`pt-online-schema-change`的`无`锁`DDL`：`在线`修改`表`结构`的`底层`实现`。 - 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

pt-online-schema-change 的“无”锁 DDL：在线修改表结构的底层实现

大家好，今天我们深入探讨 pt-online-schema-change (pt-osc) 工具，特别是它如何实现“无”锁 DDL，实现在线修改表结构的目标。我们将从概念、工作原理、关键步骤、风险及规避，以及一些最佳实践等方面进行分析。

1. DDL 的挑战与在线修改的需求

传统的 DDL (Data Definition Language) 操作，例如 ALTER TABLE，通常会在执行期间锁定整个表，阻止读写操作。这对于大型表或高并发系统来说是不可接受的，因为会造成长时间的服务中断。

在线修改表结构的目标是在不中断或最小化中断服务的情况下，修改表的结构，例如添加列、修改列类型、添加索引等。这要求我们在修改表结构的同时，仍然允许应用程序对表进行读写操作。

2. pt-online-schema-change 的核心思想

pt-online-schema-change 并不是真正地“无”锁，而是通过一系列巧妙的步骤，尽可能地减少锁的持有时间，并利用 MySQL 的复制机制，将大部分工作转移到后台进行。其核心思想可以概括为：

创建影子表 (Shadow Table)：创建一个与原表结构相同，但应用了新结构的空表。
复制数据 (Data Copy)：将原表的数据分批复制到影子表中。
增量数据同步 (Incremental Sync)：在数据复制期间，原表上的所有更改（INSERT、UPDATE、DELETE）都会通过触发器 (Triggers) 记录下来，并同步到影子表中。
切换表 (Table Swap)：当数据复制和增量同步完成后，将原表和影子表进行切换，使得应用程序访问的是应用了新结构的表。
清理 (Cleanup)：删除原表或将其重命名为备份表。

3. pt-online-schema-change 的工作原理与步骤

下面我们详细分析 pt-online-schema-change 的工作原理和关键步骤，并结合代码示例进行说明。

3.1. 准备阶段

参数解析与校验： pt-online-schema-change 接收大量的参数，例如连接信息、表名、要执行的 DDL 语句、复制策略等。工具会首先解析这些参数，并进行校验，确保参数的合法性。
权限检查：检查执行用户是否拥有足够的权限，包括创建表、创建触发器、SELECT、INSERT、UPDATE、DELETE、DROP、RENAME 等权限。
环境检查：检查 MySQL 版本、binlog 格式 (必须为 ROW 格式)、是否存在外键约束等。如果 binlog 格式不正确或存在外键约束，pt-online-schema-change 会报错并退出。

3.2. 创建影子表

pt-online-schema-change 会创建一个与原表结构相同，但应用了新结构的影子表。影子表的命名规则为 _原表名_new。

-- 原表： my_table
-- 要执行的 DDL： ALTER TABLE my_table ADD COLUMN new_column INT;

CREATE TABLE `_my_table_new` (
  `id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `name` VARCHAR(255) NOT NULL,
  `created_at` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
  `new_column` INT NULL,  -- 新增的列
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

3.3. 创建触发器

pt-online-schema-change 会在原表上创建三个触发器，分别用于捕获 INSERT、UPDATE、DELETE 操作，并将这些操作同步到影子表中。触发器的命名规则为 pt_osc_原表名_ins、pt_osc_原表名_upd、pt_osc_原表名_del。

-- INSERT 触发器
CREATE TRIGGER `pt_osc_my_table_ins`
AFTER INSERT ON `my_table`
FOR EACH ROW
BEGIN
  INSERT IGNORE INTO `_my_table_new` (`id`, `name`, `created_at`, `new_column`)
  VALUES (NEW.`id`, NEW.`name`, NEW.`created_at`, NEW.`new_column`);
END;

-- UPDATE 触发器
CREATE TRIGGER `pt_osc_my_table_upd`
AFTER UPDATE ON `my_table`
FOR EACH ROW
BEGIN
  UPDATE `_my_table_new`
  SET `name` = NEW.`name`,
      `created_at` = NEW.`created_at`,
      `new_column` = NEW.`new_column`
  WHERE `id` = OLD.`id`;
END;

-- DELETE 触发器
CREATE TRIGGER `pt_osc_my_table_del`
AFTER DELETE ON `my_table`
FOR EACH ROW
BEGIN
  DELETE FROM `_my_table_new` WHERE `id` = OLD.`id`;
END;

3.4. 复制数据

pt-online-schema-change 会将原表的数据分批复制到影子表中。复制数据的方式通常是使用 INSERT ... SELECT 语句，并使用 LIMIT 子句进行分批处理。

-- 分批复制数据
INSERT IGNORE INTO `_my_table_new` (`id`, `name`, `created_at`, `new_column`)
SELECT `id`, `name`, `created_at`, `new_column` FROM `my_table`
WHERE `id` > 上次复制的最大ID
ORDER BY `id`
LIMIT 1000;

pt-online-schema-change 会根据 --chunk-size 参数设置每次复制的数据量。较小的 chunk-size 会降低对原表的影响，但会增加复制的时间。

3.5. 增量数据同步

在数据复制期间，触发器会捕获原表上的所有更改，并将这些更改同步到影子表中。这样可以确保影子表的数据与原表的数据保持一致。

3.6. 切换表

当数据复制和增量同步完成后，pt-online-schema-change 会将原表和影子表进行切换。切换表的方式通常是使用 RENAME TABLE 语句。为了保证数据的一致性，切换表的操作通常需要获取一个短暂的锁。

-- 切换表
RENAME TABLE `my_table` TO `_my_table_old`, `_my_table_new` TO `my_table`;

3.7. 清理

切换表完成后，pt-online-schema-change 会删除原表（_my_table_old），或者将其重命名为备份表。

-- 删除原表
DROP TABLE `_my_table_old`;

-- 或者，重命名为备份表
RENAME TABLE `_my_table_old` TO `my_table_old`;

3.8. 错误处理

在整个过程中，pt-online-schema-change 会进行错误处理。如果发生错误，工具会尝试回滚所有操作，例如删除影子表、删除触发器等。

4. 关键参数与配置

pt-online-schema-change 提供了大量的参数，可以用来控制工具的行为。以下是一些常用的参数：

参数	说明
`--host`	MySQL 服务器的主机名。
`--port`	MySQL 服务器的端口号。
`--user`	MySQL 用户名。
`--password`	MySQL 密码。
`--database`	数据库名。
`--table`	表名。
`--alter`	要执行的 DDL 语句。
`--chunk-size`	每次复制的数据量。
`--max-lag`	允许的最大复制延迟。如果复制延迟超过该值，`pt-online-schema-change` 会暂停复制数据。
`--critical-load`	关键负载阈值。如果服务器的负载超过该值，`pt-online-schema-change` 会暂停复制数据。
`--dry-run`	仅执行模拟操作，不实际修改表结构。
`--execute`	实际执行操作。
`--alter-foreign-keys-method`	处理外键约束的方法。选项包括 `auto`、`rebuild_constraints`、`drop_swap`、`none`。
`--no-drop-old-table`	不删除原表，而是将其重命名为备份表。
`--drop-old-table`	删除原表。

5. 风险与规避

pt-online-schema-change 是一种强大的工具，但也存在一定的风险。以下是一些常见的风险及规避方法：

复制延迟 (Replication Lag)：如果复制延迟过高，pt-online-schema-change 可能会暂停复制数据，甚至导致操作失败。可以通过监控复制延迟，并设置合适的 --max-lag 参数来避免这个问题。
负载过高 (High Load)： pt-online-schema-change 会对数据库服务器产生一定的负载。如果服务器的负载过高，可能会影响应用程序的性能。可以通过监控服务器的负载，并设置合适的 --critical-load 参数来避免这个问题。
死锁 (Deadlock)：在某些情况下，pt-online-schema-change 可能会导致死锁。可以通过优化 SQL 语句、调整事务隔离级别等方式来避免死锁。
外键约束 (Foreign Key Constraints)：外键约束会影响 pt-online-schema-change 的执行。可以使用 --alter-foreign-keys-method 参数来处理外键约束。常见的选项包括：
- auto：自动选择合适的方法。
- rebuild_constraints：重新构建外键约束。
- drop_swap：删除外键约束，切换表后重新创建。
- none：不处理外键约束。
触发器开销 (Trigger Overhead)：触发器会增加原表的写入开销。可以通过优化触发器的 SQL 语句来降低触发器的开销。
数据不一致 (Data Inconsistency)：在切换表的过程中，可能会发生数据不一致的情况。可以通过使用事务来保证数据的一致性。

6. 最佳实践

在低峰期执行：尽量在数据库服务器的低峰期执行 pt-online-schema-change，以减少对应用程序的影响。
监控服务器状态：在执行 pt-online-schema-change 期间，要密切监控数据库服务器的状态，包括 CPU 使用率、内存使用率、磁盘 I/O 等。
使用 --dry-run 进行测试：在实际执行操作之前，可以使用 --dry-run 参数进行测试，以确保操作的正确性。
备份数据：在执行 pt-online-schema-change 之前，一定要备份数据，以防止意外情况发生。
合理设置参数：根据实际情况，合理设置 pt-online-schema-change 的参数，例如 --chunk-size、--max-lag、--critical-load 等。
仔细评估外键约束的影响：如果表存在外键约束，要仔细评估外键约束对 pt-online-schema-change 的影响，并选择合适的 --alter-foreign-keys-method 参数。

7. 一个完整的例子

假设我们有一个名为 users 的表，我们需要添加一个名为 email 的列。

-- 原表结构
CREATE TABLE `users` (
  `id` INT NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `username` VARCHAR(255) NOT NULL,
  `created_at` TIMESTAMP NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8mb4;

-- 添加 email 列
ALTER TABLE `users` ADD COLUMN `email` VARCHAR(255) NULL;

使用 pt-online-schema-change 命令：

pt-online-schema-change --host=127.0.0.1 --port=3306 --user=root --password=your_password --database=your_database --table=users --alter="ADD COLUMN email VARCHAR(255) NULL" --execute

这个命令会执行以下操作：

创建一个名为 _users_new 的影子表，该表的结构与 users 表相同，但包含 email 列。
在 users 表上创建三个触发器，用于捕获 INSERT、UPDATE、DELETE 操作。
将 users 表的数据分批复制到 _users_new 表中。
在数据复制期间，触发器会将 users 表上的所有更改同步到 _users_new 表中。
当数据复制和增量同步完成后，将 users 表和 _users_new 表进行切换。
删除 _users_old 表。

8. 总结与思考

pt-online-schema-change 通过创建影子表、复制数据、增量同步和切换表等一系列操作，实现在线修改表结构的目的。掌握其原理、关键步骤、风险和规避方法，以及最佳实践，可以帮助我们安全、高效地进行在线 DDL 操作。

9. 工具的局限与替代方案

虽然 pt-online-schema-change 非常强大，但它也存在一些局限性。例如，它不支持所有的 DDL 操作，例如修改主键、修改字符集等。此外，它对数据库服务器的负载有一定的影响。

除了 pt-online-schema-change 之外，还有一些其他的在线 DDL 工具，例如：

gh-ost: 由 GitHub 开发，使用 binlog stream 进行数据同步，性能更好，侵入性更小。
Online Schema Change (OSC)： MySQL Enterprise Edition 提供的一种在线 DDL 功能。
Vitess: 一个云原生的 MySQL 集群解决方案，提供内置的在线 DDL 功能。

选择合适的在线 DDL 工具，需要根据实际情况进行评估。

10. 深入理解影子表与触发器

影子表是 pt-online-schema-change 的核心组成部分。它允许我们在不影响原表的情况下，修改表的结构。触发器则保证了在数据复制期间，原表上的所有更改都能够同步到影子表中。

理解影子表和触发器的工作原理，可以帮助我们更好地理解 pt-online-schema-change 的工作原理，并更好地解决在使用过程中遇到的问题。

11. 关于性能优化与负载控制

pt-online-schema-change 的性能和对数据库服务器的负载是我们需要重点关注的问题。可以通过以下方式进行优化：

调整 --chunk-size 参数，找到一个合适的平衡点。
使用 --max-lag 和 --critical-load 参数，控制 pt-online-schema-change 的行为。
优化触发器的 SQL 语句，降低触发器的开销。
在低峰期执行 pt-online-schema-change，以减少对应用程序的影响。

12. 未来发展趋势与展望

随着云计算和数据库技术的发展，在线 DDL 技术也在不断发展。未来，我们可以期待以下发展趋势：

更加智能化的在线 DDL 工具，能够自动选择合适的策略和参数。
更加高效的在线 DDL 技术，能够进一步降低对数据库服务器的负载。
更加完善的在线 DDL 生态系统，提供更多的工具和解决方案。

相信随着技术的不断进步，在线 DDL 将会变得更加简单、高效和安全。