引每一条记录record
    • 遍历新表的聚集索引和二级索引，逐一处理
    • 根据record构造对应的索引项
    • 将构造索引项插入sort_buffer块
    • 将sort_buffer块插入新的索引
    • 把row-log中的操作应用到新临时表中，应用到最后一个Block
• COMMIT
  • 升级到EXECLUSIVE-MDL锁，禁止读写
  • 重做最后一部分的row_log增量
  • 更新innodb的数据字典表
  • 提交事务，写redo日志
  • 修改统计信息
  • rename 临时的ibd文件、frm文件
  • DDL完成

这里注意下row-log，它是记录 DDL在执行过程中表格发生数据变更的操作，这样就可以保证执行DDL表格的并发性，在EXCUTE阶段可以正常提供写服务，不发生堵塞，最后把row-log应用到新的表格上即可。

Online DDL可以有效改善DDL期间对数据库的影响：

• Online DDL期间，查询和DML操作在多数情况下可以正常执行，对表格的锁时间也会大大减少，尽可能的保证数据库的可扩展性；
• 允许 in-place 操作的 DDL，避免重建表格占用过多磁盘IO及CPU资源，减少对数据库的整体负荷，使得在DDL期间，能够维持数据库的高性能及高吞吐量；
• 允许 in-place 操作的 DDL，比需要COPY到临时文件的操作要更少占用buffer pool，避免以往DDL过程中性能的临时下降，因为以前需要拷贝数据到临时表，这个过程会占用到buffer pool ，导致内存中的部分频繁访问的数据会被清理出去。

3 Online DDL涉及参数及选项

3.1 innodb_online_alter_log_max_size

online ddl过程中发生DML时，会把数据修改情况记录到row-log中，而row-log的大小，则由 innodb_online_alter_log_max_size设定，默认为128M，当表格较大且操作频繁时，做DDL过程，可调大该参数，避免出现1799错误：

3.2 Online DDL语法

• Alter table …. , ALGORITHM [=] {DEFAULT|INPLACE|COPY}, LOCK [=] { DEFAULT| NONE| SHARED| EXCLUSIVE }

3.3 lock 选项

该选项用于调整DDL加锁的方式，一共有4个选项。

3.4 ALGORITHM选项

DDL对数据库性能的影响，很大程度受操作方式影响，比如是否是允许in-place，是否请求COPY操作，是否重建整个表格。比如某个表格，修改或者添加默认值，并不会影响到表格内部的数据，所以1s内就可以完成；添加1个索引，需要几十秒，应为需要新增索引数据页跟修改frm文件，但是不用rebuild表格数据；而修改列的数据类型是，可能需要几分钟甚至更多时间，因为其需要重新Rebuild整个表格，执行期间对CPU，IO及buffer pool大量申请资源。

由DDL引起的INPLACE,COPY,REBUILD，可以通过指定ALGORITHM来选择（注意并非所有DDL都支持in-place，详见第4部分）

• ALGORITHM=INPLACE
• ALGORITHM=COPY

这两个选项中，INPLACE要比COPY性能好，因为INPLACE既不会记录UNDO LOG，也不写REDO LOG，同时执行期间提供DML操作。

4 Online DDL支持语法情况

Online DDL对不同的DDL语句具有不同的执行规则，下面的表格将详细描述各个语法对Online DDL的支持情况。

列说明：

• In-Place?
  • 说明： 是否支持 ALGORITHM=INPLACE
• Rebuilds Table?
  • 说明：是否会重建表格
  • 重建表格分为两种方式：INPLACE跟COPY （原地修改或者复制到临时文件修改）
  • 如果支持 ALGORITHM=INPLACE，那么则是原地修改 INPLACE**（淡黄色标记）**
  • 如果不支持 ALGORITHM=INPLACE，那么则是COPY，拷贝到临时文件修改，并且不支持UPDATE DELETE INSERT操作**（深褐色标记）**
• Permits Concurrent DM
  • 说明： 是否支持在DDL期间并发对该表格操作DML SQL
  • 新增空间索引及全文索引时，不支持DML操作
  • 当允许时，可以通过LOCK选项来控制是否要提供查询或者修改操作
  • LOCK=NONE，支持查询跟UPDATE INSERT DELETE操作
  • LOCK=SHARED，仅支持查询
  • Only Modifies Metadata?
  • 是否只修改元数据

5 测试记录

4个典型DDL操作分析

针对是否支持INPLACE、是否需要REBUILD及是否仅修改metadata来分类，选取每类一个DDL SQL来测试，见下图：

考虑到varchar变化长度的问题，这里加测多这一项。

DDL测试内容

• 测试DB环境：表格名 tbddl，表格大小：1G ，500W行记录
• 测试流程：开启事务查询，不提交 => 执行DDL => 提交查询事务 => 执行DML =>开启事务，执行DML不提交 =>提交DML
• 测试DDL SQL
  • ALTER TABLE tbddl MODIFY COLUMN ItemId VARCHAR(20);
  • ALTER TABLE tbddl ADD xinysu int;
  • CREATE INDEX IX_PROID ON tbddl (providerid);
  • ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN xinysu SET DEFAULT 123456;
  • ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ItemId VARCHAR(50); #UTF8字符集,3个字节一个字符，50个字符则是150个字节，小于256bytes
  • ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ItemId VARCHAR(100); #UTF8字符集,3个字节一个字符，100个字符则是300个字节，大于256bytes
• 测试关注点
  • 启动与关闭 old_alter_table
  • prepare，commit阶段的锁是怎么样的
  • excute阶段的锁是怎么样的
  • 执行期间服务器的性能情况（zabbix监控）
  • 执行期间数据库的并发情况（sysbench压测）

DDL测试结论

测试过程中的截图，不在此描述，直接粘贴测试结果，感兴趣的筒子们，可以自行测试。

VARCHAR按字符存储，每个字符按照字符集来计算字节，UTF8是3个字节一个字符，当VARCHAR的字节数<256byte时，只需要1个byte来存储实际长度，当VARCHAR字节数>=256时，则需要2个byte来存储实际长度。举例，UTF8字符集下的VARCHAR(10)，假设存储 N （0<=N<=10），则其占用的字节数为：N3+1；UTF8字符集下的VARCHAR(100)，假设存储 N （0<=N<=100），则其占用的字节数为：N3+2。

理解了这一点后，就可以理解 增长或缩短列的长度这列DDL的处理方式，假设列 VARCHAR(M)需要增大或缩小到VARCHAR(N)，字符集是UTF8：

• 当 3M<256，3N<256，存储长度的字节不需要变化，都为1，则不需要变动行记录，仅需要修改元数据；
• 当 3M>256，3N>256，存储长度的字节不需要变化，都为2， 则不需要变动行记录，仅需要修改元数据；
• 当 3M<256，3N>256，存储长度的字节需要变化，由1变2， 则需要变动行记录，Online DDL使用COPY TABLE方式；
• 当 3M>256，3N>256，存储长度的字节需要变化，由2变1，则需要变动行记录，Online DDL使用COPY TABLE方式

同表格多个DDL处理

在Online DDL之前，都会习惯性的把同个表格的所有DDL语句合并为一个SQL语句，避免重复Rebuild、多次加锁导致不提供DML时长增加等弊端。

但是，引入Online DDL后，需要有2点改观：

• 除了个别不支持inplace的DDL语句，其他DDL语句在执行期间是不会加X锁的，也就是表格仍然提供DML操作
• 锁的粒度，同个DDL语句中，按照最高级别的锁处理
• 维护的方便性 这里建议按照3类来处理（测试后的个人建议，仅供参考），见下图。
• 为啥copy table单独出来呢？
  • 因为这一类操作过程中是不允许DML操作的，建议把这一类的合成单独一条DDL SQL执行，不与IPLACE的DDL SQL合并；
• 为啥iplace的要分为2类呢？
  • 方便维护
  • 仅元数据修改的DDL较快执行结束，为了方便管理维护，不至于所有SQL贴一堆，仅元数据修改的DDL语句归一类
  • 需要REBUILD的归一类，避免重复rebuild，浪费磁盘IO跟CPU资源。

举个例子，现在上线项目，需要对表格tbddl，1个字段由INT修改为VARCHAR，新增3个字段，2个索引，2个默认值，2个列增长长度，单独的SQL 为：

alter table tbddl alter column ItemId varchar(20);



ALTER TABLE tbddl ADD  su int;

ALTER TABLE tbddl ADD  xin varchar(40);

ALTER TABLE tbddl ADD  yu int;



CREATE INDEX IX_SU ON tbddl(SU);

CREATE INDEX IX_yu ON tbddl(yu);



ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN CreatedById SET DEFAULT 123456;

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ItemID SET DEFAULT 654321;



ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN CreatedByName VARCHAR(70);

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN ModifiedByName VARCHAR(100);





测试建议以下执行方式：



alter table tbddl alter column ItemId varchar(20);

ALTER TABLE tbddl ADD su int ,ADD xin varchar(40) ,ADD yu int,ALTER COLUMN ModifiedByName VARCHAR(100),add index ix_su(SU), add index ix_yu(yu);

ALTER TABLE tbddl ALTER COLUMN CreatedById SET DEFAULT 123456,ALTER COLUMN ItemID SET DEFAULT 654321,ALTER COLUMN CreatedByName VARCHAR(70);

DDL对主从的影响

DDL期间，假设该SQL执行的时间需要10h，除去waitting metadata lock的时间，rebuild或者inplace的时间需要5小时，那么在从库是单线程SQL THREAD应用relay log的情况，需要考虑从库滞后的影响。

DDL在主库执行情况，由于DDL语句没有提交，所以不会同步到从库上，从库可以正常同步其他数据修改操作，这个环节没有问题，但是当DDL在主库提交后，该binlog日志通过IO_THREAD传送到从库的RELAY LOG上，从库的SQL_Thread是单线程工作，应用RELAY log的时候，至少需要5个小时，也就是这5个小时都用来执行RELAY LOG，无法同步主库几个小时内产生的BINLOG，那么，从库就会发生严重的滞后情况，这个问题是否在可接受范围内，需要纳入到DDL执行造成的影响范围内。

如果不能接受从库这么大的滞后，有什么法子可以处理呢？

（注意这里指的是已经落后了，怎么开始追，DDL期间是一定落后的，并行复制也会）

可以通过这个思路来，从库启动并行复制。启动并行复制，需要注意这几个问题：

• 使用注意
  • 在从库严重落后主库的情况下，可以开启该参数实现多线程并行执行
  • 在业务量低的数据库，不建议开启，从库同步性能反而会比拖累
• 配置注意
  • 注意 master_info_repository relay_log_info_repository 设置为 table，默认是写入mater_info.log 及 relay_info.log ，刷下这两个文件的频率带来的性能影响比较大，据 姜承骁姜老师 压测，性能相差 20-50%间
  • slave_parallel_workers 建议设置为从库 核心 数
  • slave_parallel_type
    • database，不同库的事务，触发从库并行回放
    • logical_clock，组提交事务，按照组提交设置，从库并行回放，如果是为了改善DDL的滞后情况，应使用这个配置。

6 注意事项

• 磁盘空间
  • rebuild 的时候，datadir空间是否足够
    • 因为会拷贝ibd文件，所以要确保空间足够
  • rebuild 的时候，innodb_online_alter_log_max_size是否足够
    • rebuild过程中，产生的DML涉及到行记录变更日志，是否足够存储
  • inplace的时候，考虑tmpdir空间是否足够
• ddl对从库延迟的影响是否可以接受
  • 主库online DDL的过程中，由于没有commit，所以其他并发操作可以正常同步到从库
  • 主库commit后，DDL同步到从库
  • 由于从库是单线程执行SQL_THREAD，假设DDL执行过程需要1个小时，那么从库将会滞后1小时+
  • 是否允许从库的滞后，如果不允许，可以通过并行复制来优化处理
• row-log会检查重复值或者修改冲突吗？
  • 会根据主键及唯一约束来检查
• copy table ，inplace下如何暂停DDL操作
  • show full processlist;
  • kill id; #( DDL SQL的id号)
  • 这里kill完后，仍然可以再次正常执行DDL，不会存在冲突，其创建的临时ibd及frm文件会自动删除
• copy table ，inplace下宕机
  • 这两种情况下宕机后，没有完成的DDL语句不会继续执行
  • 但是，其生成的frm跟 ibd 临时文件不会被删除，可以手动删除，也可以不手动删除，即使不删除，也不会影响再次执行DDL
  • 但建议mysql服务后，删除无用的临时文件
• 同个表格多个DDL语句，不要一个个执行
  • 请按照是否支持inplace及是否需要rebuild分类合并执行
• 如何查看ddl进度？

gh-ost

1 实战

单实例主上操作

sysbench oltp_common --mysql-host=172.17.0.3 --mysql-user=root --mysql-port=3306 --mysql-password=root --mysql-db=server_234_db2 --db-driver=mysql  --tables=8 --table-size=100000 --report-interval=1 --threads=8 prepare

sysbench oltp_read_write --mysql-host=172.17.0.3 --mysql-user=root --mysql-port=3306 --mysql-password=root --mysql-db=server_234_db2 --db-driver=mysql  --tables=8 --table-size=100000 --report-interval=1 --threads=8 --time=600 run

gh-ost --host=172.17.0.3 --user=root --password=root --database=server_234_db2 --table=sbtest5 --alter="add column t1 int not null default 0,add column t2 int not null default 0" --allow-on-master  --execute

主从模式

有2个选择，一是按照1直接在主上执行同步到从上，另一个连接到从库，在主库做迁移（只要保证从库的binlog为ROW即可，主库不需要保证）：

gh-ost --user="root" --password="root" --host=192.168.163.130  --database="test" --table="t" --initially-drop-old-table --alter="ADD COLUMN y1 varchar(10),add column y2 int not null default 0 comment 'test' "  --execute

此时的操作大致是：

• 行数据在主库上读写
• 读取从库的二进制日志，将变更应用到主库
• 在从库收集表格式，字段&索引，行数等信息
• 在从库上读取内部的变更事件（如心跳事件）
• 在主库切换表

在执行DDL中，从库会执行一次stop/start slave，要是确定从的binlog是ROW的话可以添加参数：–assume-rbr。如果从库的binlog不是ROW，可以用参数–switch-to-rbr来转换成ROW，此时需要注意的是执行完毕之后，binlog模式不会被转换成原来的值。–assume-rbr和–switch-to-rbr参数不能一起使用。

2 概念

过程

① 检查有没有外键和触发器。 ② 检查表的主键信息。 ③ 检查是否主库或从库，是否开启log_slave_updates，以及binlog信息 ④ 检查gho和del结尾的临时表是否存在 ⑤ 创建ghc结尾的表，存数据迁移的信息，以及binlog信息等 —以上校验阶段 ⑥ 初始化stream的连接,添加binlog的监听 —以下迁移阶段 ⑥ 创建gho结尾的临时表，执行DDL在gho结尾的临时表上 ⑦ 开启事务，按照主键id把源表数据写入到gho结尾的表上，再提交，以及binlog apply。 —以下cut-over阶段 ⑧ lock源表，rename 表：rename 源表 to 源_del表，gho表 to 源表。 ⑨ 清理ghc表。

gh-ost 放弃了触发器，使用 binlog 来同步。gh-ost 作为一个伪装的备库，可以从主库/备库上拉取 binlog，过滤之后重新应用到主库上去，相当于主库上的增量操作通过 binlog 又应用回主库本身，不过是应用在幽灵表上。

**gh-ost 首先连接到主库上，根据 alter 语句创建幽灵表，然后作为一个”备库“连接到其中一个真正的备库上，一边在主库上拷贝已有的数据到幽灵表，一边从备库上拉取增量数据的 binlog，然后不断的把 binlog 应用回主库。**图中 cut-over 是最后一步，锁住主库的源表，等待 binlog 应用完毕，然后替换 gh-ost 表为源表。gh-ost 在执行中，会在原本的 binlog event 里面增加以下 hint 和心跳包，用来控制整个流程的进度，检测状态等。这种架构带来诸多好处，例如：

• 整个流程异步执行，对于源表的增量数据操作没有额外的开销，高峰期变更业务对性能影响小。
• 降低写压力，触发器操作都在一个事务内，gh-ost 应用 binlog 是另外一个连接在做。
• 可停止，binlog 有位点记录，如果变更过程发现主库性能受影响，可以立刻停止拉binlog，停止应用 binlog，稳定之后继续应用。
• 可测试，gh-ost 提供了测试功能，可以连接到一个备库上直接做 Online DDL，在备库上观察变更结果是否正确，再对主库操作，心里更有底。

参考

https://www.cnblogs.com/xinysu/p/6732646.html https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-online-ddl.html https://www.cnblogs.com/waynechou/p/ptosc_onlineddl.html https://www.cnblogs.com/zhoujinyi/p/9187421.html http://mysql.taobao.org/monthly/2018/05/02/