MySQL无锁化WAL系统那些事儿 _MySQL

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概述数据库系统一般采用WAL(write ahead log)技术来实现原子性和持久性，MySQL也不例外。WAL中记录事务的更新内容，通过WAL将随机的脏页写入变成顺序的日志刷盘，可极大提升数据库写入性能，因此，WAL的写入能力决定了数据库整体性能的上限，尤其是在高并发时。
在MYSQL 8以前，写日志被保护在一把大锁之下，本来并行事务日志写入被人为串行化处理。虽简化了逻辑，但也极大限制了整体的性能表现。8.0很大的一部分工作便是将日志系统并行化。
日志并行化日志并行化的思路也很简单：将写日志拆分为两个过程：

从内存log buffer中为日志预留空间

2. 将日志内容拷贝至1预留的空间
而在这两个步骤中，只需要步骤1保证在多并发并发预留空间时的正确性即可，确保并发线程预留的日志空间不会交叉。一旦预留成功，步骤2各并发线程可互不干扰地执行拷贝至自己的预留空间即可，这天然可并发。
而在步骤1中也可以使用原子变量来代替代价较高锁实行预留，在mysql 8实现中，其实就两行代码：

Log_handle log_buffer_reserve(log_t &log, size_t len) {...const sn_t start_sn = log.sn.fetch_add(len);const sn_t end_sn = start_sn + len;...}

可以看到，只需要一个原子变量log.sn记录当前分配的位置信息，下次分配时更新该log.sn即可，非常简洁优雅。
8.0中引入的并行日志系统虽然很美好，但是也会带来一些小麻烦，我们下面会详细描述其引入的日志空洞问题并阐述其解决方案。
Log Buffer空洞问题Mysql 8.0中使用了无锁预分配的方式可以使MTR并行地将WAL日志写入到Log Buffer，提升性能。但这样势必会带来Redo Log Buffer的空洞问题，如下：

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上图中，3个线程分别分配了对应的redo buffer，线程1和3已经完成了wal日志内容的拷贝，而线程2则还在拷贝中，此时写入线程最多只能将thread-1的redo log写入日志文件。为此，MySQL 8.0中引入了 Link_buf 。
Link_buf原理Link_buf用于辅助表示其他数据结构的使用情况，在Link_buf中，如果一个索引位置index处存储的是非0值n，则表示Link_buf辅助标记的那个数据结构，从index开始后面n个元素已被占用。

template <typename Position = uint64_t>class Link_buf { private:...size_t m_capacity;std::atomic<Distance> *m_links;alignas(INNOBASE_CACHE_LINE_SIZE) std::atomic<Position> m_tail;};

Link_buf是一个定长数组，且保证数组的每个元素的更新是原子操作的。以环形的方式复用已经释放的空间。
同时Link_buf内部维护了一个变量 m_tail 表示当前最大可达的LSN 。
Innodb日志系统中为Log Buffer维护了两个Link_buf类型的变量 recent_written 和 recent_closed。示意图如下：

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上图中，共有两处日志空洞，起始的LSN为lsn1与lsn3，均有4个字节。而lsn2处的redo log已经写入，共3个字节。在 recent_written 中，lsn1开始处的4个atomic均是0，lsn3同样如此，而lsn2处开始的存储的则是3，0，0表示从该位置起的3个字节已经成功写入了redo日志。
接下来当lsn1处的空洞被填充后，Link_buf中该处对应的内容就会被设置，如下：

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同理，当lsn3处的空洞也被填充后，状态变成下面这样：

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Link_buf实现初始化

bool log_sys_init(...){...log_allocate_recent_written(log);...}?constexpr ulong INNODB_LOG_RECENT_WRITTEN_SIZE_DEFAULT = 1024 * 1024;ulong srv_log_recent_written_size = INNODB_LOG_RECENT_WRITTEN_SIZE_DEFAULT;?static void log_allocate_recent_written(log_t &log) {// 默认值为1MBlog.recent_written = Link_buf<lsn_t>{srv_log_recent_written_size};}?// Link_buf构造template <typename Position>Link_buf<Position>::Link_buf(size_t capacity): m_capacity(capacity), m_tail(0){...m_links = UT_NEW_ARRAY_NOKEY(std::atomic<Distance>, capacity);for (size_t i = 0; i < capacity; ++i) {m_links[i].store(0);}}

从构造函数中可以看到，LinkBuf内核心成员是一维数组，数组的成员类型是原子类型的Distance（uint64_t），数组成员个数则由创建者决定，如Innodb中为recent_written创建的LinkBuf的数组成员个数为1MB，而为recent_closed创建的LinkBuf的数组成员个数为2MB 。