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单表60亿记录等大数据场景的MySQL优化和运维之道 | 高可用架构

2015-08-09 22:56 杨尚刚

此文是根据杨尚刚在【QCON高可用架构群】中,针对MySQL在单表海量记录等场景下,业界广泛关注的MySQL问题的经验分享整理而成,转发请注明出处。

杨尚刚,美图公司数据库高级DBA,负责美图后端数据存储平台建设和架构设计。前新浪高级数据库工程师,负责新浪微博核心数据库架构改造优化,以及数据库相关的服务器存储选型设计。

前言

MySQL数据库大家应该都很熟悉,而且随着前几年的阿里的去IOE,MySQL逐渐引起更多人的重视。

MySQL历史

  • 1979年,Monty Widenius写了最初的版本,96年发布1.0

  • 1995-2000年,MySQL AB成立,引入BDB

  • 2000年4月,集成MyISAM和replication

  • 2001年,Heikki Tuuri向MySQL建议集成InnoDB

  • 2003发布5.0,提供了视图、存储过程等功能

  • 2008年,MySQL AB被Sun收购,09年推出5.1

  • 2009年4月,Oracle收购Sun,2010年12月推出5.5

  • 2013年2月推出5.6 GA,5.7开发中

MySQL的优点

  • 使用简单

  • 开源免费

  • 扩展性“好”,在一定阶段扩展性好

  • 社区活跃

  • 性能可以满足互联网存储和性能需求,离不开硬件支持

上面这几个因素也是大多数公司选择考虑MySQL的原因。不过MySQL本身存在的问题和限制也很多,有些问题点也经常被其他数据库吐槽或鄙视

MySQL存在的问题

  • 优化器对复杂SQL支持不好

  • 对SQL标准支持不好

  • 大规模集群方案不成熟,主要指中间件

  • ID生成器,全局自增ID

  • 异步逻辑复制,数据安全性问题

  • Online DDL

  • HA方案不完善

  • 备份和恢复方案还是比较复杂,需要依赖外部组件

  • 展现给用户信息过少,排查问题困难

  • 众多分支,让人难以选择

看到了刚才讲的MySQL的优势和劣势,可以看到MySQL面临的问题还是远大于它的优势的,很多问题也是我们实际需要在运维中优化解决的,这也是MySQL DBA的一方面价值所在。并且MySQL的不断发展也离不开社区支持,比如Google最早提交的半同步patch,后来也合并到官方主线。Facebook Twitter等也都开源了内部使用MySQL分支版本,包含了他们内部使用的patch和特性。

数据库开发规范

数据库开发规范定义:开发规范是针对内部开发的一系列建议或规则, 由DBA制定(如果有DBA的话)。

开发规范本身也包含几部分:基本命名和约束规范,字段设计规范,索引规范,使用规范。

规范存在意义

  • 保证线上数据库schema规范

  • 减少出问题概率

  • 方便自动化管理

  • 规范需要长期坚持,对开发和DBA是一个双赢的事情

想想没有开发规范,有的开发写出各种全表扫描的SQL语句或者各种奇葩SQL语句,我们之前就看过开发写的SQL 可以打印出好几页纸。这种造成业务本身不稳定,也会让DBA天天忙于各种救火。

基本命名和约束规范

  • 表字符集选择UTF8 ,如果需要存储emoj表情,需要使用UTF8mb4(MySQL 5.5.3以后支持)

  • 存储引擎使用InnoDB

  • 变长字符串尽量使用varchar varbinary

  • 不在数据库中存储图片、文件等

  • 单表数据量控制在1亿以下

  • 库名、表名、字段名不使用保留字

  • 库名、表名、字段名、索引名使用小写字母,以下划线分割 ,需要见名知意

  • 库表名不要设计过长,尽可能用最少的字符表达出表的用途

字段规范

  • 所有字段均定义为NOT NULL ,除非你真的想存Null

  • 字段类型在满足需求条件下越小越好,使用UNSIGNED存储非负整数 ,实际使用时候存储负数场景不多

  • 使用TIMESTAMP存储时间

  • 使用varchar存储变长字符串 ,当然要注意varchar(M)里的M指的是字符数不是字节数;使用UNSIGNED INT存储IPv4 地址而不是CHAR(15) ,这种方式只能存储IPv4,存储不了IPv6

  • 使用DECIMAL存储精确浮点数,用float有的时候会有问题

  • 少用blob text

关于为什么定义不使用Null的原因

* 1.浪费存储空间,因为InnoDB需要有额外一个字节存储

* 2.表内默认值Null过多会影响优化器选择执行计划

关于使用datatime和timestamp,现在在5.6.4之后又有了变化,使用二者存储在存储空间上大差距越来越小 ,并且本身datatime存储范围就比timestamp大很多,timestamp只能存储到2038年


索引规范

  • 单个索引字段数不超过5,单表索引数量不超过5,索引设计遵循B+ Tree索引最左前缀匹配原则

  • 选择区分度高的列作为索引

  • 建立的索引能覆盖80%主要的查询,不求全,解决问题的主要矛盾

  • DML和order by和group by字段要建立合适的索引

  • 避免索引的隐式转换

  • 避免冗余索引

关于索引规范,一定要记住索引这个东西是一把双刃剑,在加速读的同时也引入了很多额外的写入和锁,降低写入能力,这也是为什么要控制索引数原因。之前看到过不少人给表里每个字段都建了索引,其实对查询可能起不到什么作用。

冗余索引例子

  • idx_abc(a,b,c)

  • idx_a(a) 冗余

  • idx_ab(a,b) 冗余

隐式转换例子

字段:remark varchar(50) NOT Null

MySQL>SELECT id, gift_code FROM gift WHERE deal_id = 640 AND remark=115127; 1 row in set (0.14 sec)

MySQL>SELECT id, gift_code FROM pool_gift WHEREdeal_id = 640 AND remark=‘115127’; 1 row in set (0.005 sec)

字段定义为varchar,但传入的值是个int,就会导致全表扫描,要求程序端要做好类型检查

SQL类规范

  • 尽量不使用存储过程、触发器、函数等

  • 避免使用大表的JOIN,MySQL优化器对join优化策略过于简单

  • 避免在数据库中进行数学运算和其他大量计算任务

  • SQL合并,主要是指的DML时候多个value合并,减少和数据库交互

  • 合理的分页,尤其大分页

  • UPDATE、DELETE语句不使用LIMIT ,容易造成主从不一致

数据库运维规范

运维规范主要内容

  • SQL审核,DDL审核和操作时间,尤其是OnlineDDL

  • 高危操作检查,Drop前做好数据备份

  • 权限控制和审计

  • 日志分析,主要是指的MySQL慢日志和错误日志

  • 高可用方案

  • 数据备份方案

版本选择

  • MySQL社区版,用户群体最大

  • MySQL企业版,收费

  • Percona Server版,新特性多

  • MariaDB版,国内用户不多

建议选择优先级为:MySQL社区版 > Percona Server > MariaDB > MySQL 企业版

不过现在如果大家使用RDS服务,基本还以社区版为主

Online DDL问题

原生MySQL执行DDL时需要锁表,且锁表期间业务是无法写入数据的,对服务影响很大,MySQL对这方面的支持是比较差的。大表做DDL对DBA来说是很痛苦的,相信很多人经历过。如何做到Online DDL呢,是不是就无解了呢?当然不是!


上面表格里提到的 Facebook OSC和5.6 OSC也是目前两种比较靠谱的方案

MySQL 5.6的OSC方案还是解决不了DDL的时候到从库延时的问题,所以现在建议使用Facebook OSC这种思路更优雅

下图是Facebook OSC的思路


后来Percona公司根据Facebook OSC思路,用perl重写了一版,就是我们现在用得很多的pt-online-schema-change,软件本身非常成熟,支持目前主流版本。

使用pt-online-schema-change的优点有:

  • 1.无阻塞写入

  • 2.完善的条件检测和延时负载策略控制

值得一提的是,腾讯互娱的DBA在内部分支上也实现了Online DDL,之前测试过确实不错,速度快,原理是通过修改InnoDB存储格式来实现。

使用pt-online-schema-change的限制有:

  • 改表时间会比较长(相比直接alter table改表)

  • 修改的表需要有唯一键或主键

  • 在同一端口上的并发修改不能太多

可用性

关于可用性,我们今天分享一种无缝切主库方案,可以用于日常切换,使用思路也比较简单

在正常条件下如何无缝去做主库切换,核心思路是让新主库和从库停在相同位置,主要依赖slave start until 语句,结合双主结构,考虑自增问题。


MySQL集群方案:

  • 集群方案主要是如何组织MySQL实例的方案

  • 主流方案核心依然采用的是MySQL原生的复制方案

  • 原生主从同步肯定存在着性能和安全性问题

MySQL半同步复制:

现在也有一些理论上可用性更高的其它方案

  • Percona XtraDB Cluster(没有足够的把控力度,不建议上)

  • MySQL Cluster(有官方支持,不过实际用的不多)


红框内是目前大家使用比较多的部署结构和方案。当然异常层面的HA也有很多第三方工具支持,比如MHA、MMM等,推荐使用MHA

sharding拆分问题

  • Sharding is very complex, so itʼs best not to shard until itʼs obvious that you will actually need to!

  • sharding是按照一定规则数据重新分布的方式

  • 主要解决单机写入压力过大和容量问题

  • 主要有垂直拆分和水平拆分两种方式

  • 拆分要适度,切勿过度拆分

  • 有中间层控制拆分逻辑最好,否则拆分过细管理成本会很高

曾经管理的单表最大60亿+,单表数据文件大小1TB+,人有时候就要懒一些


上图是水平拆分和垂直拆分的示意图

数据库备份

首先要保证的,最核心的是数据库数据安全性。数据安全都保障不了的情况下谈其他的指标(如性能等),其实意义就不大了。

备份的意义是什么呢?

  • 数据恢复!

  • 数据恢复!

  • 数据恢复!

目前备份方式的几个纬度:

  • 全量备份 VS 增量备份

  • 热备 VS 冷备

  • 物理备份 VS 逻辑备份

  • 延时备份

  • 全量binlog备份

建议方式:

  • 热备+物理备份

  • 核心业务:延时备份+逻辑备份

  • 全量binlog备份

借用一下某大型互联网公司做的备份系统数据:一年7000+次扩容,一年12+次数据恢复,日志量每天3TB,数据总量2PB,每天备份数据量百TB级,全年备份36万次,备份成功了99.9%。

主要做的几点:

  • 备份策略集中式调度管理

  • xtrabackup热备

  • 备份结果统计分析

  • 备份数据一致性校验

  • 采用分布式文件系统存储备份

备份系统采用分布式文件系统原因:

  • 解决存储分配的问题

  • 解决存储NFS备份效率低下问题

  • 存储集中式管理

  • 数据可靠性更好

使用分布式文件系统优化点:

* Pbzip压缩,降低多副本存储带来的存储成本,降低网络带宽消耗

* 元数据节点HA,提高备份集群的可用性

* erasure code方案调研

数据恢复方案

目前的MySQL数据恢复方案主要还是基于备份来恢复,可见备份的重要性。比如我今天下午15点删除了线上一张表,该如何恢复呢?首先确认删除语句,然后用备份扩容实例启动,假设备份时间点是凌晨3点,就还需要把凌晨3点到现在关于这个表的binlog导出来,然后应用到新扩容的实例上,确认好恢复的时间点,然后把删除表的数据导出来应用到线上。

性能优化

复制优化

MySQL复制:

  • 是MySQL应用得最普遍的应用技术,扩展成本低

  • 逻辑复制

  • 单线程问题,从库延时问题

  • 可以做备份或读复制

问题很多,但是能解决基本问题


上图是MySQL复制原理图,红框内就是MySQL一直被人诟病的单线程问题

单线程问题也是MySQL主从延时的一个重要原因,单线程解决方案:

  • 官方5.6+多线程方案

  • Tungsten为代表的第三方并行复制工具

  • sharding


上图是MySQL5.6 目前实现的并行复制原理图,是基于库级别的复制,所以如果你只有一个库,使用这个意义不大

当然MySQL也认识到5.6这种并行的瓶颈所在,所以在5.7引入了另外一种并行复制方式,基于logical timestamp的并行复制,并行复制不再受限于库的个数,效率会大大提升


上图是5.7的logical timestamp的复制原理图

刚才我也提到MySQL原来只支持异步复制,这种数据安全性是非常差的,所以后来引入了半同步复制,从5.5开始支持


上图是原生异步复制和半同步复制的区别。可以看到半同步通过从库返回ACK这种方式确认从库收到数据,数据安全性大大提高

在5.7之后,半同步也可以配置你指定多个从库参与半同步复制,之前版本都是默认一个从库

对于半同步复制效率问题有一个小的优化,就是使用5.6+的mysqlbinlog以daemon方式作为从库,同步效率会好很多

关于更安全的复制,MySQL 5.7也是有方案的,方案名叫Group replication 官方多主方案,基于Corosync实现


主从延时问题

原因:一般都会做读写分离,其实从库压力反而比主库大/从库读写压力大非常容易导致延时。

解决方案:

  • 首先定位延时瓶颈

  • 如果是IO压力,可以通过升级硬件解决,比如替换SSD等

  • 如果IO和CPU都不是瓶颈,非常有可能是SQL单线程问题,解决方案可以考虑刚才提到的并行复制方案

  • 如果还有问题,可以考虑sharding拆分方案

提到延时不得不提到很坑人的Seconds behind master,使用过MySQL的应该很熟悉

这个值的源码里算法

long time_diff= ((long)(time(0) – mi->rli.last_master_timestamp) – mi->clock_diff_with_master);

Secondsbehindmaster来判断延时不可靠,在网络抖动或者一些特殊参数配置情况下,会造成这个值是0但其实延时很大了。通过heartbeat表插入时间戳这种机制判断延时是更靠谱的

复制注意点:

  • Binlog格式,建议都采用row格式,数据一致性更好

  • Replication filter应用

主从数据一致性问题:

  • row格式下的数据恢复问题

InnoDB优化

成熟开源事务存储引擎,支持ACID,支持事务四个隔离级别,更好的数据安全性,高性能高并发,MVCC,细粒度锁,支持O_DIRECT。

主要优化参数:

  • innodbfileper_table =1

  • innodbbufferpool_size,根据数据量和内存合理设置

  • innodbflushlog_attrxcommit= 0 1 2

  • innodblogfile_size,可以设置大一些

  • innodbpagesize

  • Innodbflushmethod = o_direct

  • innodbundodirectory 放到高速设备(5.6+)

  • innodbbufferpool_dump

  • atshutdown ,bufferpool dump (5.6+)




上图是5.5 4G的redo log和5.6 设置大于4G redo log文件性能对比,可以看到稳定性更好了。innodblogfile_size设置还是很有意义的

InnoDB比较好的特性:

  • Bufferpool预热和动态调整大小,动态调整大小需要5.7支持

  • Page size自定义调整,适应目前硬件

  • InnoDB压缩,大大降低数据容量,一般可以压缩50%,节省存储空间和IO,用CPU换空间

  • Transportable tablespaces,迁移ibd文件,用于快速单表恢复

  • Memcached API,full text,GIS等

InnoDB在SSD上的优化:

  • 在5.5以上,提高innodbwriteiothreads和innodbreadiothreads

  • innodbiocapacity需要调大

  • 日志文件和redo放到机械硬盘,undo放到SSD,建议这样,但必要性不大

  • atomic write,不需要Double Write Buffer

  • InnoDB压缩

  • 单机多实例

也要搞清楚InnoDB哪些文件是顺序读写,哪些是随机读写

随机读写:

  • datadir

  • innodbdata file_path

  • innodbundo directory

顺序读写:

  • innodbloggrouphomedir

  • log-bin

InnoDB VS MyISAM:

  • 数据安全性至关重要,InnoDB完胜,曾经遇到过一次90G的MyISAM表repair,花了两天时间,如果在线上几乎不可忍受

  • 并发度高

  • MySQL 5.5默认引擎改为InnoDB,标志着MyISAM时代的落幕

TokuDB:

  • 支持事务 ACID 特性,支持多版本控制(MVCC)

  • 基于Fractal Tree Index,非常适合写入密集场景

  • 高压缩比,原生支持Online DDL

  • 主流分支都支持,收费转开源 。目前可以和InnoDB媲美的存储引擎

目前主流使用TokuDB主要是看中了它的高压缩比,Tokudb有三种压缩方式:quicklz、zlib、lzma,压缩比依次更高。现在很多使用zabbix的后端数据表都采用的TokuDB,写入性能好,压缩比高。

下图是我之前做的测试对比和InnoDB




上图是sysbench测试的和InnoDB性能对比图,可以看到TokuDB在测试过程中写入稳定性是非常好的。

tokudb存在的问题:

  • 官方分支还没很好的支持

  • 热备方案问题,目前只有企业版才有

  • 还是有bug的,版本更新比较快,不建议在核心业务上用

比如我们之前遇到过一个问题:TokuDB的内部状态显示上一次完成的checkpoint时间是“Jul 17 12:04:11 2014”,距离当时发现现在都快5个月了,结果堆积了大量redo log不能删除,后来只能重启实例,结果重启还花了七八个小时

MySQL优化相关的case

Query cache,MySQL内置的查询加速缓存,理念是好的,但设计不够合理,有点out。

锁的粒度非常大MySQL 5.6默认已经关闭

When the query cache helps, it can help a lot. When it hurts, it can hurt a lot.明显前半句已经没有太大用处,在高并发下非常容易遇到瓶颈。

关于事务隔离级别 ,InnoDB默认隔离级别是可重复读级别,当然InnoDB虽然是设置的可重复读,但是也是解决了幻读的,建议改成读已提交级别,可以满足大多数场景需求,有利于更高的并发,修改transaction-isolation。




上图是一个比较经典的死锁case,有兴趣可以测试下

关于SSD

关于SSD,还是提一下吧。某知名大V说过“最近10年对数据库性能影响最大的是闪存”,稳定性和性能可靠性已经得到大规模验证,多块SATA SSD做Raid5,推荐使用。采用PCIe SSD,主流云平台都提供SSD云硬盘支持。


最后说一下大家关注的单表60亿记录问题,表里数据也是线上比较核心的。

先说下当时情况,表结构比较简单,都是bigint这种整型,索引比较多,应该有2-3个,单表行数60亿+,单表容量1.2TB左右,当然内部肯定是有碎片的。

形成原因:历史遗留问题,按照我们前面讲的开发规范,这个应该早拆分了,当然不拆有几个原因:

  1. 性能未遇到瓶颈 ,主要原因

  2. DBA比较“懒“

  3. 想看看InnoDB的极限,挑战一下。不过风险也是很大的,想想如果在一个1.2TB表上加个字段加个索引,那感觉绝对酸爽。还有就是单表恢复的问题,恢复时间不可控。

我们后续做的优化 ,采用了刚才提到的TokuDB,单表容量在InnoDB下1TB+,使用Tokudb的lzma压缩到80GB,压缩效果非常好。这样也解决了单表过大恢复时间问题,也支持online DDL,基本达到我们预期。

今天讲的主要针对MySQL本身优化和规范性质的东西,还有一些比较好的运维经验,希望大家能有所收获。今天这些内容是为后续数据库做平台化的基础。我今天分享就到这里,谢谢大家。

QA

Q1:use schema;select * from table; 和select * from schema.table;两种写法有什么不一样吗?会对主从同步有影响吗?

对于主从复制来说执行效率上差别不大,不过在使用replication filter时候这种情况需要小心,应该要使用ReplicateWildIgnoreTable这种参数,如果不使用带wildignore,第一种方式会有问题,过滤不起作用。

Q2:对于用于MySQL的ssd,测试方式和ssd的参数配置方面,有没有好的建议?主要针对ssd的配置哈

关于SATA SSD配置参数,建议使用Raid5,想更保险使用Raid50,更土豪使用Raid 10


上图是主要的参数优化,性能提升最大的是第一个修改调度算法的

Q3:数据库规范已制定好,如何保证开发人员必须按照规范来开发?

关于数据库规范实施问题,也是有两个方面吧,第一、定期给开发培训开发规范,让开发能更了解。第二、还是在流程上规范,比如把我们日常通用的建表和字段策略固化到程序,做成自动化审核系统。这两方面结合 效果会比较好。

Q4:如何最大限度提高innodb的命中率?

这个问题前提是你的数据要有热点,读写热点要有交集,否则命中率很难提高。在有热点的前提下,也要求你的你的内存要足够大,能够存更多的热点数据。尽量不要做一些可能污染bufferpool的操作,比如全表扫描这种。

Q5:主从复制的情况下,如果有CAS这样的需求,是不是只能强制连主库?因为有延迟的存在,如果读写不在一起的话,会有脏数据。

如果有CAS需求,确实还是直接读主库好一些,因为异步复制还是会有延迟的。只要SQL优化的比较好,读写都在主库也是没什么问题的。

Q6:关于开发规范,是否有必要买国标?

这个国标是什么东西,不太了解。不过从字面看,国标应该也是偏学术方面的,在具体工程实施时候未必能用好。

Q7:主从集群能不能再细化一点那?不知道这样问合适不?

看具体哪方面吧。主从集群每个小集群一般都是采用一主多从方式,每个小集群对应特定的一组业务。然后监控备份和HA都是在每个小集群实现。

Q8:如何跟踪数据库table某个字段值发生变化?

追踪字段值变化可以通过分析row格式binlog好一些。比如以前同事就是通过自己开发的工具来解析row格式binlog,跟踪数据行变化。

Q9:对超大表水平拆分,在使用MySQL中间件方面有什么建议和经验分享?

对于超大表水平拆分,在中间件上经验不是很多,早期人肉搞过几次。也使用过自己研发的数据库中间件,不过线上应用的规模不大。关于目前众多的开源中间件里,360的atlas是目前还不错的,他们公司内部应用的比较多。

Q10:我们用的MySQL proxy做读负载,但是少量数据压力下并没有负载,请问有这回事吗?

少量数据压力下,并没有负载 ,这个没测试过,不好评价

Q11:对于binlog格式,为什么只推荐row,而不用网上大部分文章推荐的Mix ?

这个主要是考虑数据复制的可靠性,row更好。mixed含义是指如果有一些容易导致主从不一致的SQL ,比如包含UUID函数的这种,转换为row。既然要革命,就搞的彻底一些。这种mix的中间状态最坑人了。

Q12: 读写分离,一般是在程序里做,还是用proxy ,用proxy的话一般用哪个?

这个还是独立写程序好一些,与程序解耦方便后期维护。proxy国内目前开源的比较多,选择也要慎重。

Q13: 我想问一下关于mysql线程池相关的问题,什么情况下适合使用线程池,相关的参数应该如何配置,老师有这方面的最佳实践没有?

线程池这个我也没测试过。从原理上来说,短链接更适合用线程池方式,减少建立连接的消耗。这个方面的最佳配置,我还没测试过,后面测试有进展可以再聊聊。

Q14: 误删数据这种,数据恢复流程是怎么样的(从库也被同步删除的情况)?

看你删除数据的情况,如果只是一张表,单表在几GB或几十GB。如果能有延时备份,对于数据恢复速度是很有好处的。恢复流程可以参考我刚才分享的部分。目前的MySQL数据恢复方案主要还是基于备份来恢复 ,可见备份的重要性。比如我今天下午15点删除了线上一张表,该如何恢复呢。首先确认删除语句,然后用备份扩容实例启动,假设备份时间点是凌晨3点。就还需要把凌晨3点到现在关于这个表的binlog导出来,然后应用到新扩容的实例上。确认好恢复的时间点,然后把删除表的数据导出来应用到线上。

Q15: 关于备份,binlog备份自然不用说了,物理备份有很多方式,有没有推荐的一种,逻辑备份在量大的时候恢复速度比较慢,一般用在什么场景?

物理备份采用xtrabackup热备方案比较好。逻辑备份一般用在单表恢复效果会非常好。比如你删了一个2G表,但你总数据量2T,用物理备份就会要慢了,逻辑备份就非常有用了。

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本文策划 庆丰@微博, 内容由王杰编辑,刘伟@途牛、陈刚@北京智识 校对与发布,其他多位志愿者对本文亦有贡献。读者可以通过搜索“ArchNotes”或长按下面图片,关注“高可用架构”公众号,查看更多架构方面内容,获取通往架构师之路的宝贵经验。转载请注明来自“高可用架构(ArchNotes)”公众号,敬请包含二维码!


 
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