`Semi-sync` 复制中的`死锁`问题：当`从库`不可用时`主库`的`阻塞`行为。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

半同步复制中的死锁问题：主库阻塞行为深度剖析

大家好，今天我们来深入探讨MySQL半同步复制机制中，当从库不可用时，主库可能发生的阻塞行为以及由此产生的死锁问题。半同步复制作为增强数据一致性的重要手段，在实际应用中面临着一些挑战，理解这些挑战并掌握应对策略对于构建高可用、高可靠的MySQL系统至关重要。

半同步复制的基本原理回顾

首先，我们简单回顾一下半同步复制的工作原理。与异步复制相比，半同步复制引入了ACK机制，确保主库在提交事务之前，至少有一个从库已经接收并持久化了该事务的binlog事件。这个过程大致如下：

主库写入binlog： 主库执行事务并将binlog事件写入本地binlog文件。
主库发送binlog： 主库将binlog事件发送给配置为半同步复制的从库。
从库接收并持久化： 从库接收binlog事件，将其写入relay log，并持久化到磁盘。
从库发送ACK： 从库向主库发送一个确认（ACK）信号，表示已经成功接收并持久化了binlog事件。
主库提交事务： 主库收到至少一个从库的ACK后，才会提交事务。

如果主库在rpl_semi_sync_master_timeout时间内没有收到任何从库的ACK，主库会回退到异步复制模式，以保证业务的连续性。

主库阻塞的场景分析

半同步复制虽然提升了数据一致性，但也引入了主库阻塞的可能性。以下是几种导致主库阻塞的常见场景：

所有从库都不可用： 如果所有的半同步从库都宕机、网络中断或延迟过高，主库在等待ACK的过程中会发生阻塞。
网络拥塞： 主库和从库之间的网络出现拥塞，导致ACK信号无法及时返回主库。
从库处理能力不足： 从库的I/O性能瓶颈或SQL线程的执行延迟，导致其无法及时接收并持久化binlog事件，从而延迟ACK的发送。
从库发生死锁： 从库在应用relay log时，由于资源竞争等原因发生死锁，导致ACK无法及时返回。

死锁问题的深入剖析

我们重点关注从库发生死锁，进而导致主库阻塞的情况。这种情况比较隐蔽，需要仔细分析。

死锁的成因：

从库在应用relay log时，本质上是在重放主库的事务。如果在主库和从库上，相同的事务以不同的顺序执行，或者涉及到不同的锁，就可能导致死锁。

典型死锁场景：

假设我们有两张表 account 和 order，分别存储账户信息和订单信息。

表结构：

CREATE TABLE account (
    id INT PRIMARY KEY,
    balance DECIMAL(10, 2)
);

CREATE TABLE `order` (
    id INT PRIMARY KEY,
    account_id INT,
    amount DECIMAL(10, 2),
    FOREIGN KEY (account_id) REFERENCES account(id)
);

主库上的事务：

-- 事务1
START TRANSACTION;
UPDATE account SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
UPDATE `order` SET amount = amount + 100 WHERE account_id = 1;
COMMIT;

-- 事务2
START TRANSACTION;
UPDATE `order` SET amount = amount - 50 WHERE account_id = 2;
UPDATE account SET balance = balance + 50 WHERE id = 2;
COMMIT;

从库上的执行顺序（假设由于网络延迟等原因，事务到达从库的顺序与主库不同）：

从库先接收到事务2，再接收到事务1。
死锁发生的可能性：

假设从库上的SQL线程正在执行事务2的第一个语句 UPDATE order SET amount = amount - 50 WHERE account_id = 2;，并且已经获得了order表的锁。

此时，从库接收到事务1，并尝试执行 UPDATE account SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;。假设account表上存在其他事务的锁（例如，另一个SQL线程正在执行涉及account表的其他事务），导致事务1需要等待。

紧接着，事务1尝试执行 UPDATE order SET amount = amount + 100 WHERE account_id = 1;，由于SQL线程已经持有order表的锁，因此事务1需要等待事务2释放order表的锁。

事务2则需要等待事务1释放account表的锁，从而形成一个死锁环。

代码模拟死锁（仅为演示，实际场景更复杂）：

虽然无法直接用SQL代码完全模拟多线程环境下的死锁，但可以使用存储过程模拟类似的情况。请注意，这只是一个简化的示例，实际的死锁场景可能更加复杂。

-- 创建存储过程模拟事务1
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE simulate_transaction1()
BEGIN
    LOCK TABLE account WRITE;  -- 模拟获取account表的锁
    -- 模拟一些操作，增加延迟
    DO SLEEP(1);
    LOCK TABLE `order` WRITE; -- 尝试获取order表的锁，可能被阻塞
    UPDATE account SET balance = balance - 100 WHERE id = 1;
    UPDATE `order` SET amount = amount + 100 WHERE account_id = 1;
    UNLOCK TABLES;
END //
DELIMITER ;

-- 创建存储过程模拟事务2
DELIMITER //
CREATE PROCEDURE simulate_transaction2()
BEGIN
    LOCK TABLE `order` WRITE;  -- 模拟获取order表的锁
    -- 模拟一些操作，增加延迟
    DO SLEEP(1);
    LOCK TABLE account WRITE; -- 尝试获取account表的锁，可能被阻塞
    UPDATE `order` SET amount = amount - 50 WHERE account_id = 2;
    UPDATE account SET balance = balance + 50 WHERE id = 2;
    UNLOCK TABLES;
END //
DELIMITER ;

-- 注意：需要在不同的session中分别调用这两个存储过程，才可能模拟死锁
-- Session 1: CALL simulate_transaction1();
-- Session 2: CALL simulate_transaction2();

死锁检测：

MySQL提供了死锁检测机制，可以通过查看SHOW ENGINE INNODB STATUS;的输出来诊断死锁。该输出会包含关于死锁的信息，例如涉及的事务、锁等待关系等。

解决死锁问题的策略

解决半同步复制中的死锁问题，需要从多个方面入手：

优化SQL语句： 避免长事务，尽量将大事务拆分成小事务。优化SQL语句的执行计划，减少锁的持有时间。
调整事务隔离级别： 如果业务允许，可以考虑降低事务隔离级别，例如从REPEATABLE READ降到READ COMMITTED，以减少锁的冲突。
控制并发： 限制主库的并发写入操作，避免过多的事务同时执行。
优化从库性能： 提升从库的I/O性能和SQL线程的执行效率，减少relay log的应用延迟。可以考虑使用SSD磁盘、增加内存、优化SQL语句等手段。
监控和告警： 建立完善的监控体系，实时监控主库和从库的状态，包括复制延迟、锁等待情况等。一旦发现异常，及时发出告警，以便快速处理。
调整rpl_semi_sync_master_timeout： 根据实际情况调整rpl_semi_sync_master_timeout参数，避免主库长时间阻塞。但是，调整这个参数需要在数据一致性和可用性之间进行权衡。
避免跨库事务： 尽量避免在主库和从库上执行跨库事务，因为跨库事务更容易导致死锁。
使用innodb_lock_wait_timeout： 设置innodb_lock_wait_timeout参数，限制事务等待锁的时间。当事务等待锁的时间超过该值时，会自动回滚，从而避免死锁。
代码层面的防范： 在应用程序代码中，对数据库操作进行重试机制。当检测到死锁时，自动回滚事务并重新执行。
主从库表结构设计保持一致： 主从库的表结构、索引必须完全一致，避免因为表结构差异导致锁冲突。

应对从库不可用的策略

除了解决死锁问题，还需要制定应对从库不可用的策略，以保证系统的可用性。

自动切换到异步复制： 当所有从库都不可用时，主库会自动回退到异步复制模式。但是，这种方式会降低数据一致性。
使用多个从库： 配置多个从库，提高系统的容错能力。当一个从库不可用时，其他从库仍然可以提供ACK。
使用MGR (MySQL Group Replication)： MGR是一种基于Paxos协议的强一致性复制方案，可以提供更高的可用性和数据一致性。
手动切换： 当主库发生阻塞时，可以手动将主库切换到异步复制模式，或者将流量切换到其他可用的主库。

不同策略的比较

策略	优点	缺点	适用场景
优化SQL语句	减少锁的持有时间，降低死锁的发生概率，提高数据库性能。	需要对SQL语句进行仔细分析和优化，可能需要修改应用程序代码。	所有场景，尤其是在并发量高的场景下。
调整事务隔离级别	减少锁的冲突，提高并发性能。	可能会降低数据一致性，需要根据业务需求进行权衡。	对数据一致性要求不是特别高的场景。
控制并发	减少锁的竞争，降低死锁的发生概率。	可能会降低系统的吞吐量。	对数据一致性要求高，但并发量不高的场景。
优化从库性能	减少relay log的应用延迟，降低主库阻塞的概率。	需要投入一定的硬件和人力成本。	所有使用半同步复制的场景。
监控和告警	及时发现异常，快速处理，避免问题扩大。	需要建立完善的监控体系，并投入一定的人力进行维护。	所有场景。
调整`rpl_semi_sync_master_timeout`	避免主库长时间阻塞。	可能会降低数据一致性，需要在数据一致性和可用性之间进行权衡。	允许一定程度的数据丢失的场景。
避免跨库事务	降低死锁的发生概率。	可能需要修改应用程序代码，将跨库事务拆分成多个单库事务。	所有场景。
使用`innodb_lock_wait_timeout`	避免事务长时间等待锁，从而避免死锁。	可能会导致事务回滚，需要应用程序进行重试。	所有场景。
自动切换到异步复制	保证系统的可用性。	可能会降低数据一致性。	对可用性要求高，但允许一定程度的数据丢失的场景。
使用多个从库	提高系统的容错能力。	需要投入更多的硬件资源。	所有使用半同步复制的场景。
使用MGR	提供更高的可用性和数据一致性。	部署和维护成本较高，需要一定的专业知识。	对可用性和数据一致性要求都非常高的场景。

总结：平衡一致性与可用性，持续优化

半同步复制作为增强MySQL数据一致性的重要手段，不可避免地带来一些挑战，例如主库阻塞和死锁问题。解决这些问题需要我们深入理解半同步复制的工作原理，并结合实际场景，采取合适的策略。没有一种策略是万能的，需要在数据一致性、可用性和性能之间进行权衡。持续的监控、分析和优化是保证MySQL系统稳定运行的关键。