MySQL数据库InnoDB存储引擎在线加字段实现原理详解

腾讯互娱内部维护了一个MySQL分支,基于官方5.5.24,实现了类似于Oracle 11g的快速加字段功能,这个分支我们内部称为TMySQL。该功能通过扩展存储格式来实现,原理类似于Oracle 11g,以下介绍下其实现原理。
1. GCS行格式

需要在innodb中实现类似oracle的快速加字段功能,仅仅基于原来的行格式是不行的,必须对其进行扩展。为了保证原MySQL和innodb的兼容性,不改变原存储格式的行为,在线加字段功能是通过新增一种innodb行格式GCS(Game Cloud Storage)来实现,从而避免对其他格式造成影响。

mysqlops-innodb-one

虽然说是新增格式,但该格式与原默认的compact是基本一样的,只是新增了关键的Field Count(字段数)控制信息。

下面先回顾下compact行格式

compact聚集索引记录的格式由下图所示,由记录头和记录内容组成。

mysqlops-innodb-two

记录头记录了解析字段的关键信息,其结构下图所示。

mysqlops-innodb-three

Record Extra Bytes:是固定的5字节,表示记录的额外信息。
Nullable Bitmap:记录可空位图,使用1个bit来表示一个可空字段是否为NULL。
non-NULL Variable-Length Array:非空变长字段数组,表示非空变长字段(如varchar、varbinary)在该行的长度。

关于Compact格式的详细介绍可以参考文章。

compact格式有很重要的两个特点:

字段的定义顺序与存储顺序基本一致(主键除外)
字段为NULL不占存储空间,只需通过Nullable Bitmap记录。

基于以上特点,实现快速加字段功能GCS格式只需在记录头添加Field Count(字段数),来表示当前记录的字段数,占用1~2字节(若大于127,则使用2字节)。

mysqlops-innodb-four

那么,解析GCS记录的关键逻辑就变为:

假设某GCS记录的Field count记录为x,表字段数为y,那么x <= y总是成立的。对于GCS格式,字段的解析变为:

如果x == y或非GCS格式,按原来compact方式解析
如果x < y,那么记录必定是在Alter Table加字段前就生成,那么最后y-x个字段必为NULL或默认值。 如果该字段是允许为NULL,则为NULL。 如果该字段不允许为NULL,则为默认值。 这样就可以将新增的字段解析出来。 另外,GCS格式在TMySQL中会替代compact作为innodb的默认行格式。

 mysql> create table t1(c1 int, c2 int);
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> show table status like 't1'G
*************************** 1. row ***************************
Name: t1
Engine: InnoDB
Version: 10
Row_format: Gcs
Rows: 0
Avg_row_length: 0
Data_length: 16384
Max_data_length: 0
Index_length: 0
Data_free: 0
Auto_increment: NULL
Create_time: 2013-09-10 11:44:21
Update_time: NULL
Check_time: NULL
Collation: utf8_general_ci
Checksum: NULL
Create_options:
Comment:
1 row in set (0.00 sec)

# 插入大量数据

mysql> insert into t1 values(1,1);
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

# 快速加字段

mysql> alter table t1 add column d1 int not null default 0, add column d2 int;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

mysql> select * from t1 limit 1;
+------+------+----+------+
| c1 | c2 | d1 | d2 |
+------+------+----+------+
|1 |1 | 0 | NULL |
+------+------+----+------+
1 row in set (0.00 sec)

2. 兼容性

仅仅新增GCS存储格式,必定导致原来数据的不兼容(每行增加Field Count),只能通过重导数据或alter table来使其支持在线加字段功能。

# compact格式转换为GCS格式
mysql> alter table t_compact row_format=gcs;

如果数据量越大,上述语句所花时间就会越长,这样对升级和使用都带来困难。

为了解决这个问题,GCS格式实现了对compact格式的全面兼容。

在innodb实现中,compact格式记录头的Record Extra Bytes首字节最高位和次高位是保留的,总是为0。因此,GCS记录占用了其中的最高bit,若为1表示使用GCS格式,记录中会包含Field count信息,这里称该bit为控制位。

然而GCS行格式新增的Field Count仅仅是为了表示记录的字段数,如果表不执行加字段操作,该部分其实是不起作用的(记录字段数恒等于表字段数)。换句话说,如果GCS表不执行快速加字段操作,记录其实并不需要存储Field Count信息。

因此,当表第一次快速加字段前,GCS记录可以与compact完全相同,即控制位为0;当第一次快速加字段时,可将加字段前的字段数存储在扩展的数据字典中,用来解析控制位为0的GCS记录(充当记录上的field count信息);新插入或修改的记录,则按照第一节介绍的存储格式进行构建。

最后,这个设计中的GCS记录在第一次快速加字段前可以跟Compact格式是完全一致的。这样做,有两个好处:

第一次在线加字段前,减少每条GCS记录Field Count 1~2字节的存储消耗
可以支持Compact表快速转换为GCS表,实现快速升级

由于存储格式完全兼容,不管原来的compact表数据量有多少,仅需执行以下命令,修改表的元数据信息,就能将格式快速转换为GCS,从而获得快速加字段功能。

mysql> create table t_compact(c1 int, c2 int) row_format=compact;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> insert into t_compact values(1,1);
Query OK, 1 row affected (0.00 sec)

# compact格式非onlie操作,需要拷贝数据
mysql> alter table t_compact add column d1 int;
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
Records: 1 Duplicates: 0 Warnings: 0

# online操作,只需修改元数据,不需拷贝数据
mysql> alter table t_compact row_format = gcs;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

# online操作
mysql> alter table t_compact add column d2 int not null default 0;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)
Records: 0 Duplicates: 0 Warnings: 0

这样,TMySQL可实现基于5.5的覆盖升级,对于compact表只需执行alter table row_format = gcs命令就能快速支持在线加字段功能,大大降低升级成本,并且实现加字段前没有存储空间的额外消耗!
3 DML操作

存储格式得以支持,相应的DML操作逻辑需要修改。

select:按照GCS格式进行解析
insert:根据当前表的字段数构造记录中field count和标记控制位
delete:不变
update:原地更新不变;非原地更新走delete+insert,会更新为新的field count

4 数据字典

InnoDB存储引擎关于列的数据字典中并不包含默认值信息,默认值只存储在MySQL层的frm文件中。

为了支持默认值的加字段操作,InnoDB存储引擎层需要存储新增列的默认值信息。一种办法是在原SYS_COLUMNS系统表增加def_val列,表示默认值。但这必定导致TMySQL和官方版本的不兼容,并且不是所有列的默认值都需要存储的,只需保存新增列的默认值信息。

因此,TMySQL新增一个系统表SYS_ADDED_COLS_DEFAULT,保存新增列的默认值,并通过(tableid,pos)与SYS_COLUMNS的列信息关联起来。

SYS_ADDED_COLS_DEFAULT(
tableid bigint,
pos int,
def_val binary(65535),
def_val_len int,
Primary key (tableid, pos)
);

为了实现与官方版本兼容,SYS_ADDED_COLS_DEFAULT使用动态创建功能,即TMySQL启动加载数据字典子系统时发现该表不存在,会动态创建。这样,从官方版本升级原地升级为TMySQL时就不需考虑该表导致的不兼容问题。

除了默认值,systables系统表还需记录GCS格式标记,第一次加字段前字段数等新增元数据信息。
5 加字段流程

MySQL官方版本加字段其实是新建表导入数据,并删除原表的过程,整个过程是阻塞写的。

而TMySQL的GCS格式支持原数据不改变的情况下解析新增字段,并且可以在原表上直接修改元数据,不需拷贝数据,从而实现加字段时间可以大大缩短。

GCS表在线加字段的过程为:

目标表T1上字典锁(SHARED_NO_WRITE),阻塞所有写操作
判断是否符合在线加字段的条件,如符合,执行步骤3,否则按照官方拷贝数据的方式来新增字段。
创建跟目标表T1同构的临时表frm文件S1.frm(含新增字段)
目标表T1的字典锁升级为排它锁,所有关于T1表的所有读写操作被阻塞
修改T1表InnoDB存储引擎内部数据字典信息,增加新字段。
将S1.frm重命名为T1.frm
释放表T1的字典锁

以上流程处理参考了5.6 online DDL的部分实现。

TMySQL并不支持任何情况的加字段操作,必须符合以下条件:

表必须是innodb存储引擎的GCS表,原Compact表不支持在线加字段功能。
不支持临时表。
一次alter table仅允许加一列或多列,但不允许同时进行多个alter table的不同操作(如增删索引、删字段、修改字段等)。
加字段不支持指定Before或After关键字表示定义在某列之前或之后。
所加字段不能包含除not null外的任何约束,包括外键约束、唯一约束。
不支持允许为NULL并指定默认值的加字段操作(同oracle 11g)
所加字段不能自增列(auto_increment)

6 总结

以上是TMySQL在线加字段操作的实现原理,除了以上内容还包括语法、故障恢复、事务回滚、自适应哈希索引等适配改造,比较细节,这里就先不介绍了。对以上有任何疑问,欢迎讨论~

除了在线加字段,TMySQL还有不少其他新特性,后续再介绍了。

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One thought on “MySQL数据库InnoDB存储引擎在线加字段实现原理详解

  1. SYS_TABLES应该事先需要加列吧,
    这样就不能直接二进制兼容官方的版本了吧,那动态创建SYS_ADDED_COLS_DEFAULT还有意义么

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