简介：传统 MySQL 基于 binlog 复制的主备架构有它的局限性，包含存储空间无限，备份复原慢，主备复制提早等问题，为了解决用户对于云上 RDS(X-Engine)大容量存储，以及弹性伸缩的诉求，PolarDB 推出了历史库 (基于 X -Engine 引擎的一写多读) 产品，反对物理复制，提供一写多读的能力，目前曾经在阿里云官网售卖。本文次要论述如何基于 LSM-tree 构造的存储引擎实现数据库的一写多读能力。
作者 | 雁闲
起源 | 阿里技术公众号
一 前言
PolarDB 是阿里巴巴自研的新一代云原生关系型数据库，在存储计算拆散架构下，利用了软硬件联合的劣势，为用户提供具备极致弹性、海量存储、高性能、低成本的数据库服务。X-Engine 是阿里巴巴自研的新一代存储引擎，作为 AliSQL 的外围引擎之一已宽泛用于阿里巴巴团体外围业务，包含交易历史库，钉钉历史库，图片空间等。X-Engine 基于 LSM-tree 架构，其外围特色是数据以追加写形式写入，高压缩低成本，实用于写多读少，有低成本诉求的业务场景。传统 MySQL 基于 binlog 复制的主备架构有它的局限性，包含存储空间无限，备份复原慢，主备复制提早等问题，为了解决用户对于云上 RDS(X-Engine)大容量存储，以及弹性伸缩的诉求，PolarDB 推出了历史库 (基于 X -Engine 引擎的一写多读) 产品，反对物理复制，提供一写多读的能力，目前曾经在阿里云官网售卖。本文次要论述如何基于 LSM-tree 构造的存储引擎实现数据库的一写多读能力。
二 LSM-tree 数据库引擎
LSM-Tree 全称是 Log Structured Merge Tree，是一种分层，有序，面向磁盘设计的数据结构，其核心思想是利用磁盘批量的程序写要比随机写性能高的特点，将所有更新操作都转化为追加写形式，晋升写入吞吐。LSM-tree 类的存储引擎最早源于 Google 三驾马车之一的 BigTable 的存储引擎以及它的开源实现 LevelDB。LSM-tree 存储引擎有几个特点，首先增量数据像日志一样，通过追加形式写入，程序落盘；其次，数据依照 key 来进行有序组织，这样在内存和磁盘中会造成一颗颗小的“有序树”；最初，各个“有序树”能够进行归并，将内存中的增量数据迁徙到磁盘上，磁盘上的多个“有序树”能够进行归并，优化树的形态，整个 LSM-tree 是一个有序的索引组织构造。
在云原生数据库时代，一写多读技术已被广泛应用于生产环境中，次要云产商都有其标杆产品，典型代表包含亚马逊的 Aurora，阿里云的 PolarDB 以及微软云的 Socrates。它的核心思想是计算存储拆散，将有状态的数据和日志下推到分布式存储，计算节点无状态，多个计算节点共享一份数据，数据库能够低成本疾速扩大读性能。Aurora 是这个畛域的开山鼻祖，实现了业内第一个一写多读的数据库，计算节点 Scale up，存储节点 Scale out，并将日志模块下推到存储层，计算节点之间，计算与存储节点之间传输 redo 日志，计算节点基于 Quorum 协定写多正本保障可靠性，存储层提供多版本页服务。PolarDB 与 Aurora 相似，也采纳了存储计算拆散架构，与 Aurora 相比，PolarDB 它本人的特色，存储基座是一个通用的分布式文件系统，大量采纳 OS-bypass 和 zero-copy 技术，存储的多正本一致性由 ParallelRaft 协定保障。PolarDB 计算节点与存储节点同时传输数据页和 redo 日志，计算节点与计算节点之间只传递位点信息。与 Aurora 的“日志即数据库”理念一样，Socrates 的节点之间只传输 redo 日志，也实现了多版本页服务，它的特点是将数据库存储层的持久性与可用性离开，形象出一套日志服务。整个数据库分为 3 层，一层计算服务，一层 page server 服务和一层日志服务，这样设计的益处是能够分层进行优化，提供更灵便和细粒度的管制。
尽管 Aurora，PolarDB 和 Socrates 在设计上各有特点，但它们都独特践行了存储计算拆散思维，数据库层面提供一写多读的能力。深刻到存储引擎这一层来说，这几个产品都是基于 B +tree 的存储引擎，如果基于 LSM-tree 存储引擎来做呢？LSM-tree 有它本人的特点，追加程序写，数据分层存储，磁盘上数据块只读更有利于压缩。X-Engine 引擎云上产品 RDS(X-Engine)曾经充分发挥了 LSM-tree 高压缩低成本特点，同样的数据量，存储空间只占到 RDS(InnoDB)的 1 / 3 甚至更少，RDS(X-Engine)传统的主备架构，仍然面临着主备复制提早大，备份复原慢等问题。基于 LSM-tree 引擎实现一写多读，不仅计算资源和存储资源解耦，多个节点共享一份数据还能进一步压缩存储老本。
基于 LSM-tree 引擎实现一写多读面临着与 B +tree 引擎不一样的技术挑战，首先是存储引擎日志不一样，LSM-tree 引擎是双日志流，须要解决双日志流的物理复制问题；其次是数据组织形式不一样，LSM-tree 引擎采纳分层存储，追加写入新数据，须要解决多个计算节点一致性物理快照以及 Compation 问题。最初，作为数据库引擎，还须要解决一写多读模式下 DDL 的物理复制问题。同时，为了产品化，充分发挥 B +tree 引擎和 LSM-tree 引擎的各自劣势，还面临着新的挑战，即如何在一个数据库产品中同时实现两个存储引擎 (InnoDB,X-Engine) 的一写多读。
三 LSM-tree 引擎一写多读的关键技术
1 PolarDB 整体架构
PolarDB 反对 X -Engine 引擎后，X-Engine 引擎与 InnoDB 引擎依然独立存在。两个引擎各自接管写入申请，数据和日志均存储在底层的分布式存储上，其中 idb 文件示意的是 InnoDB 的数据文件，sst 文件示意的是 X -Engine 的数据文件。这里最次要的点在于 InnoDB 与 XEngine 共享一份 redo 日志，X-Engine 写入时，将 wal 日志嵌入到 InnoDB 的 redo 中，Replica 节点和 Standby 节点在解析 redo 日志后，分发给 InnoDB 引擎和 XEngine 引擎别离回放进行同步。
PolarDB(X-Engine)架构图
X-Engine 引擎架构
X-Engine 引擎采纳 LSM-tree 构造，数据以追加写的形式写入内存，并周期性物化到磁盘上，内存中数据以 memtable 模式存在，包含一个沉闷的 active memtable 和多个动态的 immutable。磁盘上数据分层存储，总共包含 3 层，L0，L1 和 L2，每一层数据按块有序组织。X-Engine 最小空间调配单位是一个 extent，默认是 2M，每个 extent 蕴含若干个 block，默认是 16k。数据记录紧凑存储在 block 中，因为追加写特点，磁盘上的数据块都是只读的，因而 X -Engine 引擎能够默认对 block 进行压缩，另外 block 中的记录还会进行前缀编码，综合这些使得 X -Engine 的存储空间绝对于 InnoDB 引擎只有 1 /3，局部场景 (比方图片空间) 甚至能压缩到 1 /7。无利就有弊，追加写带来了写入劣势，对于历史版本数据须要通过 Compaction 工作来进行回收。无关 X -Engine 的核心技术能够参考发表在 Sigmod19 的论文，《X-Engine: An Optimized Storage Engine for Large-scale E-commerce Transaction Processing》
X-Engine 整体架构
2 物理复制架构
物理复制的外围是通过引擎本身的日志来实现复制，防止写额定的日志带来的老本和性能损失。MySQL 原生的复制架构是通过 binlog 日志进行复制，写事务须要同时写引擎日志和 binlog 日志，这带来的问题是一方面单个事务在要害写门路上须要写两份日志，写性能受制于二阶段提交和 binlog 的串行写入，另一方面 binlog 复制是逻辑复制，复制提早问题也使得复制架构的高可用，以及只读库的读服务能力大打折扣，尤其是在做 DDL 操作时，这个提早会进一步放大。
在 InnoDB 中有 redo 和 undo 两种日志，undo 日志能够了解为一种非凡的“data”，所以实际上 InnoDB 的所有操作都能通过 redo 日志来保障持久性。因而，在进行复制时，只须要在主从节点复制 redo 日志即可。X-Engine 引擎蕴含两种日志，一种是 wal 日志(WriteAheadLog)，用于记录前台的事务的操作；另一种是 Slog(StorageLog)，用于记录 LSM-tree 形态变动的操作，次要指 Compaction/Flush 等。wal 日志保障了前台事务的原子性和持久性，Slog 则保障了 X -Engine 外部 LSM-tree 形态变动的原子性和持久性，这两个日志缺一不可，都须要复制同步。
共享存储下的物理复制
Primary-Replica 物理复制架构
LSM-tree 引擎一写多读的能力是对 PolarDB 进行性能加强，体现在架构层面就是充分利用已有的复制链路，包含 Primary->Replica 传递日志信息链路和 Replica->Primary 传递协同管制信息链路。InnoDB 事务由若干个 mtr(Mini-Transaction)组成，写入 redo 日志的最小单位是 mtr。咱们在 Innodb 的 redo 日志新增一种日志类型用于示意 X -Engine 日志，将 X -Engine 的事务内容作为一个 mtr 事务写入到 redo 日志中，这样 Innodb 的 redo 和 X -Engine 的 wal 日志能共享一条复制链路。因为 Primary 和 Replica 共享一份日志和数据，Dump_thread 只须要传递位点信息，由 Replica 依据位点信息去读 redo 日志。Replica 解析日志，依据日志类型来散发日志给不同的回放引擎，这种架构使得所有复制框架与之前的复制保持一致，只须要新增解析、散发 X -Engine 日志逻辑，新增 X -Engine 的回放引擎，充沛与 InnoDB 引擎解耦。
因为 LSM-tree 追加写特点，内存 memtable 中数据会周期性的 Flush 到磁盘，为了保障 Primary 和 Replica 读到一致性物理视图，Primary 和 Replica 须要同步 SwitchMemtable，须要新增一条 SwitchMemtable 管制日志来协调。redo 日志长久化后，Primary 通过日志形式将位点信息被动推送给 Replica，以便 Replica 及时回放最新的日志，缩小同步提早。对于 Slog 日志，既能够采纳相似于 redo 的日志形式来被动“push”形式来同步位点，也能够采纳 Replica 被动“pull”的形式来同步。SLog 是后盾日志，绝对于前台事务回放实时性要求不高，不必要将 redo 位点和 SLog 位点都放在一条复制链路减少复杂性，所以采纳了 Replica 的“pull”的形式来同步 SLog。
灾备集群间的物理复制
Primary-Standby 物理复制架构
与共享集群复制不同，灾备集群有独立一份存储，Primary—>Standby 须要传递残缺的 redo 日志。Stanby 与 Replica 区别在于日志起源不同，Replica 从共享存储上获取日志，Standy 从复制链路获取日志，其它解析和回放门路是一样的。是否将 Slog 日志作为 redo 日志一部分传递给 Standby 是一个问题，Slog 日志由 Flush/Compaction 动作产生，记录的是 LSM-tree 形态的物理变化。如果也通过 redo 日志链路同步给 Standby，会带来一些复杂性，一方面是 X -Engine 外部写日志的形式须要改变，须要新增新增文件操作相干的物理日志来确保主从物理构造统一，故障复原的逻辑也须要适配；另一方面，Slog 作为后台任务的操作日志，意味着复制链路上的所有角色都须要同构；如果放弃同构，那么 Standy 节点可能会触发 Flush/Compaction 工作写日志，这与物理复制中，只容许 Primary 写日志是相违反的。实际上，Slog 同步写入到 redo log 中不是必须的，因为 Slog 是后盾日志，这个动作不及时回放并不影响数据视图的正确性，因而，复制链路上只蕴含 redo 日志(X-Engine wal 日志和 InnoDB redo 日志)，Standby 本人管制 Flush/Compaction 产生 Slog 日志，这样 Standby 也不用与 Primary 节点物理同构，整个架构与现有体系相匹配，同时也更加灵便。
3 并行物理复制减速
X-Engine 的事务包含两个阶段，第一个阶段是读写阶段，这个阶段事务操作数据会缓存在事务上下文中，第二阶段是提交阶段，将操作数据写入到 redo 日志长久化，随后写到 memtable 中供读操作拜访。对于 Standby/Replica 节点而言，回放过程与 Primary 节点相似，从 redo 中解析到事务日志，而后将事务回放到 memtable 中。事务之间不存在抵触，通过 Sequence 版本号来确定可见性。并行回放的粒度是事务，须要解决的一个关键问题就是可见性问题。事务串行回放时，Sequence 版本号都是间断递增的，事务可见性不存在问题。在并行回放场景下，咱们依然须要保序，通过引入“滑动窗口”机制，只有间断一段没有空洞的 Sequence 能力推动全局的 Sequence 版本号，这个全局 Sequence 用于读操作获取快照。
并行复制框架
一写多读架构下，为了保障同一数据库实例的 Primary、Replica、Standby 三个角色的内存镜像完全一致，新增了一种 SwitchMemtableLog，该 Log Record 在 RW 的 switch_memtable 过程中产生，因而 RO、Standby 不再被动触发 switch_memtable 操作，而是通过从 RW 上同步 SwitchMemtableLog 进行 switch_memtable。SwitchMemtable 操作是一个全局的屏障点，以避免以后可写 memtable 在插入过程中 switch 从而导致数据错乱。另外，对于 2PC 事务，并发管制也须要做适配。一个 2PC 事务除了数据自身的日志，还包含 BeginPrepare、EndPrepare、Commit、Rollback 四类日志，写入过程中保障 BeginPrepare 和 EndPrepare 写入到一个 WriteBatch 中并程序落盘，因而能够保障同一个事务的 Prepare 日志都会被解析到一个 ReplayTask 中。在并行回放过程中，因为无奈保障 Commit 或 Rollback 日志肯定后于 Prepare 日志被回放，因而如果 Commit、Rollback 日志先于 Prepare 日志被回放，那么在全局的 recovered_transaction_map 中插入一个 key 对 xid 的空事务，对应的事务状态为 Commit 或 Rollback；随后 Prepare 日志实现回放时，如果发现 recovered_transaction_map 中曾经存在对应的事务，那么能够依据事务的状态来决定间接提交事务还是抛弃事务。
对于 B +Tree 的物理复制，LSM-tree 的物理复制并不是真正的“物理”复制。因为 B +Tree 传递的 redo 的内容是数据页面的批改，而 LSM-tree 传递的 redo 内容是 KeyValue 值。这带来的后果是，B+tree 物理复制能够基于数据页粒度做并发回放，而 LSM-tree 的物理复制是基于事务粒度的并发回放。B+tree 并发回放有它本身的复杂性，比方须要解决零碎页回放与一般数据页回放先后顺序问题，并且还须要解决同一个 mtr 中多个数据页并发回放可能导致的物理视图不统一问题。LSM-tree 须要解决多个节点在同样地位 SwitchMemtable，以及 2PC 事务回放等问题。
4 MVCC(多版本并发管制)
物理复制技术解决了数据同步的问题，为存储计算拆散打下了根底。为了实现弹性，动静升降配，增删只读节点的能力，须要只读节点具备一致性读的能力，另外 RW 节点和 RO 节点共享一份数据，历史版本回收也是必须要思考的问题。
一致性读
X-Engine 提供快照读的能力，通过多版本机制来实现读写不互斥成果。从上述的 X -Engine 架构图能够看到，X-Engine 的数据实际上包含了内存和磁盘两局部，不同于 InnoDB 引擎内存中 page 是磁盘上 page 的缓存，X-Engine 中内存数据与磁盘数据齐全异构，一份“快照”须要对应的是内存 + 磁盘数据。X-Engine 采纳追加写形式，新数据进来会产生新的 memtable，后台任务做 flush/compaction 工作也会产生新的 extent。那么如何获取一致性视图呢？X-Engine 外部实际上是通过 MetaSnapshot+Snapshot 来治理，首先每个 MetaSnapshot 对应一组 memtable 和 L0，L1, L2 的 extents，这样在物理上确定了数据范畴，而后通过 Snapshot 来解决行级版本的可见性，这里的 Snapshot 实际上就是一个事务提交序列号 Sequence。不同于 InnoDB 事务编号采纳开始序，须要通过沉闷事务视图来判断记录的可见性；X-Engine 事务采纳提交序，每条记录有一个惟一递增序列号 Sequence，判断行级版本的可见性只须要比拟 Sequence 即可。在一写多读的模式下，Replica 节点与 Primary 节点共享一份磁盘数据，而磁盘数据是有内存中数据定期 dump 进去的，因而须要保障 Primary 和 Replica 节点有雷同的切 memtable 位点，从而保证数据视图的一致性。
一写多读下的 Compaction
在一写多读场景下，Replica 能够通过相似于 Primary 的快照机制来实现快照读，须要解决的问题是历史版本回收问题。历史版本的回收，依赖于 Compaction 工作来实现，这里的回收包含两局部，一部分 MetaSnapshot 的回收，次要确认哪些 memtable 和 extents 能够被物理回收掉，另一部分是行级多版本回收，这里次要是确认哪些历史版本行能够被回收掉。对于 MetaSnapshot 的回收，Primary 会收集所有 Replica 节点上的最小不再应用的 MetaSnapshot 版本号，X-Engine 引擎的每个索引都是一个 LSM-tree，因而汇报 MetaSnaphot 版本号是索引粒度的。Primary 收集完 MetaSnapshot 版本号，计算最小能够回收的 MetaSnapshot 进行资源回收操作，回收操作以 Slog 日志的形式同步给 Replica 节点。Replica 节点在回放日志进行资源回收时，须要将内存和磁盘资源离开，内存资源在各个节点是独立的，磁盘资源是共享的，因而 Replica 节点的内存资源能够独立开释，而磁盘资源则对立由 Primary 节点来开释。对于行级多版本的回收，同样须要由 Primary 节点收集所有 Replica 节点最小序列号 Sequence，由 Primary 节点通过 Compaction 工作来打消。这块汇报链路复用 PolarDB 的 ACK 链路，只是新增了 X -Engine 的汇报信息。
5 DDL 的物理复制如何实现
物理复制绝对于逻辑复制一个要害劣势在于 DDL，对于 DDL 而言，逻辑复制能够简略了解为复制 SQL 语句，DDL 在从库上会从新再执行一遍。逻辑复制对于比拟重的 DDL 操作，比方 Alter table 影响十分大，一个 Alter 变更操作在主库执行须要半小时，那么复制到从库也须要再执行半小时，那么主从提早最大可能就会是 1 个小时，这个提早对只读库提供读服务产生重大影响。
Server 层复制
DDL 操作同时波及到 Server 层和引擎层，包含字典，缓存以及数据。最根底的 DDL 操作，比方
Create/Drop 操作，在一写多读架构下，要思考数据与数据字典，数据与字典缓存一致性等问题。一写多读的根底是物理复制，物理复制日志只在引擎层流动，不波及到 Server 层，因而须要新增日志来解决 DDL 操作导致的不统一问题。咱们新增了 meta 信息变更的日志，并作为 redo 日志的一部分同步给从节点，这个 meta 信息变更日志次要包含两局部内容，一个是字典同步，次要是同步 MDL 锁，确保 Primary/Replica 节点字典统一；另一个是字典缓存同步，Replica 上的内存是独立的，Server 层缓存的字典信息也须要更新，因而要新增日志来解决，比方 Drop Table/Drop db/Upate function/Upate precedure 等操作。另外，还须要同步生效 Replica 的 QueryCache，防止应用谬误的查问缓存。
引擎层复制
X-Engine 引擎与 InnoDB 引擎一样是索引组织表，在 X -Engine 外部，每个索引都是一个 LSM-tree 构造，外部称为 Subtable，所有写入都是在 Subtable 中进行，Subtable 的生命周期与 DDL 操作严密相干。用户发动建表动作会产生 Subtable，这个是物理 LSM-tree 构造的载体，而后能力有后续的 DML 操作；同样的，用户发动删表动作后，所有这个 Subtable 的 DML 操作都应该执行结束。Create/Drop Table 操作波及到索引构造的产生和沦亡，会同时产生 redo 管制日志和 SLog 日志，在回放时，须要解决 redo 管制日志和 SLog 日志回放的时序问题。这里咱们将对应 Subtable 的 redo 日志的 LSN 位点长久化到 SLog 中，作为一个同步位点，Replica 回放时，两个回放链路做协调即可，redo 日志记录的是前台操作，Slog 记录的是后盾操作，因而两个链路做协同时，须要尽量避免 redo 复制链路期待 Slog 复制链路。比方，对于 Create 操作，回放 Slog 时，须要期待对应的 redo 日志的 LSN 位点回放结束才推动；对于 DROP 操作，回放 SLog 也须要协同期待，防止回放前台事务找不到 Subtable。
OnlineDDL 复制技术
对于 Alter Table 操作，X-Engine 实现了一套 OnlineDDL 机制，具体实现原理能够参考内核月报。在一写多读架构下，X-Engine 引擎在解决这类 Alter 操作时采纳了物理复制，实际上对于 Replica 而言，因为是同一份数据，并不需要从新生成物理 extent，只须要同步元信息即可。对于 Standby 节点，须要通过物理 extent 复制来从新构建索引。DDL 复制时，实际上蕴含了基线和增量局部。DDL 复制充分利用了 X -Engine 的分层存储以及 LSM-tree 构造追加写特点，在获取快照后，利用快照间接构建 L2 作为基线数据，这部分数据以 extent 块复制模式，通过 redo 通道传递给 Standby，而增量数据则与一般的 DML 事务一样，所以整个操作都是通过物理复制进行，大大提高了复制效率。这里须要限度的仅仅是在 Alter 操作过程中，禁止做到 L2 的 compaction 即可。整个 OnlineDDL 过程与 InnoDB 的 OnlineDDL 流程相似，也是包含 3 个阶段，prepare 阶段，build 阶段和 commit 阶段，其中 prepare 阶段须要获取快照，commit 阶段元数据失效，须要通过 MDL 锁来确保字典统一。与基于 B +tree 的 OnlineDDL 复制相比，基线局部，B+tree 索引复制的是物理页，而 LSM-tree 复制的是物理 extent；增量局部 B +tree 索引是通过记增量日志，回放增量日志到数据页写 redo 日志进行同步，LSM-tree 则是通过 DML 前台操作写 redo 的形式同步。
OnlineDDL 复制
6 双引擎技术
Checkpoint 位点推动
通过 wal-in-redo 技术，咱们将 X -Engine 的 wal 日志嵌入到了 InnoDB 的 redo 中，首先要解决的一个问题就是 redo 日志的回收问题。日志回收首先波及到一个位点问题，交融进 redo 日志后，X-Engine 外部将 RecoveryPoint 定义为 <lsn, Sequence>，lsn 示意 redo 日志的位点，Sequence 为对应的 X -Engine 的事务的版本号。Redo 日志回收与 Checkpoint(检查点)强相干，确保 Checkpoint 位点及时推动是须要思考的问题，否则 redo 日志的沉积一方面影响磁盘空间，另一方面也影响复原速度。这里有一个根本的准则是，Checkpoint=min(innodb-ckpt-lsn, xengine-ckpt-lsn)，xengine-ckpt-lsn 就是来源于 X -Engine 的 RecoveryPoint，确保任何引擎有内存数据没有落盘时，对应的 redo 日志不能被清理。为了防止 X -Engine 的 checkpoint 推动影响整体位点推动，外部会确保 xengine-ckpt-lsn 与全局的 redo-lsn 放弃肯定的阀值，超过阀值则会强制将 memtable 落盘，推动检查点。
数据字典与 DDL
X-Engine 作为一个数据库引擎有本人独立的字典，InnoDB 也有本人的字典，两份字典在一个零碎外面必定会存在问题。为了解决问题，这里有两种思路，一是 X -Engine 依然保留本人的数据字典，在做 DDL 时，通过 2PC 事务来保障一致性，这带来的问题是须要有协调者。个别状况下，MySQL 的协调者是 binlog 日志，在 binlog 敞开时是 tclog 日志。显然，从性能和性能角度，咱们都不会强依赖 binlog 日志。咱们采纳了另外一种思路，X-Engine 不再用本身引擎存储元数据，所有元数据均通过 InnoDB 引擎长久化，X-Engine 元数据实际上是 InnoDB 字典的一份缓存，那么在做 DDL 变更时，元数据局部实际上只波及 InnoDB 引擎，通过事务能保障 DDL 的原子性。
通过元数据归一化咱们解决了元数据的原子性问题，但 X -Engine 数据和 InnoDB 元数据如何保障统一也是个问题。比方一个 DDL 操作，alter table xxx engine = xengine，这个 DDL 是将 innodb 表转为 xengine 表，因为表构造变更是 Innodb 字典批改，数据是在批改 X -Engine，是一个跨引擎事务，跨引擎事务须要通过协调者保障一致性。为了防止引入 binlog 作为协调者依赖，tclog 作为协调者没有通过大规模生产环境验证，咱们抉择了另外一种解决形式，具体来说，在波及跨引擎事务时，优先提交 X -Engine 事务，而后再提交 InnoDB 事务。对于 DDL 来说，就是“先数据，后元数据”，元数据提交了，才真正示意这个 DDL 实现。如果中途失败，则联合“提早删除”的机制，来保障垃圾数据能被最终清理掉，通过一个后台任务来周期性的比照 X -Engine 数据与 InnoDB 的字典，以 InnoDB 字典为准，联合 X -Engine 内存元信息，确认这部分数据是否有用。
CrashRecovery
X-Engine 与 InnoDB 引擎一样是 MySQL 的一个插件，X-Enigne 作为一个可选的插件，启动程序在 Innodb 之后。每个引擎在复原阶段都须要通过 redo 日志来将数据库复原到宕机前状态。在双引擎状态下，所有 redo 都在 InnoDB 中，那意味着无论是 InnoDB 引擎还是 X -Engine 引擎在读取日志复原时，都须要扫描整个 redo 日志，相当于整个复原阶段扫描了两遍 redo，这可能使得整个宕机复原过程十分长，升高了零碎的可用性。为了解决这个问题，咱们将 X -Engine 的复原阶段细分，并且调整引擎的启动程序，在 InnoDB 启动前，先实现 X -Engine 的初始化以及 Slog 等复原过程，处于复原 redo 的状态。在 InnoDB 启动时，依据类型将日志散发 X -Engine 引擎，整个流程与失常同步 redo 日志的过程统一。当 redo 日志散发结束，相当于 InnoDB 引擎和 X -Engine 引擎本身的宕机复原过程曾经实现，而后走失常 XA-Recovery 和 Post-Recovery 阶段即可，这个流程与之前保持一致。
HA
PolarDB 反对双引擎后，整个升降级流程中都会嵌套有 X -Engine 引擎的逻辑，比方在 Standby 降级为 RW 前，须要确保 X -Engine 的回放流水线实现，并将未决的事务保存起来，以便后续通过 XA_Recovery 持续推动。RW 降级为 Standby 的时候须要期待 X -Engine 写流水线回放，同时如果还残留有未决事务，须要在切换过程中将这部分未决事务遍历进去存入 Recovered_transactions_汇合供后续并发回放应用。
四 LSM-tree VS B+tree
上节咱们详细描述了基于 LSM-tree 架构的存储引擎，实现一写多读所须要的关键技术，并联合 PolarDB 双引擎介绍了一些工程实现。当初咱们跳进去看看基于 B +tree 和基于 LSM-tree 两种数据组织构造在实现技术上的比照。首先要回到一个基本点，B+tree 是原地更新，而 LSM-tree 是追加写，这带来的区别就是 B +tree 的数据视图在内存和外存一个缓存映射关系，而 LSM-tree 是一个叠加的关系。因此须要面对的技术问题也不同，B+tree 须要刷脏，须要有 double-write(在 PolarFS 反对 16k 原子写后，打消了这个限度)；LSM-tree 须要 Compaction 来回收历史版本。在一写多读的模式下面临的问题也不一样，比方，B+tree 引擎复制是单 redo 日志流，LSM-tree 引擎是双日志流；B+tree 在解决并行回放时，能够做到更细粒度的页级并发，然而须要解决 SMO(SplitMergeOperation)问题，防止读节点读到“过来页”或是“将来页”。而 LSM-tree 是事务级别的并发，为了保障 RW 和 RO 节点“内存 + 磁盘”的一致性视图，须要 RW 和 RO 在雷同的位点做 Switch Memtable。下表以 InnoDB 引擎和 X -Engine 引擎为例，列出了一些要害的区别点。
五 LSM-tree 引擎业内倒退情况
目前业内 LSM-tree 类型引擎比拟热的是 Rocksdb，它的次要利用场景是作为一个 KeyValue 引擎应用。Facebook 将 Rocksdb 引擎引入到了他们的 MySQL8.0 分支，相似于 X -Engine 之于 AliSQL，次要服务于他们的用户数据库 UDB 业务，存储用户数据和音讯数据，采纳的依然是基于 binlog 的主备复制构造，目前没有看到有做存储计算拆散，以及一写多读的事件。另外，github 上有一个 rocksdb-cloud 我的项目，将 rocksdb 作为底座，架在 AWS 等云服务上提供 NoSQL 接口服务，相当于做了存储计算拆散，但并不反对物理复制和一写多读。在数据库畛域，阿里巴巴的 Oceanbase 和谷歌的 Spanner 的底层存储引擎都是基于 LSM-tree 构造，这显示了 LSM-tree 作为数据库引擎的可行性，这两个数据库都是基于 Share-Nothing 的架构。基于 Share-Storage 的数据库，到目前为止还没有成熟的产品，PolarDB(X-Engine)是业内第一个基于 LSM-tree 构造的实现的一写多读计划，对于后来者有很好的借鉴意义，LSM-tree 这种构造人造将内存和磁盘存储拆散，咱们充分利用了磁盘存储只读的特点，通过压缩将其老本劣势施展进去，联合一写多读的能力，将老本劣势施展到极致。
六 性能测试
基于 X -Engine 引擎实现一写多读能力后，咱们采纳基准测试工具 sysbench 对性能做了摸底，次要比照了 RDS(X-Engine)，PolarDB(X-Engine)以及 PolarDB(InnoDB)的性能。
1 测试环境
测试的 client 和数据库 server 均从阿里云官网购买。client 采纳 ecs，规格是 ecs.c7.8xlarge(32core,64G)，测试 sysbench 版本是 sysbench-1.0.20，测试的数据库 server 包含 RDS(X-Engine)，PolarDB(X-Engine)，PolarDB(InnoDB)均采纳 8core32G 规格，配置文件采纳线上默认的配置。测试场景笼罩了全内存态和 IO-bound 的几种典型的 workload。测试表数目是 250 张表，全内存态单表行数为 25000 行，IO-bound 的表行数为 300 万行。
2 测试后果
RDS VS PolarDB
下面左图是小表全内存场景，右图是大表 io-bound 场景。PolarDB(X-Engine)相比 RDS(X-Engine)次要是写入门路产生了变动，最外围的区别是 RDS 主备架构依赖 binlog 做复制，而 PolarDB 状态只须要 redo 日志即可。PolarDB 状态的写相干 workload 的性能相比 RDS 状态，无论在全内存态，还是 IO-bound 场景，都有很大的性能晋升。
B+tree VS LSM-tree
上图是小表全内存场景，下图是大表 io-bound 场景。PolarDB 状态下，X-Engine 引擎绝对于 InnoDB 引擎还有差距，这个差距次要来源于 range 查问，另外更新场景导致的多版本，也会导致更新时须要做 range 查问，这些因素导致了读写相干的 workload，InnoDB 引擎比 X -Engine 体现更优良。同时咱们能够看到，在 IO-bound 场景，X-Engine 引擎写入更有劣势。
七 将来瞻望
PolarDB(X-Engine)解决方案很好解决了用户的归档存储问题，但目前来看还不够彻底。第一，技术上尽管 PolarDB 反对了双引擎，但咱们还没有充沛将两个引擎联合起来。一个可行的思路是在线归档一体化，用户的在线数据采纳默认的引擎 InnoDB，通过设定肯定的规定，PolarDB 外部主动将局部历史数据进行归档并转换为 X -Engine 引擎存储，整个过程对用户通明。第二，目前的存储都落在 PolarDB 的高性能存储 PolarStore 上，为了进一步降低成本，X-Engine 引擎能够将局部冷数据存储在 OSS 上，这个对于分层存储是十分敌对和天然的。实际上，基于 LSM-tree 的存储引擎有很强的可塑性，咱们目前的工作只是充分发挥了存储劣势，将来还能够对内存中数据结构进行进一步摸索，比方做内存数据库等都是能够摸索的方向。
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