日前，Distributed Cloud|2021 寰球分布式云大会·上海站隆重召开。腾讯云凭借其信息技术零碎的平安可控性和前沿技术的创新性，在一众企业中怀才不遇，荣获“分布式数据库翻新技术奖”。这是继腾讯云数据库 TDSQL 获第四届中国保险大数据分析与人工智能翻新国内峰会年度“保险创新者大奖”之后再次获评。

在云原生专题论坛上，腾讯云数据库产品专家梁文灿学生就腾讯云企业级分布式数据库 TDSQL 生态倒退策略、落地利用案例做出了具体介绍。同时腾讯云数据库专家工程师张远学生 对云原生数据库 TDSQL- C 的内核关键技术进行了深刻解读。

TDSQL- C 基于全新计算存储拆散的分布式数据库架构，交融传统数据库和云计算技术劣势，100% 兼容 MySQL 和 PostgreSQL，极致计算能力冲破千核，存储容量达 PB 级别，使得性能和安全性媲美商用数据库。并且 TDSQL- C 反对集群和 Serverless 灵便弹性部署，克服传统架构下的存储量受限、扩大难、主从提早低等毛病，充沛开释当先技术的老本效益，最高可为企业节俭 90% 的老本。

上面带来腾讯云数据库专家工程师张远老师主题为《腾讯云 TDSQL- C 云原生数据库技术》的文字版。

TDSQL-C 简介

张远介绍说，TDSQL- C 是腾讯云自研的新一代企业级云原生分布式数据库，通过五年的打磨，在总体架构上，TDSQL- C 是基于共享存储的存储和计算拆散的架构。

与传统的 MySQL 主备架构比照，能够看到传统的 MySQL 主备通过 binlog 进行逻辑复制，而 TDSQL- C 是通过 redo 日志进行的物理复制；传统的 MySQL 须要向存储写多份数据包含 data，binlog，redo log 等，而 TDSQL- C 只需向存储写一份 redo 日志即可；传统的 MySQL 主备各存储一份数据，而 TDSQL- C 基于共享存储只有一份数据。

TDSQL- C 具备以下几个要害的个性：

（1）可靠性。TDSQL- C 基于共享存储的云原生架构，存储是多正本的，可能保证数据可靠性。同时可能做到即时回滚，任意工夫数据都牢靠。

（2）极致性能。腾讯云对主备机读写性能做了全面优化，同时也依据不同规格做针对性优化。

（3）可用性。TDSQL- C 能够做到秒级的 RTO，故障简直无感知，同时主备提早能够做到毫秒级。此外，基于共享内存，数据可能疾速复原、疾速预热。

（4）弹性扩大。数据可能疾速通明拓展，而且容量最大能够达到 1PB，满足大的需要。

TDSQL-C 内核关键技术

张远演讲的第二局部围绕要害个性开展，具体介绍了 TDSQL- C 个性背地的技术原理和细节。

1、TDSQL- C 之高性能

（1）TDSQL-C 高性能 -plan cache

TDSQL-C 高性能的一个重要优化是实现了查问打算缓存，称之为 plan cache。

图中展现了一条 SQL 在数据库中的执行过程，会通过以下几个阶段：

首先 MySQL server 承受到用户的 SQL 申请，在 parse 阶段解析为逻辑的执行打算树，接下来在查问优化阶段生成物理的查问打算，而后执行器从存储引擎获取数据进行计算。

通过 plan cache 优化后，一条 SQL 执行过程省略了后面的解析和查问优化阶段，SQL 的执行工夫大大缩短了。

优化成果以 sysbench 场景为例，不同色彩代表不同阶段的耗时，能够看到通过 plan cache 优化后，parse 和查问优化工夫缩小了，性能晋升了 70% 左右。

（2）TDSQL- C 高性能 - 异步组提交

TDSQL- C 是计算和存储拆散的架构，因而计算节点和存储节点之间的网络 IO 存在肯定时延。而写事务提交时须要保障 redo 先刷盘能力实现提交，因而 Redo 日志刷盘存在网络 IO。TDSQL- C 在线程池的根底上进行了异步组提交优化，事务提交交给后盾线程异步实现，将线程池资源提前开释从而可能去解决更多的申请。优化后整体的读写事务 QPS 有 70% 的晋升。

（3）TDSQL-C 高性能 -Log Compaction

TDSQL- C 是基于日志的数据库，计算机节点和存储节点之间有日志的传输，同时 Master 节点和 TXStore 存储之间也有 redo 日志传输，TDSQL- C 将 redo 日志进行了压缩。

下图是 redo 日志的构造，一条一般的 redo 日志包含日志头和日志内容，日志头次要包含日志类型以及 Space ID 和 pageno 等信息。通常状况下日志头占了日志的较大一部分。TDSQL- C 对 redo 日志进行压缩存储，对于同一页面进行批改的多条 redo 日志能够共享一个日志头。优化后 redo 日志量减少了 30%。

2、TDSQL- C 之高可用

（1）TDSQL-C 高可用 - 物理复制

传统的 MySQL 的是通过 binlog 进行复制的。Binlog 复制是在 MySQL server 层进行的，binlog 记录的是逻辑的批改记录，binlog 在备库 apply 须要通过 server 层的 parser,optimizer 后再通过 engine 的 btree 查找能力批改到对应的记录。这个门路比拟长，复制速度慢。

而腾讯云 TDSQL- C 采纳的是 redo 物理复制。Redo 日志记录的是页面物理批改记录，redo 复制是在 engine 层进行的，备库 apply redo 日志不须要查找就能够间接定位到页面，在内存中实现页面的批改，因而复制速度快。

更重要的一点是，TDSQL- C 是基于共享存储的，主备数据物理上是统一的，而 binlog 复制只能保障逻辑统一。

（2）TDSQL-C 高可用 - 备库提早优化

TDSQL- C 高可用另一个优化是备库提早优化，TDSQL- C 最多反对 16 个备库提供读服务，备库提早能够达到毫秒级别。其中一个优化就是备库读写 IO 抵触优化。TDSQL- C 备库是提供读服务的，同时备库也会 apply 主库传来的 redo 日志。

张远以场景举例说，首先用户读取 pageA，pageA 不在 buffer pool 中，那么会从 TXStore 中申请 pageA，TXStore 中申请 pageA 就存在网络和 IO 的开销。同时 redo 日志回放线程上有 log1/log2/log3 正在期待回放到 pageA 上。也就是说，用户发动的读操作可能阻塞 redo 日志回放线程，从而导致主备提早。

优化计划是将 pageA 上的 redo 日志缓存到 page 上的链表中，pageA IO 实现当前再将链表中的 redo 日志回放到 pageA 上。这样 pageA 的 IO 过程就不阻塞 redo 的回放了。

（3）TDSQL-C 高可用 - 独立 buffer pool

TDSQL-C 高可用的另一个优化是独立 buffer pool。Buffer pool 是 InnoDB 数据页的缓存。计算节点 HA 重启后，buffer pool 须要从新加载进行预热，持续时间比拟长，期间业务会受到较大影响。

TDSQL-C 将 buffer pool 从计算节点独立进去放到共享内存中，计算节点 crash 后 buffer pool 能够独立存在。这样一来，Buffer pool 不须要预热，重启工夫也缩短了。

（4）TDSQL-C 高可用 - 秒级 RTO

TDSQL- C 在基于 redo 日志的架构下，计算节点 crash recovery 不须要 apply redo，redo 的 apply 由存储节点来实现。从而 crash recovery 工夫相比传统 MySQL 要快很多。在此基础上，TDSQL- C 做了更多的优化，能够做到秒级 RTO。例如通过测试，大规格实例重启速度比较慢。

例如 buffer pool 为 500G 的大实例重启，初始化 buffer pool 耗时 23 秒，这对于用户来说是不可承受的。优化计划是并行初始化加 pag 上的 mutex 提早初始化。并行初始化是指按 InnoDB buffer pool instance 来并行初始化。而 page mutex 提早初始化，是指当 page 首次应用时才初始化，而不是在启动时全副都初始化。优化后 buffer pool 初始化速度晋升近 20 倍，而且腾讯云将这个计划也奉献给了 MySQL 官网。另外回滚段并行初始化也奉献给了 MySQL 官网。

TDSQL-C 之弹性扩大

TDSQL-C 备库能够提供读服务。为了提供更好的读服务，腾讯云做了许多读优化。Btree 一致性读优化就是其中一个。

Btree 在数据的更新过程中会产生 SMO 操作，即 btree 的决裂或合并。

如图所示，Btree 发现决裂，page B 决裂为 pageB 和 pageC。Btree 决裂时，用户查问 pageB 可能导致数据不统一甚至 crash。但主库在 Btree 产生决裂时会通过 index 锁和 page lock 的形式保障正在产生决裂的 page 不被其余用户拜访。但对于备库来说，备库通过 redo 日志不能感知 Btree 的 SMO 操作，SMO 操作所产生的日志只有页面批改的信息，redo 日志中没有 index lock 上锁信息。因而备库在 SMO 过程是没有被爱护的，备库的查问可能异样。

这里有一个可选计划就是将 SMO 操作 index lock 记录到日志中，备库解析 index lock 日志对整个 btree 加 index lock。但 index lock 会锁整个 btree 导致并发查问性能比拟差。

TDSQL- C 对此进行了优化，MySQL 的 SMO 操作是原子的，所有产生的 redo 日志都在一个 mini-transaction 中。引入新的日志类型来标记 redo 日志中 SMO 操作的边界。这样用户在查问 btree 过程遇到 page 在 SMO 操作从新扫描 btree 即可。例如用户拜访 page A 时会判断一下 page 是否在 SMO，如果 A 在，则会在 mtr start 和 end 之间则重试。

这样优化后，备库读不会被主库更新产生的 SMO 操作所阻塞。

TDSQL-C 其它个性

TDSQL-C 秒改列（instant modify column）

在官网 MySQL8.0 反对 instant add column 后，批改列类型操作便趁势成为 MySQL 中最不敌对的 DDL 类型，批改列类型既不是 inplace 的同时也须要 rebuild table。而在咱们用户实际中，批改列类型也是用户执行比拟频繁的 DDL 之一，而此操作会长工夫阻塞用户的读写申请，对业务的影响十分大。

TDSQL- C 翻新的反对了 instant modify column 性能，达到了秒级批改列的成果。

具体的实现形式是：

a. 元数据多版本化, 表元数据保留列的多个版本信息，用户只能看到的总是最新的表元数据。

b. 行记录减少版本信息对应到不同版本的表元数据上。

c. 批改列只批改元数据，批改列的过程中不批改理论的行记录。

d. 行记录读取时，老版本记录会主动转换为最新版本的记录。

e. 行记录更新时，老版本记录会自动更新为最新版本的记录。

值得注意的是，这是业界独创的计划。

TDSQL-C purge 预读

Undo 空间收缩问题是 MySQL 历史老大难问题，TDSQL- C 翻新的通过 purge 预读解决了此问题。Purge 会读取 undo page 并清理 delete mark 的记录，清理实现后会开释 undo page，从而最终开释 undo 表空间。IO bound 场景，purge 时读取 undo page 更容易呈现 remote IO。而 remote IO 时占用工夫比拟长，导致 purge 不及时 undo 日志空间收缩。

解决办法是实现 purge 预读机制：

a. 依据事务提交程序在内存中保留 undo page 的 purge 程序用于预读。

b.Purge coordinator 异步预读这些 page。

TDSQL-C 瞻望

瞻望 TDSQL- C 的将来倒退，张远示意，将来 TDSQL- C 会进一步增强查问优化的能力，比方减少新的 join 类型如 SMJ，以及在 parallel query 上做一些拓展。同时 TDSQL 在反对多写方面会进一步摸索，将来 TDSQL- C 也会向 HTAP 方向演进，TDSQL- C 会同时具备 OLTP 和 OLAP 的能力。