MySQL前沿技术与新特性之：`MySQL 8.0`的`Instant DDL`：其在非阻塞`DDL`操作中的实现。

MySQL 8.0 Instant DDL：非阻塞DDL的革命

各位朋友，大家好！今天我们来聊聊MySQL 8.0中一项非常重要的改进：Instant DDL。在数据库管理的日常工作中，DDL（Data Definition Language）操作，比如添加索引、修改列类型等，是不可避免的。但在传统MySQL版本中，这些操作往往会阻塞其他的DML（Data Manipulation Language）操作，导致服务中断或性能下降，尤其是在大型数据库中。而Instant DDL的出现，正是为了解决这一痛点，它允许我们以几乎零停机的方式进行DDL变更。

传统DDL的困境：阻塞与性能

在MySQL 8.0之前的版本中，大部分DDL操作的执行流程大致如下：

1. 创建临时表： MySQL会创建一个与原表结构类似的新临时表。
2. 复制数据： 将原表中的所有数据复制到临时表中。
3. 执行DDL操作： 在临时表上执行请求的DDL操作。
4. 重命名表： 将原表重命名为临时表，并将临时表重命名为原表名。
5. 清理旧表： 删除临时表。

这个过程需要锁定整个表，防止数据不一致。这意味着在DDL执行期间，所有对该表的DML操作，如INSERT、UPDATE、DELETE，都会被阻塞，直到DDL操作完成。对于大型表来说，数据复制可能需要很长时间，导致长时间的服务中断。

此外，即使是Online DDL，虽然允许在DDL执行期间进行DML操作，但仍然会对性能产生影响。Online DDL通过行锁和日志记录的方式来保证数据一致性，但仍然需要消耗大量的资源，例如IO和CPU。

下面是一个简单的例子，展示了传统DDL的阻塞行为：

-- 创建一个测试表
CREATE TABLE test_table (
    id INT PRIMARY KEY,
    data VARCHAR(255)
);

-- 插入一些数据
INSERT INTO test_table VALUES (1, 'value1'), (2, 'value2'), (3, 'value3');

-- 开启一个会话，执行一个ALTER TABLE语句，添加索引
-- 注意：这个ALTER TABLE语句在MySQL 8.0之前的版本中会阻塞DML操作
ALTER TABLE test_table ADD INDEX idx_data (data);

-- 在另一个会话中，尝试插入数据
INSERT INTO test_table VALUES (4, 'value4'); -- 这个语句会被阻塞，直到ALTER TABLE完成

Instant DDL：原理与优势

Instant DDL的核心思想是：只修改元数据，而不实际复制数据。这意味着DDL操作可以在瞬间完成，几乎不会对其他操作产生任何影响。

具体来说，Instant DDL主要依赖以下几个技术：

• 元数据操作： Instant DDL只修改数据字典中的元数据信息，例如索引定义、列的默认值等。这些操作非常快速，几乎可以忽略不计。
• 存储引擎支持： Instant DDL需要存储引擎的支持。目前，InnoDB存储引擎支持大部分Instant DDL操作。
• 限制： Instant DDL并非适用于所有DDL操作。它有一些限制，例如不能改变列的数据类型、不能删除列等。

Instant DDL的主要优势如下：

• 零停机： 由于DDL操作可以在瞬间完成，因此几乎不会对其他操作产生任何影响，从而实现零停机。
• 性能提升： Instant DDL避免了数据复制，大大提高了DDL操作的性能。
• 资源节省： Instant DDL减少了IO和CPU的消耗，从而节省了服务器资源。

Instant DDL支持的操作类型

并非所有的DDL操作都可以使用Instant DDL。以下是一些常见的Instant DDL操作：

操作类型	说明
添加索引 (ADD INDEX)	在表上添加新的索引。这是最常见的Instant DDL应用场景。
删除二级索引 (DROP INDEX)	删除表上的二级索引。
更改列的默认值 (ALTER COLUMN DEFAULT)	更改列的默认值。注意，这只影响后续插入的数据，不会修改现有数据。
重命名表 (RENAME TABLE)	重命名表。
修改ENUM/SET类型的成员	可以向ENUM或SET类型中添加新成员。

注意： 主键的添加和删除通常不是Instant DDL，因为主键的变更会影响数据的物理存储结构。 删除列也不是Instant DDL。

Instant DDL的示例与实践

下面我们来看几个Instant DDL的示例：

1. 添加索引：

-- 使用Instant DDL添加索引
ALTER TABLE test_table ADD INDEX idx_data (data) ALGORITHM=INSTANT;

在这个例子中，ALGORITHM=INSTANT 指示MySQL使用Instant DDL算法。如果没有指定ALGORITHM，MySQL会根据情况选择最优的算法。可以使用SHOW WARNINGS查看MySQL实际使用的算法。

SHOW WARNINGS;

2. 删除二级索引：

-- 使用Instant DDL删除索引
ALTER TABLE test_table DROP INDEX idx_data, ALGORITHM=INSTANT;

3. 更改列的默认值：

-- 使用Instant DDL更改列的默认值
ALTER TABLE test_table ALTER COLUMN data SET DEFAULT 'default_value', ALGORITHM=INSTANT;

4. 重命名表：

-- 使用Instant DDL重命名表
RENAME TABLE test_table TO new_test_table, ALGORITHM=INSTANT;

如何判断是否使用了Instant DDL？

除了使用SHOW WARNINGS之外，还可以通过查看INFORMATION_SCHEMA.INNODB_INDEXES 表来判断是否使用了Instant DDL。Instant DDL操作会立即更新这个表中的信息。

性能测试：

为了更直观地了解Instant DDL的性能优势，我们可以进行一些简单的性能测试。

-- 创建一个大型测试表
CREATE TABLE large_table (
    id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
    data VARCHAR(255),
    created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
);

-- 插入大量数据
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE insert_data(num INT)
BEGIN
  DECLARE i INT DEFAULT 1;
  WHILE i <= num DO
    INSERT INTO large_table (data) VALUES (CONCAT('value', i));
    SET i = i + 1;
  END WHILE;
END //
DELIMITER ;

CALL insert_data(1000000); -- 插入100万条数据

然后，分别使用传统DDL和Instant DDL添加索引，并记录执行时间：

-- 传统DDL
SET @start_time = NOW();
ALTER TABLE large_table ADD INDEX idx_data (data);
SET @end_time = NOW();
SELECT TIMEDIFF(@end_time, @start_time) AS execution_time;

-- 清除索引
ALTER TABLE large_table DROP INDEX idx_data;

-- Instant DDL
SET @start_time = NOW();
ALTER TABLE large_table ADD INDEX idx_data (data) ALGORITHM=INSTANT;
SET @end_time = NOW();
SELECT TIMEDIFF(@end_time, @start_time) AS execution_time;

通过对比执行时间，可以明显看到Instant DDL在性能上的优势。

Online DDL的限制与选择：

虽然Instant DDL非常高效，但并非所有场景都适用。例如，修改列的数据类型、删除列等操作仍然需要使用Online DDL。

在选择DDL算法时，可以考虑以下因素：

• 表的大小： 对于大型表，Instant DDL的优势更加明显。
• DDL操作类型： 只有支持Instant DDL的操作才能使用它。
• 并发性要求： 如果对并发性要求很高，Instant DDL是更好的选择。

Instant DDL的局限性与替代方案

虽然Instant DDL带来了显著的性能提升和可用性，但它也存在一些局限性：

1. 操作限制： 如前所述，Instant DDL并非支持所有类型的DDL操作。例如，更改列的数据类型、删除列、添加或删除主键等操作通常不能使用Instant DDL。

2. 存储引擎依赖： Instant DDL主要依赖于InnoDB存储引擎。其他存储引擎可能不支持Instant DDL。

3. 版本限制： Instant DDL是MySQL 8.0引入的新特性，因此只能在MySQL 8.0及以上版本中使用。

如果需要执行不支持Instant DDL的操作，可以考虑以下替代方案：

• Online DDL： Online DDL虽然会对性能产生一定影响，但可以在DDL执行期间允许DML操作。
• pt-online-schema-change： 这是Percona Toolkit中的一个工具，可以在线执行schema变更，避免长时间的表锁定。它通过创建影子表、复制数据、应用变更、切换表等步骤来实现。
• 手动操作： 在某些情况下，可以通过手动操作来完成DDL变更，例如，先创建一个新表，然后将数据迁移到新表，最后删除旧表。这种方法需要更多的规划和管理，但可以提供更大的灵活性。
• 逻辑复制： 使用逻辑复制工具（如Debezium, Canal）将数据复制到新结构的表中，然后切换应用程序指向新表。

Instant DDL与锁

Instant DDL的一个关键优点是它避免了传统DDL操作中的表锁定。但是，这并不意味着Instant DDL完全不需要任何锁。

• 元数据锁（Metadata Lock）： Instant DDL仍然需要获取元数据锁来修改数据字典中的元数据信息。但是，这些锁非常轻量级，通常只需要很短的时间。
• 共享锁（Shared Lock）： 在某些情况下，Instant DDL可能需要获取共享锁来保证数据一致性。例如，在添加索引时，MySQL需要确保在DDL操作期间没有其他会话修改表结构。

总的来说，Instant DDL使用的锁非常轻量级，不会像传统DDL那样阻塞其他的DML操作。这使得我们可以在生产环境中安全地执行DDL变更，而无需担心服务中断。

Instant DDL的未来发展趋势

随着MySQL的不断发展，Instant DDL也在不断改进和完善。未来，我们可以期待以下发展趋势：

• 支持更多操作类型： 未来，MySQL可能会扩展Instant DDL的支持范围，使其能够处理更多的DDL操作。
• 性能优化： MySQL可能会进一步优化Instant DDL的性能，使其更加高效。
• 与其他特性的集成： MySQL可能会将Instant DDL与其他特性集成，例如，与并行查询集成，以提高查询性能。

Instant DDL的应用场景

Instant DDL在许多场景中都非常有用，以下是一些常见的应用场景：

• 在线添加索引： 这是Instant DDL最常见的应用场景。通过使用Instant DDL，可以在生产环境中在线添加索引，而无需担心服务中断。
• 快速回滚： 如果在执行DDL操作后发现问题，可以使用Instant DDL快速回滚，恢复到之前的状态。
• 自动化部署： 可以将Instant DDL集成到自动化部署流程中，实现自动化的数据库schema变更。
• 云原生环境： 在云原生环境中，数据库的可用性非常重要。Instant DDL可以帮助我们实现零停机的数据库变更，从而提高系统的可用性。

代码示例：利用pt-online-schema-change进行非Instant DDL变更

虽然Instant DDL非常方便，但对于不支持Instant DDL的操作，pt-online-schema-change是一个强大的替代方案。 以下是使用pt-online-schema-change修改列类型的示例：

前提条件：

• 安装Percona Toolkit (apt-get install percona-toolkit on Debian/Ubuntu)
• MySQL需要有SUPER权限的用户。

步骤：

1. 创建测试表 (如果不存在):

   CREATE TABLE my_table (
       id INT PRIMARY KEY,
       name VARCHAR(50)
   );
   
   INSERT INTO my_table VALUES (1, 'original');

2. 执行 pt-online-schema-change 命令:

   pt-online-schema-change --alter "MODIFY COLUMN name VARCHAR(100)" --execute --user=your_user --password=your_password --host=your_host --port=your_port --socket=/path/to/mysql.sock D=your_database,t=my_table

   • --alter: 指定要执行的ALTER TABLE语句。
   • --execute: 实际执行变更。 如果不加此参数，仅会进行dry-run，打印SQL语句，不会真正执行。
   • --user, --password, --host, --port, --socket: MySQL连接参数。 替换为你的实际值。
   • D=your_database,t=my_table: 指定数据库和表名. 替换为你的实际值。

执行过程：

pt-online-schema-change 会执行以下步骤：

1. 创建一个与原表结构相同的影子表 (_my_table_new).
2. 在影子表上执行 ALTER TABLE 语句 (例如, MODIFY COLUMN name VARCHAR(100)).
3. 创建一个触发器来捕获原表上的 DML 操作.
4. 将原表的数据复制到影子表.
5. 应用触发器捕获的变更到影子表.
6. 交换原表和影子表.
7. 删除原表.

重要注意事项：

• 监控： 运行 pt-online-schema-change 时，密切监控MySQL服务器的性能。
• 权限： 确保用户具有足够的权限执行所有必要的操作。
• 测试： 在生产环境之前，在测试环境中彻底测试该工具。
• 错误处理: 如果命令执行失败，仔细查看错误信息。 触发器可能因为权限问题创建失败， 复制数据可能因为网络问题中断。

Instant DDL带来的思考

Instant DDL的出现，不仅仅是一项技术上的改进，更是一种数据库设计理念的转变。它鼓励我们更加灵活地进行数据库schema变更，而无需担心服务中断。这对于快速迭代的互联网应用来说，非常重要。

总而言之， Instant DDL是MySQL 8.0中一项非常重要的改进，它通过只修改元数据而不实际复制数据的方式，实现了非阻塞的DDL操作。这大大提高了DDL操作的性能，减少了服务中断的风险，从而提高了系统的可用性。虽然Instant DDL并非适用于所有DDL操作，但它仍然是我们在生产环境中进行数据库schema变更的首选方案。 当遇到Instant DDL无法满足的需求时，可以选择使用pt-online-schema-change等工具。

快速高效的DDL：元数据修改的艺术

Instant DDL通过只修改元数据的方式实现了快速的DDL操作，极大地提升了数据库的可用性和开发效率。掌握Instant DDL及其局限性，结合其他工具，可以让我们更好地管理数据库schema变更。