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深入浅出 MySQL crash safe

一、前言

MySQL 主从架构已经被广泛应用, 保障主从复制关系的稳定性是大家一直关注的焦点。MySQL 5.6 针对主从复制稳定性提供了新特性: slave 支持 crash-safe。该功能可以解决之前版本中系统异常断电可能导致 relay_log.info 位点信息不准确的问题。
本文将从原理，参数，新的问题等几个方面对该特性进行介绍。

二、crash-unsafe

在了解 slave crash-safe 之前，我们先分析 MySQL 5.6 之前的版本出现 slave crash-unsafe 的原因。我们知道在一套主从结构体系中，slave 包含两个线程: 即 IO thread 和 SQL thread。两个线程的执行进度 (偏移量) 都保存在文件中。

IO thread 负责从 master 拉取 binlog 文件并保存到本地的 relay-log 文件中。

SQL thread 负责执行重复 sql，执行 relay-log 记录的日志。

crash-unsafe 情况下 SQL_thread 的 的工作模式:

START TRANSACTION;
 Statement 1
  ...
 Statement N
 COMMIT;

Update replication info files (master.info, relay_log.info)

IO thread 的执行状态信息保存在 master.info 文件, SQL thread 的执行状态信息保存在 relay-log.info 文件。slave 运行正常的情况下，记录位点没有问题。但是每当系统发生 crash, 存储的偏移量可能是不准确的 (需要注意的是这些文件被修改后不是同步写入磁盘的)。因为应用 binlog 和更新位点信息到文件并不是原子操作，而是两个独立的步骤。比如 SQL thread 已经应用 relay-log.01 的 4 个事务

 trx1(pos:10)
 trx2(pos:20)
 trx3(pos:30)
 trx4(pos:40)

但是 SQL thread 更新位点 (relay-log.01,30) 到 relay-log.info 文件中，slave 实例重启的时候 sql thread 会重复执行事务 trx4，于是乎，大家就看到比较常见的复制报错 error 1062，error 1032。

MySQL 5.5 通过两个参数来缓解该问题, 使用 sync_master_info=1 和 sync_replay_log_info=1 来保证 Slave 的两个线程每次写一个事务就分别向两个文件同步一次 IO thread 和 SQL thread 当前执行的位点信息。当然同步操作不是免费的, 频繁更新磁盘文件需要消耗性能。

但是, 即使设置了 sync_master_info=1 和 sync_relay_info=1, 问题还是会出现, 因为复制信息是在 transactions 提交后写入的,如果 crash 发生在事务提交和 OS 写文件之间，那么 relay-log.info 就可能是错误的。当 slave 从新启动的时候, 最后那个事务可能会被执行两次. 具体的影响取决于事务的具体操作. 复制可能会继续运行比如 update/delete, 或者报错 比如 insert 操作，此时主从数据的一致性可能会被破坏。

三、crash-safe 特性

3.1 保障 apply log 和更新位点信息操作的原子性

通过上面的分析，我们知道 slave crash-unsafe 的原因在于应用 binlog 和更新文件的非原子性。MySQL 5.6 版本通过将更新位点信息存放到表中，并且和正常的事务一起执行，进而保障 apply binlog 的事务和更新 relay info 信息到 slave_relay_log_info 的原子性.

就是把 SQL thread 执行事务和更新 mysql.slave_replay_log_info 的语句合并为同一个事务，由 MySQL 系统来保障事务的原子性。我们可以通过伪代码来模拟 crash-safe 的原理:crash-safe 情况下 SQL_thread 的工作模式

START TRANSACTION;
  Statement 1
  ...
  Statement N
  Update replication info
COMMIT

一图胜千言:

1.png

绿色的代表实际业务的事务，蓝色的是开启 MySQL 执行的更新 slave_replay_log_info 相关位点信息的 sql ，然后将这两个 sql 合并在一个事务中执行，利用 MySQL 事务机制和 InnoDB 表保障原子性。不会出现应用 binlog 和更新位点信息两个动作割裂导致不一致的问题。

3.2 crash 后的恢复动作

通过设置 relay_log_recovery = ON,slave 遇到异常 crash，然后重启的时候，系统会删除现有的 relay log，然后 IO thread 会从 mysql.slave_replay_log_info 记录的位点信息重新拉取主库的 binlog。MySQL 如此设计的出发点是:

  1. SQL thread apply binlog 的位点永远小于等于 IO thread 从主库拉取的位点。
  2. SQL thread 记录的位点是已经执行并且提交的事务之后位点信息。

一图胜千言:

2.png

蓝色的 update 语句代表已经执行并提交的事务，绿色的 delete 语句表示正在执行的 sql，还未提交。此时 slave_replay_log_info 表记录的 relay log info 是update 语句结束，delete 语句开始之前的位点
(relay_log.01,100) 。如果遇到系统 crash，slave 实例重启之后，会删除已经有的 relaylog, 并且 IO thread 会从 (relay_log.01,100) 对应的 master binlog 位点重新拉取主库的 binlog,SQL thread 也会从这个位点开始应用 binlog。

3.3 GTID 模式下的 crash safe

和基于位点的复制不同，GTID 模式下使用新的复制协议 COM_BINLOG_DUMP_GTID 进行复制。举个🌰

实例 a 的事务集合 set_a, 实例 b 的事务集合 set_b , 设置 b 为 a 的从库的时候，其中的 binlog 协议伪算法如下:

  1. 实例 b 指向主库实例 a, 基于主备协议建立主从关系
  2. 实例 b 将 GTID 信息发送给实例 a

>UNION(@@global.gtid_executed, Retrieved_gtid_set - last_received_GTID)

  1. 实例 a 计算出 set_b 与 set_a 的差集，也就是存在于 set_a 但是不存在与 set_b 的 GTID 集合，判断实例 a 本地的 binlog 是否包含了该差集所需要的所有 binlog 事务。

a 如果不包含，表示实例 a 已经把实例 b 需要的 binlog 删除了，直接返回报错。

b 如果确认全部包含 实例 a 从本地 binlog 文件里面，找到第一个不在 set_b 的事务，发送给实例 b。

  1. 从这个事务开始，往后读文件，按顺序取 binlog 发送给实例 b。

GTID 模式下，slave crash-safe 运行机制

3.png

蓝色 ABC:3 表示已经执行并提交的事务，绿色 ABC:4 表示正在执行的事务，此时 slave crash，实例记录的 gtid_executed=ABC:1-3，系统重启 relay_log 被删除。slave 将 UNION(@@global.gtid_executed, null) 发送到主库，主库会将 ABC:3 以后的 binlog 传送给 slave 继续执行。

注意

从新的复制协议中 slave 重启时是基于 binlog 中的 GTID 信息进行复制的, 并不依赖于 mysql.slave_replay_log_info。为了保障 binlog 及时落盘 slave 要设置 双 1 模式 sync_binlog = 1
innodb_flush_log_at_trx_commit = 1

3.4 如何开启 crash-safe 特性

通过配置两个如下两个参数开启该特性。

relay_log_info_repository = TABLE
relay_log_recovery = ON

看到这里是不是有疑问为什么没有 master.info 相关的参数配置?

其实开启 slave 的 crash-safe 之后，slave 重启的时候会自动清空之前的 relay-log，IO thread 从 mysql.slave_relay_log_info 表中记录的位点开始拉取数据，而不是依赖 slave_master_info 表相关数据。

注意:
如果是 MySQL 5.6.5 或者更早期。slave_master_info 和 slave_relay_log_info 表默认使用 MyISAM 引擎。所以还得修改成 innodb，如下：

ALTER TABLE mysql.slave_master_info ENGINE=InnoDB;

ALTER TABLE mysql.slave_relay_log_info ENGINE=InnoDB;

3.5 相关参数

  1. 开启 crash-safe 之后，slave 重启之后，不再依赖 master info 相关的参数，所以这两个参数不做过多讨论。不过为了和 relay log info 存储一致，推荐存储 maste-info 到表里，sync_master_info 保持默认，设置为比较低的值，在写压力比较大的情况下，会有 IO 损耗。
master_info_repository =TABLE 
sync_master_info=0
  1. 开启 crash-safe 必要参数
 relay_log_info_repository = TABLE
 relay_log_recovery = 1

这 2 个不多做介绍了，前面已经将的非常透彻。

  1. relay log 相关

当 relay_log_info_repository=file 时，
更新位点信息的频率依赖于 sync_relay_log_info = N (N>=0):

a 当 sync_relay_log_info=0 时,MySQL 依赖 OS 系统定期更新。

b 当 sync_relay_log_info=N 时 (N>0),
MySQL server 会在每执行 N 个事务之后调用 fdatasync() 刷 relay-log.info 文件。

当 relay_log_info_repository=table

如果 mysql.slave_relay_log_info 是 innodb 存储引擎，则每次事务更新，系统会自动忽略 sync_relay_log_info 的设置。

如果 mysql.slave_relay_log_info 是非事务存储引擎，则

a 当 sync_relay_log_info=0 时, 不更新。

b 当 sync_relay_log_info=N 时 (N>0),
MySQL server 会在每执行 N 个事务之后调用 fdatasync() 刷 relay-log.info 文件。

sync_relay_log 控制着 relay-log 的刷新策略，类似 sync_binlog。不过这个参数在开启 crash-safe 特性之后没有什么实质的意义。建议保持该参数为默认值即可。

四、其他问题

每个硬币都有它的两面性。开启 crash-safe 会带来哪些潜在的问题？

  1. 重启 slave，重新拉取 relay-log，一主多从的集群会给主库带来 IO 和带宽压力。

  2. 主库不可用，或者 binlog 被删除了，slave 找不到所需要的 binlog。

参考文章

[1] https://hackmongo.com/post/crash-safe-mysql-replication-a-visual-guide/

[2] http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/replication-solutions-unexpected-slave-halt.html

[3] http://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/replication-solutions-unexpected-slave-halt.html