MySQL性能诊断与调优之：`MySQL`的`pt-online-schema-change`：其在`Online DDL`中的底层实现。

MySQL Online DDL 的利器：pt-online-schema-change 原理剖析

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL 数据库在线 DDL (Data Definition Language) 的一个强大工具：pt-online-schema-change。它属于 Percona Toolkit 工具集，旨在解决直接执行 ALTER TABLE 语句可能导致长时间锁表，影响线上服务可用性的问题。我们将从 Online DDL 的基本概念出发，逐步剖析 pt-online-schema-change 的底层实现原理，并结合代码示例来加深理解。

1. Online DDL 的必要性

在业务高并发场景下，对线上数据库表结构进行修改是常见的需求。然而，传统的 ALTER TABLE 操作通常会锁表，阻止读写操作，从而导致服务中断。这在生产环境中是不可接受的。

Online DDL 技术的出现，旨在允许在修改表结构的同时，最大限度地减少对线上业务的影响。理想的 Online DDL 实现，应该具备以下特点：

• 最小化锁表时间： 尽可能缩短锁表时间，甚至完全避免锁表。
• 数据一致性： 确保在 DDL 操作期间，新旧表的数据保持一致。
• 可回滚性： 在 DDL 操作失败时，能够安全地回滚到原始状态。
• 性能可控： 允许根据业务负载调整 DDL 操作的速度。

2. pt-online-schema-change 工作原理

pt-online-schema-change 通过一系列巧妙的操作，模拟了 Online DDL 的过程。其核心思想是：创建一个与原表结构相同的新表，执行 DDL 操作在新表上，然后将原表的数据逐步复制到新表，最后替换原表。

以下是 pt-online-schema-change 的主要步骤：

1. 创建新表 (Create New Table): 根据原表的结构，创建一个新的、空的表，命名通常是 _表名_new。 在新表上执行所需的 DDL 操作。

2. 创建触发器 (Create Triggers): 在原表上创建三个触发器（INSERT、UPDATE、DELETE），用于捕获在数据复制期间，对原表进行的修改。这些触发器会将修改同步到新表。

3. 数据复制 (Copy Data): 将原表的数据分批次复制到新表。为了避免一次性复制导致阻塞，pt-online-schema-change 会将数据分成多个 chunk (数据块) 进行复制。

4. 交换表名 (Swap Tables): 当数据复制完成后，将原表和新表的名字互换。通常使用 RENAME TABLE 语句实现，这是一个原子操作，可以保证数据一致性。

5. 删除旧表 (Drop Old Table): 删除原表，现在它变成了旧表。

6. 删除触发器 (Drop Triggers): 删除在原表上创建的触发器。

为了更好地理解这个过程，我们用一张表来展示每个阶段的状态：

阶段	原表 (Original Table)	新表 (New Table)	触发器 (Triggers)
创建新表	数据存在	空表，DDL已执行	无
创建触发器	数据存在	空表，DDL已执行	INSERT, UPDATE, DELETE
数据复制	数据存在，持续更新	数据逐渐同步，DDL已执行	INSERT, UPDATE, DELETE
交换表名	(旧表，待删除)	(原表，DDL已执行，数据完整)	无
删除旧表	不存在	(原表，DDL已执行，数据完整)	无
删除触发器	不存在	(原表，DDL已执行，数据完整)	无

3. 关键技术细节

3.1. 触发器同步

触发器是保证数据一致性的关键。pt-online-schema-change 会在原表上创建三个触发器，分别对应 INSERT、UPDATE 和 DELETE 操作。这些触发器会将对原表的修改，同步到新表。

例如，对于 INSERT 操作，触发器可能如下所示：

CREATE TRIGGER `pt_osc_tbl_ins` AFTER INSERT ON `your_table`
FOR EACH ROW
BEGIN
  INSERT IGNORE INTO `_your_table_new` VALUES (NEW.`col1`, NEW.`col2`, ...);
END;

这个触发器会在每次向 your_table 插入数据后，自动将相同的数据插入到 _your_table_new。 UPDATE 和 DELETE 触发器的逻辑类似，会根据修改后的数据或主键，更新或删除新表中的对应数据。

3.2. 数据分块复制 (Chunking)

为了避免一次性复制大量数据导致阻塞，pt-online-schema-change 会将数据分成多个 chunk 进行复制。它会根据表的主键或唯一索引，将数据划分为多个范围。

例如，假设表 your_table 有一个自增主键 id，pt-online-schema-change 可能会执行类似以下的 SQL 语句来复制数据：

INSERT IGNORE INTO `_your_table_new` SELECT * FROM `your_table` WHERE `id` >= 1 AND `id` < 1000;
INSERT IGNORE INTO `_your_table_new` SELECT * FROM `your_table` WHERE `id` >= 1000 AND `id` < 2000;
...

--chunk-size 参数可以控制每个 chunk 的大小，从而调整复制的速度。较小的 chunk size 可以减少对线上业务的影响，但会增加复制的总时间。

3.3. 交换表名 (Rename Table)

数据复制完成后，需要将原表和新表的名字互换。pt-online-schema-change 通常使用 RENAME TABLE 语句来实现：

RENAME TABLE `your_table` TO `_your_table_old`, `_your_table_new` TO `your_table`;

RENAME TABLE 是一个原子操作，可以保证在交换表名的过程中，不会丢失数据或产生不一致。

3.4. 错误处理与回滚

pt-online-schema-change 具有一定的错误处理和回滚机制。如果在 DDL 操作过程中发生错误，它可以尝试回滚到原始状态。

• --alter-foreign-keys-method: 该参数用于指定如何处理外键约束。如果设置为 auto，pt-online-schema-change 会尝试自动禁用和启用外键约束。如果在操作过程中出现问题，它可以尝试恢复外键约束。
• --no-drop-old-table: 如果指定了这个参数，pt-online-schema-change 不会删除旧表。这可以在出现问题时，方便地回滚到原始状态。
• --max-lag: 该参数用于监控复制延迟。如果复制延迟超过指定的值，pt-online-schema-change 会暂停操作，以避免对主库造成过大的压力。

4. 代码示例

下面是一个简单的使用 pt-online-schema-change 的示例：

pt-online-schema-change --alter "ADD COLUMN new_column VARCHAR(255)" 
--host=your_host --user=your_user --password=your_password 
--database=your_database --table=your_table --execute

这个命令会在 your_table 表上添加一个名为 new_column 的 VARCHAR 类型的列。 --execute 参数表示直接执行操作。

注意： 在生产环境中，建议先在测试环境进行充分的测试，并仔细评估风险，再使用 --execute 参数。

5. 局限性与注意事项

虽然 pt-online-schema-change 是一个强大的工具，但也存在一些局限性：

• 性能开销： 数据复制和触发器会带来一定的性能开销。在高并发场景下，需要谨慎评估对线上业务的影响。
• 触发器限制： MySQL 每个表最多只能有 6 个触发器。如果表已经存在较多的触发器，可能会导致 pt-online-schema-change 无法创建所需的触发器。
• 外键约束： 处理外键约束可能会比较复杂，需要仔细配置 --alter-foreign-keys-method 参数。
• 自增列处理： 在某些情况下，自增列的处理可能会导致问题，需要仔细测试。
• 需要Percona Toolkit的支持： 需要提前安装Percona Toolkit工具集。

在使用 pt-online-schema-change 时，需要注意以下几点：

• 充分测试： 在生产环境执行之前，务必在测试环境进行充分的测试。
• 监控： 在执行过程中，密切监控数据库的性能指标，如 CPU 使用率、IO 负载、复制延迟等。
• 备份： 在执行之前，最好备份数据库，以防万一。
• 阅读文档： 仔细阅读 pt-online-schema-change 的官方文档，了解其原理和参数。

6. 其他 Online DDL 工具

除了 pt-online-schema-change，还有一些其他的 Online DDL 工具可供选择：

• MySQL 8.0 的 Instant ADD COLUMN： MySQL 8.0 引入了 Instant ADD COLUMN 功能，可以在不复制数据的情况下，快速添加列。但该功能有一定限制，只适用于添加允许 NULL 且有默认值的列。
• gh-ost： GitHub 开源的 Online DDL 工具，与 pt-online-schema-change 类似，但实现方式略有不同。
• Vitess： 一个云原生的数据库集群系统，也提供了 Online DDL 的支持。

选择哪个工具，取决于具体的业务需求和数据库环境。

7. pt-online-schema-change 参数详解

为了更好地使用 pt-online-schema-change，了解其常用参数至关重要。下面是一个参数表格，详细说明了每个参数的作用：

参数	描述
--alter	必需参数。指定要执行的 ALTER TABLE 语句。例如："ADD COLUMN new_column VARCHAR(255)"
--host	MySQL 服务器的主机名或 IP 地址。
--user	用于连接 MySQL 服务器的用户名。
--password	用于连接 MySQL 服务器的密码。
--database	要修改的表所在的数据库名称。
--table	要修改的表名称。
--execute	如果指定了这个参数，pt-online-schema-change 会直接执行操作。否则，它只会生成 SQL 语句，并不会实际执行。
--chunk-size	每个数据块的大小，单位是行数。默认值是 1000。较小的 chunk size 可以减少对线上业务的影响，但会增加复制的总时间。
--max-lag	复制延迟的最大允许值，单位是秒。如果复制延迟超过指定的值，pt-online-schema-change 会暂停操作。
--alter-foreign-keys-method	指定如何处理外键约束。可选值有 auto、rebuild_constraints、drop_swap、none。auto 是默认值，pt-online-schema-change 会尝试自动禁用和启用外键约束。
--no-drop-old-table	如果指定了这个参数，pt-online-schema-change 不会删除旧表。这可以在出现问题时，方便地回滚到原始状态。
--drop-old-table	强制删除旧表，即使在发生错误时。谨慎使用。
--new-table-name	指定新表的名称。默认是 _表名_new。
--set-vars	设置 MySQL 会话变量。例如：--set-vars "wait_timeout=3600,innodb_lock_wait_timeout=60"
--dry-run	仅模拟执行，不实际修改数据。可以用来检查配置是否正确。
--statistics	打印执行过程中的统计信息。
--plugin	加载插件，用于扩展 pt-online-schema-change 的功能。
--sleep	在每个数据块复制之后，暂停指定的时间，单位是秒。可以用来控制复制的速度。
--tries	指定重试操作的次数。例如，--tries create_table:5:0.5 表示创建表的重试次数是 5 次，每次重试间隔 0.5 秒。
--recursion-method	指定如何查找子表（如果存在外键约束）。常用的值有 processlist（基于 SHOW PROCESSLIST 命令）和 none（禁用递归查找）。
--nocheck-replication-filters	禁用对复制过滤器的检查。谨慎使用，可能导致数据不一致。
--no-check-plan	禁用对执行计划的检查。谨慎使用，可能导致性能问题。
--lock-wait-timeout	设置 lock_wait_timeout 的值，单位是秒。用于防止长时间等待锁。
--critical-load	指定在高负载下暂停复制的阈值。可以同时指定多个指标，例如 --critical-load Threads_running=50,Threads_connected=100。
--throttle-method	指定控制复制速度的方法。常用的值有 sleep（使用 --sleep 参数）和 processlist（基于 SHOW PROCESSLIST 命令）。
--version	显示 pt-online-schema-change 的版本信息。
--help	显示帮助信息。

在使用这些参数时，请务必参考官方文档，并根据实际情况进行调整。

8. 应对复杂场景的策略

在实际应用中，可能会遇到一些复杂的场景，例如：

• 大表： 对于数据量非常大的表，数据复制的时间可能会很长。可以考虑增加 --chunk-size 的值，或者使用更快的复制方法，例如基于物理备份的复制。
• 高并发： 在高并发场景下，触发器和数据复制可能会对线上业务造成较大的影响。可以考虑使用更轻量级的 Online DDL 工具，或者在业务低峰期执行 DDL 操作。
• 复杂的外键约束： 对于复杂的外键约束，pt-online-schema-change 的处理可能会比较困难。可以考虑手动禁用和启用外键约束，或者使用其他的 Online DDL 工具。
• 分区表： pt-online-schema-change 对分区表的处理需要特别注意，需要仔细测试。

针对这些复杂场景，需要根据具体情况制定相应的策略。

9. 深入理解Online DDL，灵活应对表结构变更

今天我们深入探讨了 pt-online-schema-change 的原理和使用方法。希望通过今天的讲解，大家能够更好地理解 Online DDL 的核心思想，并能够灵活地运用 pt-online-schema-change 解决实际问题，当然也请切记，在生产环境操作之前，务必进行充分的测试和评估。