深度解析MySQL 8.0的Resource Groups特性：基于cgroups与I/O亲和性的多维资源调度与隔离 - 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

MySQL 8.0 Resource Groups：基于cgroups与I/O亲和性的多维资源调度与隔离

各位朋友，大家好！今天我们深入探讨MySQL 8.0引入的Resource Groups特性，重点讲解其底层原理、配置方法以及在实际应用中的优势。Resource Groups的核心在于利用操作系统层面的cgroups（Control Groups）机制，结合MySQL自身的线程管理，实现了对数据库服务器资源的精细化调度和隔离，尤其在I/O密集型场景下表现出色。

1. Resource Groups 概述

Resource Groups本质上是一种资源管理机制，它允许我们将MySQL的线程分配到不同的组中，并为每个组配置不同的资源限制，例如CPU使用率、I/O优先级等。通过这种方式，我们可以确保关键业务的查询拥有足够的资源，避免被低优先级任务所影响，从而提高整体系统的稳定性和性能。

2. cgroups：Resource Groups 的基石

cgroups是Linux内核提供的一种资源管理框架，它可以限制、记录和隔离进程组使用的资源（CPU、内存、I/O等）。 MySQL Resource Groups正是基于cgroups来实现资源限制和调度的。

2.1 cgroups 的层级结构

cgroups以层级结构组织，每个层级称为一个control group hierarchy。每个层级可以管理一种或多种资源。典型的cgroups层级包括：

cpu: 管理CPU资源
memory: 管理内存资源
blkio: 管理块设备I/O资源
cpuset: 管理CPU和内存节点的亲和性

2.2 cgroups 的操作

我们可以通过文件系统接口与cgroups交互。每个层级在/sys/fs/cgroup目录下都有一个对应的目录。在每个层级目录下，我们可以创建子组，并为每个组设置资源限制。

示例：创建一个名为rg1的blkio cgroup，并设置I/O权重

# 进入 blkio cgroup 目录
cd /sys/fs/cgroup/blkio/

# 创建一个新的 group rg1
mkdir rg1

# 设置 I/O 权重 (io.bfq.weight)
echo 500 > rg1/io.bfq.weight

# 查看 I/O 权重
cat rg1/io.bfq.weight

3. MySQL Resource Groups 的实现

MySQL Resource Groups将cgroups的功能集成到数据库服务器中，允许DBA在MySQL内部定义和管理资源组。

3.1 Resource Group 的类型

MySQL 8.0支持两种类型的Resource Groups：

SYSTEM Resource Groups: 用于管理MySQL内部线程，例如SYSTEM_BACKGROUND (后台任务), SYSTEM_DEFAULT (默认任务)。
USER Resource Groups: 用于管理用户会话线程。这是我们最常用的类型，用于隔离不同应用的资源。

3.2 Resource Group 的属性

Resource Groups 可以设置以下属性：

VCPU: 虚拟CPU数量，用于CPU调度。
IO_PRIORITY: I/O优先级，用于I/O调度。
THREAD_PRIORITY: 线程优先级，用于MySQL内部调度。
ENABLE: 是否启用Resource Group。

3.3 Resource Group 的创建和管理

可以使用SQL语句创建、修改和删除Resource Groups。

示例：创建一个名为rg_oltp的Resource Group，并设置CPU和I/O属性

CREATE RESOURCE GROUP rg_oltp
  VCPU = 4
  IO_PRIORITY = HIGH
  THREAD_PRIORITY = 15;

-- 查看 resource group 信息
SELECT * FROM performance_schema.resource_groups;

-- 修改 resource group 属性
ALTER RESOURCE GROUP rg_oltp VCPU = 8;

-- 删除 resource group
DROP RESOURCE GROUP rg_oltp;

4. 将线程分配到 Resource Groups

创建Resource Groups后，我们需要将线程分配到相应的组中。可以通过以下两种方式进行分配：

基于用户 (User-Based): 将特定用户的所有会话分配到指定的Resource Group。
基于连接属性 (Connection-Based): 根据连接属性（例如客户端IP地址、应用程序名称）将会话分配到指定的Resource Group。

4.1 基于用户分配

-- 将用户 'oltp_user' 的所有会话分配到 rg_oltp 资源组
ALTER USER 'oltp_user'@'%' RESOURCE GROUP rg_oltp;

-- 查看用户资源组信息
SELECT user, resource_group FROM mysql.user WHERE user = 'oltp_user';

4.2 基于连接属性分配

使用连接属性分配需要配置resource_group_connection_attributes系统变量。

-- 设置 resource_group_connection_attributes
SET GLOBAL resource_group_connection_attributes = 'program_name,client_ip';

-- 创建 resource group mapping rules
CREATE RESOURCE GROUP rg_report VCPU = 2 IO_PRIORITY = LOW;
CREATE RESOURCE GROUP rg_oltp VCPU = 4 IO_PRIORITY = HIGH;

-- 定义 mapping rules (基于连接属性)
-- program_name = 'reporting_tool' 的连接分配到 rg_report
-- client_ip = '192.168.1.100' 的连接分配到 rg_oltp

INSERT INTO performance_schema.resource_group_mapping_rules
  (RESOURCE_GROUP_NAME, MATCH_TYPE, MATCH_EXPRESSION)
VALUES
  ('rg_report', 'CONNECTION_ATTRIBUTE', 'program_name=reporting_tool'),
  ('rg_oltp', 'CONNECTION_ATTRIBUTE', 'client_ip=192.168.1.100');

-- 查看 mapping rules
SELECT * FROM performance_schema.resource_group_mapping_rules;

工作原理： 当一个新的连接建立时，MySQL会检查连接属性，并根据resource_group_mapping_rules表中的规则将该连接的线程分配到相应的Resource Group。

5. I/O 亲和性与性能优化

Resource Groups的一个重要优势在于其I/O亲和性。通过将I/O密集型任务分配到具有较高I/O优先级的Resource Group，我们可以显著提高这些任务的性能。

5.1 I/O 调度器

Linux系统使用I/O调度器来管理块设备I/O请求。常见的I/O调度器包括：

CFQ (Completely Fair Queuing): 为每个进程维护一个I/O队列，并公平地分配I/O资源。
BFQ (Budget Fair Queuing): CFQ的改进版本，更注重延迟和吞吐量。
noop: 简单地将I/O请求按顺序发送到设备。
deadline: 尝试在截止时间内完成I/O请求。

5.2 Resource Groups 与 I/O 调度

Resource Groups通过cgroups的blkio子系统与I/O调度器交互。我们可以使用IO_PRIORITY属性来影响I/O调度器的行为。

IO_PRIORITY = HIGH: 分配更高的I/O优先级。
IO_PRIORITY = LOW: 分配较低的I/O优先级。

5.3 实际案例：优化报表查询

假设我们有一个报表系统，它需要执行大量的I/O密集型查询。这些查询可能会影响OLTP系统的性能。我们可以使用Resource Groups来隔离报表查询的I/O资源。

创建 rg_report 资源组，并设置较低的I/O优先级:
```
CREATE RESOURCE GROUP rg_report VCPU = 2 IO_PRIORITY = LOW;
```

将报表查询的连接分配到 rg_report 资源组:

-- 假设报表工具的 program_name 为 'reporting_tool'
INSERT INTO performance_schema.resource_group_mapping_rules
  (RESOURCE_GROUP_NAME, MATCH_TYPE, MATCH_EXPRESSION)
VALUES
  ('rg_report', 'CONNECTION_ATTRIBUTE', 'program_name=reporting_tool');

通过以上配置，报表查询的I/O优先级将被降低，从而减少对OLTP系统的影响。

6. Resource Groups 的监控和诊断

MySQL提供了performance_schema数据库中的表来监控Resource Groups的使用情况。

performance_schema.resource_group_threads: 显示每个Resource Group中的线程信息。
performance_schema.resource_groups: 显示Resource Group的配置信息
performance_schema.resource_group_mapping_rules: 显示Resource Group的映射规则。

示例：查看 rg_oltp 资源组中的线程数量

SELECT
    RESOURCE_GROUP_NAME,
    COUNT(*) AS thread_count
FROM
    performance_schema.resource_group_threads
GROUP BY
    RESOURCE_GROUP_NAME
HAVING
    RESOURCE_GROUP_NAME = 'rg_oltp';

7. cgroup配置实例：

以下是一个使用systemd管理MySQL cgroup的例子。假设我们想为MySQL创建一个名为mysql.slice的cgroup。

创建 systemd 配置文件：

在 /etc/systemd/system/ 目录下创建一个名为 mysql.slice 的文件，内容如下：

[Unit]
Description=MySQL Resource Group
Documentation=man:systemd.slice(5)

[Slice]
CPUAccounting=true
IOAccounting=true
MemoryAccounting=true
TasksMax=infinity

创建 systemd 服务文件 (可选):

如果想为MySQL服务创建一个systemd服务文件，可以在 /etc/systemd/system/mysql.service.d/override.conf (需要创建 mysql.service.d 目录) 中添加以下内容：
```
[Service]
Slice=mysql.slice
```

重载 systemd 配置并启动 MySQL 服务：

systemctl daemon-reload
systemctl restart mysql

验证 cgroup 设置：

可以使用 systemd-cgls 命令查看 cgroup 的状态：
```
systemd-cgls mysql.slice
```

8. Resource Groups的局限性

虽然Resource Groups提供了强大的资源管理能力，但也存在一些局限性：

cgroups支持依赖: 需要操作系统支持cgroups。
配置复杂性: Resource Groups的配置相对复杂，需要深入了解cgroups和MySQL的线程管理机制。
监控和诊断: 需要使用performance_schema进行监控，缺乏更直观的管理界面。
并非万能药: Resource Groups主要用于资源隔离和调度，并不能解决所有性能问题。如果数据库本身存在性能瓶颈，例如索引缺失、SQL查询效率低下，则需要从其他方面进行优化。

9. 最佳实践

充分了解业务需求: 在配置Resource Groups之前，需要充分了解不同业务的资源需求，例如OLTP、OLAP、报表等。
逐步调整: Resource Groups的配置需要根据实际情况进行调整，建议从小范围开始，逐步扩大应用范围。
持续监控: 使用performance_schema或其他监控工具持续监控Resource Groups的使用情况，及时发现和解决问题。
结合其他优化手段: Resource Groups应该与其他优化手段结合使用，例如索引优化、SQL查询优化、硬件升级等。
考虑cgroup v2: Linux内核也在推进cgroup v2, 它提供更统一的资源管理接口. MySQL 未来版本可能会更好地支持 cgroup v2。

示例代码总结：

以下代码展示了创建resource group, 绑定用户，以及设置mapping rule的全部过程。

-- 创建 resource group
CREATE RESOURCE GROUP rg_oltp
  VCPU = 4
  IO_PRIORITY = HIGH
  THREAD_PRIORITY = 15;

CREATE RESOURCE GROUP rg_report VCPU = 2 IO_PRIORITY = LOW;

-- 绑定用户
ALTER USER 'oltp_user'@'%' RESOURCE GROUP rg_oltp;

-- 设置 mapping rules
SET GLOBAL resource_group_connection_attributes = 'program_name,client_ip';

INSERT INTO performance_schema.resource_group_mapping_rules
  (RESOURCE_GROUP_NAME, MATCH_TYPE, MATCH_EXPRESSION)
VALUES
  ('rg_report', 'CONNECTION_ATTRIBUTE', 'program_name=reporting_tool'),
  ('rg_oltp', 'CONNECTION_ATTRIBUTE', 'client_ip=192.168.1.100');

-- 查看
SELECT * FROM performance_schema.resource_groups;
SELECT user, resource_group FROM mysql.user WHERE user = 'oltp_user';
SELECT * FROM performance_schema.resource_group_mapping_rules;

-- 监控
SELECT
    RESOURCE_GROUP_NAME,
    COUNT(*) AS thread_count
FROM
    performance_schema.resource_group_threads
GROUP BY
    RESOURCE_GROUP_NAME;

10. 结合cgroups和Resource Group实现更细粒度的资源控制

可以通过直接修改cgroups文件系统中的值，来实现更细粒度的资源控制，但这需要对cgroups有深入的理解，并且需要确保MySQL的Resource Group配置与cgroups配置保持一致。例如，可以修改blkio.throttle.read_bps_device和blkio.throttle.write_bps_device来限制某个resource group的I/O带宽。

示例：限制rg_oltp的I/O读取速度为 10MB/s

找到 rg_oltp 对应的 cgroup 目录：

假设 rg_oltp 对应的 cgroup 目录为 /sys/fs/cgroup/blkio/mysql/rg_oltp。这取决于你的系统配置和 MySQL 的 cgroup 设置。
获取磁盘设备的 major:minor 号：

可以使用 lsblk 命令找到磁盘设备的 major:minor 号。例如，如果磁盘设备是 /dev/sda，则 major:minor 号可能是 8:0。

设置读取速度限制：

echo "8:0 10485760" > /sys/fs/cgroup/blkio/mysql/rg_oltp/blkio.throttle.read_bps_device

其中 10485760 是 10MB 的字节数。

注意： 直接修改 cgroups 文件系统可能会影响系统的稳定性，请谨慎操作。建议使用 MySQL Resource Groups 来管理资源，只有在需要进行更细粒度的控制时才考虑直接修改 cgroups 文件系统。

总结：

Resource Groups是MySQL 8.0中一项强大的功能，它允许我们对数据库服务器的资源进行精细化调度和隔离。通过结合cgroups，我们可以实现多维度的资源控制，提高系统的稳定性和性能。然而，Resource Groups的配置和管理相对复杂，需要深入了解其底层原理和最佳实践。通过合理的配置和持续的监控，我们可以充分利用Resource Groups的优势，为关键业务提供更好的服务。

最后的话：

Resource Groups作为MySQL的高级特性，需要在充分理解其原理的基础上，结合实际业务场景进行灵活应用。希望通过今天的分享，大家能够对Resource Groups有更深入的了解，并在实际工作中发挥其价值。

MySQL 8.0 Resource Groups：基于cgroups与I/O亲和性的多维资源调度与隔离

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