技术分享 | gh-ost 原理剖析

作者简介：杨奇龙，网名“北在南方”，7年DBA老兵，目前任职于杭州有赞科技DBA，主要负责数据库架构设计和运维平台开发工作，擅长数据库性能调优、故障诊断。

一、简介

上一篇文章（gh-ost 在线 ddl 变更工具）介绍 gh-ost 参数和具体的使用方法、核心特性（可动态调整暂停）、动态修改参数等等。本文分几部分从源码方面解释 gh-ost 的执行过程,数据迁移,切换细节设计。

二、原理

2.1 执行过程

本例基于在主库上执行 DDL 记录的核心过程。核心代码在 github.com/github/gh-ost/go/logic/migrator.go 的 Migrate()

func (this *Migrator) Migrate() //Migrate executes the complete migration logic. This is the major gh-ost function.

1.检查数据库实例的基础信息

a 测试db是否可连通,
b 权限验证 
  show grants for current_user()
c 获取binlog相关信息,包括row格式和修改binlog格式后的重启replicate
  select @@global.log_bin, @@global.binlog_format
  select @@global.binlog_row_image
d 原表存储引擎是否是innodb,检查表相关的外键,是否有触发器,行数预估等操作，需要注意的是行数预估有两种方式  一个是通过explain 读执行计划 另外一个是select count(*) from table ,遇到几百G的大表，后者一定非常慢。	
explain select /* gh-ost */ * from `test`.`b` where 1=1

2.模拟 slave，获取当前的位点信息，创建 binlog streamer 监听 binlog

2019-09-08T22:01:20.944172+08:00	17760 Query	show /* gh-ost readCurrentBinlogCoordinates */ master status
2019-09-08T22:01:20.947238+08:00	17762 Connect	root@127.0.0.1 on  using TCP/IP
2019-09-08T22:01:20.947349+08:00	17762 Query	SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'BINLOG_CHECKSUM'
2019-09-08T22:01:20.947909+08:00	17762 Query	SET @master_binlog_checksum='NONE'
2019-09-08T22:01:20.948065+08:00	17762 Binlog Dump	Log: 'mysql-bin.000005'  Pos: 795282

3.创建日志记录表 `xx_ghc` 和影子表 `xx_gho` 并且执行 alter 语句将影子表变更为目标表结构。如下日志记录了该过程，gh-ost 会将核心步骤记录到 _b_ghc 中。

2019-09-08T22:01:20.954866+08:00	17760 Query	create /* gh-ost */ table `test`.`_b_ghc` (
			id bigint auto_increment,
			last_update timestamp not null DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP,
			hint varchar(64) charset ascii not null,
			value varchar(4096) charset ascii not null,
			primary key(id),
			unique key hint_uidx(hint)
		) auto_increment=256
2019-09-08T22:01:20.957550+08:00	17760 Query	create /* gh-ost */ table `test`.`_b_gho` like `test`.`b`
2019-09-08T22:01:20.960110+08:00	17760 Query	alter /* gh-ost */ table `test`.`_b_gho` engine=innodb
2019-09-08T22:01:20.966740+08:00	17760 Query 
   insert /* gh-ost */ into `test`.`_b_ghc`(id, hint, value)values (NULLIF(2, 0), 'state', 'GhostTableMigrated') on duplicate key update last_update=NOW(),value=VALUES(value)

4.insert into `xx_gho` select * from xx 拷贝数据

获取当前的最大主键和最小主键，然后根据命令行传参 chunk 获取数据 insert 到影子表里面

获取最小主键 select `id` from `test`.`b` order by `id` asc limit 1;
获取最大主键 soelect `id` from `test`.`b` order by `id` desc limit 1;
获取第一个 chunk:
select  /* gh-ost `test`.`b` iteration:0 */ `id` from `test`.`b` where ((`id` > _binary'1') or ((`id` = _binary'1'))) and ((`id` < _binary'21') or ((`id` = _binary'21'))) order by `id` asc limit 1 offset 999;

循环插入到目标表:
insert /* gh-ost `test`.`b` */ ignore into `test`.`_b_gho` (`id`, `sid`, `name`, `score`, `x`) (select `id`, `sid`, `name`, `score`, `x` from `test`.`b` force index (`PRIMARY`)  where (((`id` > _binary'1') or ((`id` = _binary'1'))) and ((`id` < _binary'21') or ((`id` = _binary'21')))) lock in share mode;

循环到最大的id，之后依赖binlog 增量同步

需要注意的是

rowcopy 过程中是对原表加上 lock in share mode,防止数据在 copy 的过程中被修改。这点对后续理解整体的数据迁移非常重要。因为 gh-ost 在 copy 的过程中不会修改这部分数据记录。对于解析 binlog 获得的 INSERT , UPDATE, DELETE 事件我们只需要分析 copy 数据之前 log before copy 和 copy 数据之后 log after copy。整体的数据迁移会在后面做详细分析。

5.增量应用 binlog 迁移数据

核心代码在 gh-ost/go/sql/builder.go 中，这里主要做 DML 转换的解释，当然还有其他函数做辅助工作，比如数据库，表名校验以及语法完整性校验。

解析到delete语句对应转换为delete语句

func BuildDMLDeleteQuery(databaseName, tableName string, tableColumns, uniqueKeyColumns *ColumnList, args []interface{}) (result string, uniqueKeyArgs []interface{}, err error) {
   ....省略代码...
	result = fmt.Sprintf(`
			delete /* gh-ost %s.%s */
				from
					%s.%s
				where
					%s
		`, databaseName, tableName,
		databaseName, tableName,
		equalsComparison,
	)
	return result, uniqueKeyArgs, nil
}

解析到 insert 语句对应转换为 replace into 语句

func BuildDMLInsertQuery(databaseName, tableName string, tableColumns, sharedColumns, mappedSharedColumns *ColumnList, args []interface{}) (result string, sharedArgs []interface{}, err error) {
   ....省略代码...
	result = fmt.Sprintf(`
			replace /* gh-ost %s.%s */ into
				%s.%s
					(%s)
				values
					(%s)
		`, databaseName, tableName,
		databaseName, tableName,
		strings.Join(mappedSharedColumnNames, ", "),
		strings.Join(preparedValues, ", "),
	)
	return result, sharedArgs, nil
}

解析到 update 语句对应转换为语句

func BuildDMLUpdateQuery(databaseName, tableName string, tableColumns, sharedColumns, mappedSharedColumns, uniqueKeyColumns *ColumnList, valueArgs, whereArgs []interface{}) (result string, sharedArgs, uniqueKeyArgs []interface{}, err error) {
   ....省略代码...
	result = fmt.Sprintf(`
 			update /* gh-ost %s.%s */
 					%s.%s
				set
					%s
				where
 					%s
 		`, databaseName, tableName,
		databaseName, tableName,
		setClause,
		equalsComparison,
	)
	return result, sharedArgs, uniqueKeyArgs, nil
}

数据迁移的数据一致性分析 gh-ost 做 DDL 变更期间对原表和影子表的操作有三种:对原表的 row copy (我们用 A 操作代替),业务对原表的 DML 操作(B),对影子表的 apply binlog(C)。而且 binlog 是基于 DML 操作产生的，因此对影子表的 apply binlog 一定在对原表的 DML 之后，共有如下几种顺序:

通过上面的几种组合操作的分析，我们可以看到 数据最终是一致的。尤其是当copy 结束之后，只剩下apply binlog，情况更简单。

6.copy 完数据之后进行原始表和影子表 cut-over 切换

gh-ost 的切换是原子性切换，基本是通过两个会话的操作来完成。作者写了三篇文章解释cut-over操作的思路和切换算法。详细的思路请移步到下面的链接。

http://code.openark.org/blog/mysql/solving-the-non-atomic-table-swap-take-iii-making-it-atomic http://code.openark.org/blog/mysql/solving-the-non-atomic-table-swap-take-ii http://code.openark.org/blog/mysql/solving-the-facebook-osc-non-atomic-table-swap-problem

这里将第三篇文章描述核心切换逻辑摘录出来。其原理是基于 MySQL 内部机制：被 lock table 阻塞之后，执行rename的优先级高于 DML，也即先执行 rename table ，然后执行 DML 。假设 gh-ost 操作的会话是 c10 和 c20 ，其他业务的 DML 请求的会话是 c1-c9, c11-c19, c21-c29。

1 会话 c1..c9: 对b表正常执行DML操作。
2 会话 c10 : 创建_b_del 防止提前rename 表，导致数据丢失。
      create /* gh-ost */ table `test`.`_b_del` (
			id int auto_increment primary key
		) engine=InnoDB comment='ghost-cut-over-sentry'
		
3 会话 c10 执行LOCK TABLES b WRITE, `_b_del` WRITE。
4 会话c11-c19 新进来的dml或者select请求，但是会因为表b上有锁而等待。
5 会话c20:设置锁等待时间并执行rename
	set session lock_wait_timeout:=1
	rename /* gh-ost */ table `test`.`b` to `test`.`_b_20190908220120_del`, `test`.`_b_gho` to `test`.`b`
  c20 的操作因为c10锁表而等待。
  
6 c21-c29 对于表 b 新进来的请求因为lock table和rename table 而等待。
7 会话c10 通过sql 检查会话c20 在执行rename操作并且在等待mdl锁。
select id
			from information_schema.processlist
			where
				id != connection_id()
				and 17765 in (0, id)
				and state like concat('%', 'metadata lock', '%')
				and info  like concat('%', 'rename', '%')

8 c10 基于步骤7 执行drop table `_b_del` ,删除命令执行完，b表依然不能写。所有的dml请求都被阻塞。

9 c10 执行UNLOCK TABLES; 此时c20的rename命令第一个被执行。而其他会话c1-c9,c11-c19,c21-c29的请求可以操作新的表b。

划重点(敲黑板)

1 创建 _b_del 表是为了防止 cut-over 提前执行，导致数据丢失。 2 同一个会话先执行 write lock 之后还是可以 drop 表的。 3 无论 rename table 和 DML 操作谁先执行，被阻塞后 rename table 总是优先于 DML 被执行。大家可以一边自己执行 gh-ost ，一边开启 general log 查看具体的操作过程。

2019-09-08T22:01:24.086734	17765	create /* gh-ost */ table `test`.`_b_20190908220120_del` (
			id int auto_increment primary key
		) engine=InnoDB comment='ghost-cut-over-sentry'
2019-09-08T22:01:24.091869	17760 Query	lock /* gh-ost */ tables `test`.`b` write, `test`.`_b_20190908220120_del` write
2019-09-08T22:01:24.188687	17765	START TRANSACTION
2019-09-08T22:01:24.188817	17765  	select connection_id()
2019-09-08T22:01:24.188931	17765  	set session lock_wait_timeout:=1
2019-09-08T22:01:24.189046	17765  	rename /* gh-ost */ table `test`.`b` to `test`.`_b_20190908220120_del`, `test`.`_b_gho` to `test`.`b`
2019-09-08T22:01:24.192293+08:00	17766 Connect	root@127.0.0.1 on test using TCP/IP
2019-09-08T22:01:24.192409	17766  	SELECT @@max_allowed_packet
2019-09-08T22:01:24.192487	17766  	SET autocommit=true
2019-09-08T22:01:24.192578	17766  	SET NAMES utf8mb4
2019-09-08T22:01:24.192693	17766  	select id
			from information_schema.processlist
			where
				id != connection_id()
				and 17765 in (0, id)
				and state like concat('%', 'metadata lock', '%')
				and info  like concat('%', 'rename', '%')
2019-09-08T22:01:24.193050	17766 Query	select is_used_lock('gh-ost.17760.lock')
2019-09-08T22:01:24.193194	17760 Query	drop /* gh-ost */ table if exists `test`.`_b_20190908220120_del`
2019-09-08T22:01:24.194858	17760 Query	unlock tables
2019-09-08T22:01:24.194965	17760 Query	ROLLBACK
2019-09-08T22:01:24.197563	17765 Query	ROLLBACK
2019-09-08T22:01:24.197594	17766 Query	show /* gh-ost */ table status from `test` like '_b_20190908220120_del'
2019-09-08T22:01:24.198082	17766 Quit
2019-09-08T22:01:24.298382	17760 Query	drop /* gh-ost */ table if exists `test`.`_b_ghc`

如果 cut-over 过程的各个环节执行失败会发生什么？

其实除了安全，什么都不会发生。

如果c10的create `_b_del` 失败，gh-ost 程序退出。
如果c10的加锁语句失败，gh-ost 程序退出，因为表还未被锁定，dml请求可以正常进行。
如果c10在c20执行rename之前出现异常
 A. c10持有的锁被释放，查询c1-c9，c11-c19的请求可以立即在b执行。
 B. 因为`_b_del`表存在,c20的rename table b to  `_b_del`会失败。
 C. 整个操作都失败了，但没有什么可怕的事情发生，有些查询被阻止了一段时间，我们需要重试。
如果c10在c20执行rename被阻塞时失败退出,与上述类似，锁释放，则c20执行rename操作因为——b_old表存在而失败，所有请求恢复正常。
如果c20异常失败，gh-ost会捕获不到rename，会话c10继续运行，释放lock，所有请求恢复正常。
如果c10和c20都失败了，没问题:lock被清除，rename锁被清除。 c1-c9，c11-c19，c21-c29可以在b上正常执行。

整个过程对应用程序的影响 应用程序连接保证被阻止，直到交换 ghost 表或直到操作失败。在前者中，他们继续在新表上进行操作。在后者中，他们继续在原表上进行操作。 对复制的影响 slave 因为 binlog 文件中不会复制 lock 语句，只能应用 rename 语句进行原子操作,对复制无损。

7.处理收尾工作

最后一部分操作其实和具体参数有一定关系。最重要必不可少的是

关闭 binlogsyncer 连接至于中间表，其实和参数有关 --initially-drop-ghost-table --initially-drop-old-table

###小结纵观 gh-ost 的执行过程，查看源码算法设计，尤其是 cut-over 设计思路之精妙，原子操作，任何异常都不会对业务有严重影响。欢迎已经使用过的朋友分享各自遇到的问题，也欢迎还未使用过该工具的朋友大胆尝试。

###参考文章 https://www.cnblogs.com/mysql-dba/p/9901589.html

来源：oschina

链接：https://my.oschina.net/u/3883885/blog/3107615

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