MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`Online DDL`：其在`ALGORITHM=INSTANT`和`INPLACE`中的实现。

MySQL InnoDB Online DDL：ALGORITHM=INSTANT 与 ALGORITHM=INPLACE 的深度解析

大家好！今天我们来深入探讨 MySQL InnoDB 存储引擎中的 Online DDL（在线数据定义语言），重点关注 ALGORITHM=INSTANT 和 ALGORITHM=INPLACE 这两种实现方式。Online DDL 允许我们在执行诸如添加索引、修改列类型等结构变更操作时，最大程度地减少对业务的影响，避免长时间的锁表和停机。

1. 什么是 Online DDL？

在早期的 MySQL 版本中，执行 DDL 操作往往需要长时间锁定整个表，导致业务无法正常访问。Online DDL 的目标就是在执行 DDL 操作时，尽可能地减少锁定的时间和范围，甚至完全避免锁定，从而实现“在线”变更。

Online DDL 的核心思想是：在执行 DDL 操作的同时，允许并发的读写操作。具体实现方式取决于所使用的算法。InnoDB 提供了多种 Online DDL 算法，包括 COPY、INPLACE 和 INSTANT。

2. Online DDL 的算法选择

在执行 ALTER TABLE 语句时，可以使用 ALGORITHM 子句来指定使用的 DDL 算法。如果没有指定，MySQL 会根据情况选择一个合适的算法。

• ALGORITHM=COPY: 这是最原始的方式，它会在一个新的临时表中复制所有数据，执行 DDL 操作，然后将旧表替换为新表。期间会长时间锁表，影响业务。
• ALGORITHM=INPLACE: 它尝试在原始表上直接修改数据结构，而无需复制数据。但并非所有 DDL 操作都支持 INPLACE 算法，而且在执行期间可能会短暂锁定表。
• ALGORITHM=INSTANT: 这是最先进的算法，它几乎可以瞬间完成 DDL 操作，无需复制数据，也无需锁定表。但 INSTANT 算法的适用范围有限，仅支持某些特定的 DDL 操作。

3. ALGORITHM=INSTANT：瞬间完成的魔法

ALGORITHM=INSTANT 是最理想的 Online DDL 算法。它通过修改数据字典中的元数据来实现 DDL 操作，而无需实际修改表中的数据。这使得 DDL 操作几乎可以在瞬间完成。

3.1 INSTANT 算法的原理

INSTANT 算法的核心原理是：

• 元数据变更： 只修改数据字典中关于表的结构信息，例如列的名称、类型、顺序等。
• 延迟生效： 实际的数据变更（例如，添加新列的默认值）会在后续的读写操作中逐步应用。

3.2 INSTANT 算法的适用场景

INSTANT 算法并非适用于所有 DDL 操作。它主要适用于以下场景：

• 添加仅追加的列 (Add column only at the end of table): 这是 INSTANT 算法最常见的应用场景。添加一个允许 NULL 值的列，并且该列没有默认值。
• 删除列 (Drop column)：删除列实际上只是标记该列为已删除，而不会立即从磁盘上移除数据。
• 重命名表 (Rename table)：重命名表只是修改数据字典中的表名，而不会移动数据。
• 修改表注释 (Modify table comment)：修改表注释只修改元数据。

3.3 INSTANT 算法的限制

INSTANT 算法有一些限制：

• 仅适用于特定的 DDL 操作： 如上所述，INSTANT 算法只适用于添加仅追加的列、删除列、重命名表和修改表注释等操作。
• 不适用于所有数据类型： 某些数据类型可能不支持 INSTANT 算法。
• 可能需要额外的存储空间： 删除列并不会立即释放磁盘空间，可能会导致表文件越来越大。

3.4 INSTANT 算法的示例

以下是一些使用 ALGORITHM=INSTANT 的示例：

-- 添加一个允许 NULL 值的列，并且该列没有默认值
ALTER TABLE `users` ADD COLUMN `created_at` TIMESTAMP NULL DEFAULT NULL, ALGORITHM=INSTANT;

-- 删除列
ALTER TABLE `users` DROP COLUMN `old_column`, ALGORITHM=INSTANT;

-- 重命名表
ALTER TABLE `users` RENAME TO `user_accounts`, ALGORITHM=INSTANT;

-- 修改表注释
ALTER TABLE `users` COMMENT='用户信息表', ALGORITHM=INSTANT;

3.5 INSTANT 算法的底层实现

INSTANT 算法的底层实现主要涉及以下几个步骤：

1. 解析 SQL 语句： MySQL 服务器解析 ALTER TABLE 语句，并确定是否可以使用 INSTANT 算法。
2. 修改数据字典： 如果可以使用 INSTANT 算法，MySQL 服务器会修改数据字典中的元数据，例如添加新列的定义、删除列的定义等。
3. 提交事务： 修改数据字典的操作会被提交到一个事务中，以确保原子性。
4. 完成 DDL 操作： DDL 操作完成后，MySQL 服务器会通知客户端。

4. ALGORITHM=INPLACE：原地修改的策略

ALGORITHM=INPLACE 算法尝试在原始表上直接修改数据结构，而无需复制数据。相比于 COPY 算法，INPLACE 算法可以大大减少 DDL 操作的时间和资源消耗。

4.1 INPLACE 算法的原理

INPLACE 算法的核心原理是：

• 原地修改： 直接在原始表的数据文件中修改数据结构。
• 锁表时间： 在执行 DDL 操作期间，可能会短暂锁定表，以防止数据不一致。
• 版本控制： 为了支持并发的读写操作，INPLACE 算法通常会使用版本控制机制，例如 MVCC（多版本并发控制）。

4.2 INPLACE 算法的适用场景

INPLACE 算法适用于以下场景：

• 添加索引 (Add Index)： 添加索引通常不需要复制数据，可以在原始表上直接创建索引。
• 修改列类型 (Modify Column Type)： 修改列类型可能需要修改数据，但可以在原始表上直接进行。
• 优化表 (Optimize Table)： 优化表可以整理数据碎片，提高查询性能。

4.3 INPLACE 算法的限制

INPLACE 算法也有一些限制：

• 并非所有 DDL 操作都支持： 某些 DDL 操作，例如修改主键，可能不支持 INPLACE 算法。
• 可能会短暂锁定表： 在执行 DDL 操作期间，可能会短暂锁定表，影响并发性能。
• 可能会占用额外的磁盘空间： 在执行 DDL 操作期间，可能会创建临时文件，占用额外的磁盘空间。

4.4 INPLACE 算法的示例

以下是一些使用 ALGORITHM=INPLACE 的示例：

-- 添加索引
ALTER TABLE `users` ADD INDEX `idx_email` (`email`), ALGORITHM=INPLACE;

-- 修改列类型
ALTER TABLE `users` MODIFY COLUMN `age` INT UNSIGNED, ALGORITHM=INPLACE;

-- 优化表
OPTIMIZE TABLE `users`, ALGORITHM=INPLACE;

4.5 INPLACE 算法的底层实现

INPLACE 算法的底层实现比较复杂，主要涉及以下几个步骤：

1. 解析 SQL 语句： MySQL 服务器解析 ALTER TABLE 语句，并确定是否可以使用 INPLACE 算法。
2. 创建临时文件： 在执行 DDL 操作之前，MySQL 服务器可能会创建一个临时文件，用于存储中间数据。
3. 锁定表： 在执行 DDL 操作期间，MySQL 服务器可能会短暂锁定表，以防止数据不一致。锁的类型和持续时间取决于具体的 DDL 操作。
4. 修改数据结构： MySQL 服务器会修改表的数据结构，例如添加索引、修改列类型等。
5. 更新数据： 如果 DDL 操作涉及到数据变更，MySQL 服务器会更新表中的数据。
6. 提交事务： 修改数据结构和更新数据的操作会被提交到一个事务中，以确保原子性。
7. 删除临时文件： DDL 操作完成后，MySQL 服务器会删除临时文件。

5. INSTANT 与 INPLACE 的比较

特性	ALGORITHM=INSTANT	ALGORITHM=INPLACE
速度	极快	较快
锁表时间	无	短暂
适用范围	有限	较广
数据复制	无	无
资源消耗	低	较高
是否支持回滚	支持	支持

6. 如何选择合适的 Online DDL 算法？

选择合适的 Online DDL 算法需要综合考虑以下因素：

• DDL 操作类型： 不同的 DDL 操作支持的算法不同。
• 表的大小： 对于大型表，INPLACE 算法可能比 COPY 算法更有效率。
• 并发性能要求： 如果对并发性能要求较高，应尽量选择 INSTANT 算法。
• MySQL 版本： 不同的 MySQL 版本支持的 Online DDL 算法和功能有所不同。

在实际应用中，建议优先尝试 INSTANT 算法，如果不支持，再考虑 INPLACE 算法。如果 INPLACE 算法仍然无法满足需求，最后才考虑 COPY 算法。

7. 代码示例：模拟 Online DDL 的影响

为了更好地理解 Online DDL 的影响，我们可以通过代码来模拟不同的 DDL 算法对并发读写操作的影响。

import threading
import time
import mysql.connector

# 数据库连接配置
config = {
    'user': 'your_user',
    'password': 'your_password',
    'host': 'your_host',
    'database': 'your_database',
    'raise_on_warnings': True
}

# 创建测试表
def create_table():
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        cursor.execute("""
            CREATE TABLE IF NOT EXISTS `test_table` (
                `id` INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
                `name` VARCHAR(255)
            )
        """)

        cnx.commit()
        cursor.close()
        cnx.close()
        print("Table created successfully.")
    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"Failed to create table: {err}")

# 写入数据的线程
def write_data(stop_event):
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        while not stop_event.is_set():
            try:
                cursor.execute("INSERT INTO `test_table` (`name`) VALUES ('Test Data')")
                cnx.commit()
                print("Write successful")
            except mysql.connector.Error as err:
                print(f"Write failed: {err}")
                cnx.rollback()
            time.sleep(0.1)  # 模拟写入间隔

        cursor.close()
        cnx.close()
        print("Write thread stopped.")
    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"Write thread connection failed: {err}")

# 读取数据的线程
def read_data(stop_event):
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        while not stop_event.is_set():
            try:
                cursor.execute("SELECT COUNT(*) FROM `test_table`")
                result = cursor.fetchone()
                print(f"Read count: {result[0]}")
            except mysql.connector.Error as err:
                print(f"Read failed: {err}")
            time.sleep(0.2)  # 模拟读取间隔

        cursor.close()
        cnx.close()
        print("Read thread stopped.")
    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"Read thread connection failed: {err}")

# 执行 Online DDL 的函数
def execute_online_ddl(algorithm):
    try:
        cnx = mysql.connector.connect(**config)
        cursor = cnx.cursor()

        # 模拟执行 ALTER TABLE 语句
        sql = f"ALTER TABLE `test_table` ADD COLUMN `new_column` VARCHAR(255) NULL DEFAULT NULL, ALGORITHM={algorithm}"
        print(f"Executing DDL with algorithm: {algorithm}")
        cursor.execute(sql)
        cnx.commit()
        print(f"DDL executed successfully with algorithm: {algorithm}")

        cursor.close()
        cnx.close()
    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"DDL failed: {err}")

# 主函数
def main():
    create_table()  # 创建测试表

    stop_event = threading.Event()

    # 启动读写线程
    write_thread = threading.Thread(target=write_data, args=(stop_event,))
    read_thread = threading.Thread(target=read_data, args=(stop_event,))

    write_thread.start()
    read_thread.start()

    time.sleep(5)  # 让读写线程运行一段时间

    # 执行 Online DDL
    execute_online_ddl(algorithm='INSTANT') # or 'INPLACE'

    time.sleep(5)  # 让读写线程继续运行一段时间

    # 停止读写线程
    stop_event.set()
    write_thread.join()
    read_thread.join()

if __name__ == "__main__":
    main()

注意:

• 需要安装 mysql-connector-python 库: pip install mysql-connector-python
• 替换 your_user, your_password, your_host, your_database 为你实际的 MySQL 连接信息。
• 这个代码只是一个模拟，实际的 Online DDL 过程会更复杂。
• 运行此代码时，观察在执行 ALTER TABLE 的时候，读写线程是否会受到影响。

8. 总结

ALGORITHM=INSTANT 和 ALGORITHM=INPLACE 是 InnoDB 存储引擎中重要的 Online DDL 算法。INSTANT 算法以其极快的速度和几乎零锁定的特性成为首选，但适用范围有限。INPLACE 算法则在适用范围上更广，但可能会短暂锁定表。

选择正确的 DDL 算法，最大限度降低业务影响，提升数据库性能
正确选择合适的 Online DDL 算法，可以在很大程度上减少 DDL 操作对业务的影响，提升数据库的可用性和性能。理解 INSTANT 和 INPLACE 算法的原理和适用场景，有助于我们做出更明智的决策。

持续学习，不断探索数据库技术的奥秘
数据库技术日新月异，需要我们不断学习和探索，才能更好地应对各种挑战。希望今天的分享能够帮助大家更深入地理解 MySQL InnoDB Online DDL 的相关知识。谢谢大家！