海量智库第7期｜Vastbase G100核心技术介绍之「并行回放」

海量数据 06-15 109

前言：

而今你们对“spsc队列”可能比较关切，大家都想要知道一些“spsc队列”的相关知识。那么小编也在网络上收集了一些关于“spsc队列””的相关资讯，希望你们能喜欢，小伙伴们一起来了解一下吧！

导语

本文针对串行回放和并行回放两种技术问题，比较开源PostgreSQL和Vastbase在实现临界区保护上的差异以及Vastbase为了提升性能而做的优化。

串行回放的问题

在PostgreSQL中Startup子进程负责从磁盘读取XLog并回放，前一条日志没回放完成的情况下无法继续处理下一条XLog。虽然XLog在写入时是按照事务发生的先后顺序，但前后之间不一定存在依赖（例如向两张不同的表中插入数据的两个事务），不难发现若两条XLog之间不存在依赖时可以同时回放，但为了提供hot standby（备机可读）功能，各事务的提交日志需要按顺序回放。

此外，在主备集群场景下，备库负责回放的只有Startup子进程，无法充分利用服务器资源，若主备间开启了同步复制，备库回放速率会影响主库吞吐率；若采用异步复制，由于主备间事务处理的性能差异，会造成主库日志堆积。为了解决串行回放的问题，Vastbase引入了并行回放机制。

并行回放逻辑架构

要实现并行回放，它需要解决以下问题：

1、造Startup线程，将回放工作进行拆分；

2、处理XLog之间存在依赖的情况。

为了解决第一个问题，Vastbase引入了PageRedoWorker线程，该线程负责回放非事务日志（例如表数据的插入和删除）；日志之间的依赖存在两种情况：

1、两个事务之间存在依赖导致XLog必须按顺序回放，例如先创建表，然后插入数据，必须先回放创建表的日志；

2、同一个事务内的顺序依赖，例如事务提交日志必须等待前面的操作回放完成。

为了简化问题，Vastbase并行回放根据日志类型选择不同线程来进行回放，备库并行回放逻辑架构图如下：

其中WalRcvWriter线程负责接受主库发送的日志并落盘，SPSC QUEUE是一个单生产者单消费者队列，用于存储Startup线程分发的XLog。

并行回放过程

并行日志回放过程如下：

1、WalRcvWriter将主库发送的XLog写入磁盘；

2、Startup子线程从磁盘读取XLog，根据XLog的类型调用不同的分发（dispatch）函数，其中：

A、非事务日志分发给PageRedoWorker线程：根据处理的数据文件选择对应的回放线程；

B、事务日志由Startup线程自身回放；分发的过程就是将XLog放入对应PageRedoWorker的SPSC队列中，若队列满了Startup线程会循环等待。

3、PageRedoWorker线程从SPSC队列中读取XLog后回放，更新本线程已经回放的XLog位置；

4、Startup线程获取所有PageRedoWorker中已经回放的XLog的最小位置，判断自身的事务日志能否回放，若可以则调用对应的回放函数；

通过保证只有一个线程（Startup）来回放事务日志避免了事务回放乱序的问题，但还有个问题：即使是同一个事务内也可能存在对同一张表多次操作的XLog（例如先做INSERT，再做DELETE），这些操作之间也可能存在依赖，为了解决这个问题，并行回放会根据表的relfilenode计算回放此日志的工作线程编号。除非对表做修改（例如truncate），不然表的relfilenode是不会发生变化，这样保证同一个表的事务日志都由同一个线程回放，也就保证了回放的先后顺序，但这带来了另外一个问题：若某张表上的操作非常频繁（例如Benchmark TPC-C场景），导致产生的XLog非常多，会使得某个工作线程非常繁忙，剩下的工作线程可能很空闲。

除此之外，还有一些特殊的DDL操作，例如创建表空间、创建数据库等，需要所有工作线程之间同步，并行回放机制回放的并不是“原始”的XLog，而是对其进行了封装，通过一些状态来标记待回放的日志是否需要同步。

并行回放结果处理

在PostgreSQL中回放操作都由Startup进程负责，当XLog回放完成（例如故障恢复场景）或收到备升主请求时回放结束，完成清理动作后最终Startup进程会退出。Vastbase中的并行回放除了Startup子线程外还有若干PageRedoWorker线程，并行回放结束阶段的逻辑稍微复杂点，需要通知参与回放的线程进行清理并退出。

回放结束时，Startup线程向所有回放工作线程发送一个“伪”XLog，回放工作线程从SPSC队列中读取到该XLog就知道回放已经结束，接下来会执行回放清理，然后设置信号量告知Startup线程自身已经处理完成。

Vastbase针对并行回放的改进与进步

通过对并行回放机制的分析不难发现存在以下问题：

1、Startup线程做的事情太多了：既要负责读取XLog，还要负责分发，还要负责回放事务日志；

2、若某张大表上的操作非常频繁，会导致某个回放工作线程非常繁忙，而其他工作线程可能很空闲；

3、Startup从磁盘读取XLog日志，IO代价过高。虽然WAL要求日志先落盘，但可以通过其他方式来保证，降低读取XLog的代价。

针对问题1，可以将Startup的现有工作拆分为两部分：读取XLog并分发、回放事务日志，Startup线程仅负责读取XLog并分发，创建新的线程负责事务日志回放；

针对问题2，可以将每个数据文件的回放进一步拆分，由多个线程回放，根据数据块编号来选择回放线程，通过增加并行度来提升回放的效率；

针对问题3，可以在XLog落盘后从WAL接收缓冲区中读取，避免从磁盘读取。

上述优化措施正是Vastbase中极致RTO机制针对并行回放中存在的问题做出的改进。

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