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MySQL8.0 新特性:Partial Update of LOB Column

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摘要: MySQL8.0對json進行了比較完善的支持, 我們知道json具有比較特殊的存儲格式,通常存在多個key value鍵值對,對於類似更新操作通常不會更新整個json列,而是某些鍵值。 對於某些復雜的應用,json列的數據可能會變的非常龐大,這時候一個突出的問題是:innodb並不識別json類型,對它而言這些存儲統一都是LOB類型,而在之前的版本中Innodb處理LOB更新的方式是標記刪除舊記錄,並插入新記錄,顯然這會帶來一些存儲上的開銷(盡管Purge線程會去後臺清理),而寫入的redo log和Binlog的量也會偏高,對於超大列,可能會嚴重影響到性能。

MySQL8.0對json進行了比較完善的支持, 我們知道json具有比較特殊的存儲格式,通常存在多個key value鍵值對,對於類似更新操作通常不會更新整個json列,而是某些鍵值。

對於某些復雜的應用,json列的數據可能會變的非常龐大,這時候一個突出的問題是:innodb並不識別json類型,對它而言這些存儲統一都是LOB類型,而在之前的版本中Innodb處理LOB更新的方式是標記刪除舊記錄,並插入新記錄,顯然這會帶來一些存儲上的開銷(盡管Purge線程會去後臺清理),而寫入的redo log和Binlog的量也會偏高,對於超大列,可能會嚴重影響到性能。為了解決這個問題,MySQL8.0引入了LOB列部分更新的策略。

官方博客有幾篇文章介紹的非常清楚,感興趣的可以直接跳過本文,直接閱讀官方博客:

1: partial update of json values
2: introduces lob index for faster update

3: MVCC of Large Objects

以及相關的開發worklog:

WL#8963: Support for partial update of JSON in the optimizer
WL#8985: InnoDB: Refactor compressed BLOB code to facilitate partial fetch/update
WL#9141: InnoDB: Refactor uncompressed BLOB code to facilitate partial fetch/update
WL#9263: InnoDB: Enable partial access of LOB using multiple zlib streams

WL#8960: InnoDB: Partial Fetch and Update of BLOB
WL#10570: Provide logical diffs for partial update of JSON values
WL#2955: RBR replication of partial JSON updates

本文僅僅是筆者在理解該特性時做的一些簡單的筆記,,記錄的主要目的是用於以後如果涉及到相關的工作可以快速展開,因此比較淩亂

目前partial update需要通過JSON_SET, 或者JSON_REPLACE等特定接口來進行json列的更新,並且不是所有的更新都能夠滿足條件:

  • 沒有增加新的元素

  • 空間足夠大,可以容納替換的新值

    • 但類似數據長度(10 =>更新成7=>更新成9)是允許的

下面以json_set更新json列為例來看看相關的關鍵堆棧

檢查是否支持partial update

如上所述,需要指定的json函數接口才能進行partial update

mysql_execute_command
    |--> Sql_cmd_dml::execute
             |--> Sql_cmd_dml::prepare
                         |--> Sql_cmd_update::prepare_inner
                                     |---> prepare_partial_update
                                           |-->Item_json_func::supports_partial_update

這裏只是做預檢查,對於json列的更新如果全部是通過json_set/replace/remove進行的,則將其標記為候選partial update的列(TABLE::mark_column_for_partial_update), 存儲在bitmap結構TABLE::m_partial_update_columns

設置partial update

入口函數:TABLE::setup_partial_update()

在滿足某些條件時,需要設置logical diff(用於記錄partial update列的binlog,降低binlog存儲開銷):

  • binlog_row_value_options設置為"partial_json"

  • binlog 打開

  • log_bin_use_v1_row_events關閉

  • 使用row format

然後創建Partial_update_info對象(Table::m_partial_update_info), 用於存儲partial update執行過程中的狀態

  • Table::m_enabled_logical_diff_columns

  • TABLE::m_binary_diff_vectors

  • TABLE::m_logical_diff_vectors

創建更新向量

當讀入一行記錄後,就需要根據sql語句來構建後鏡像,而對於partial update所涉及的json列,會做特殊處理:

Sql_cmd_update::update_single_table
 |--> fill_record_n_invoke_before_triggers
      |-->fill_record
             |--> Item::save_in_field
                     |--> Item_func::save_possibly_as_json
                             |--> Item_func_json_set_replace::val_json
                                     |--> Json_wrapper::attempt_binary_update
                                             |--> json_binary::Value::update_in_shadow
                                                    |--> TABLE::add_binary_diff

json_wrapper::attempt_binary_update : 做必要的數據類型檢查(是否符合partial update的條件)後,計算需要的空間,檢查是否有足夠的空閑空間Value::has_space()來替換成新值。
Value::update_in_shadow: 進一步將變化的數據存儲到binary diff對象中(TABLE::add_binary_diff),每個Binary_diff對象包含了要修改對象的偏移量,長度以及一個指向新數據的const指針

如下例,摘自函數Value::update_in_shadow的註釋,這裏提取出來,以便於理解json binary的格式,以及如何產生Binary Diff

創建測試表:

root@test 10:00:45>create table t (a int primary key, b json);
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

root@test 10:01:06>insert into t values (1, '[ "abc", "def" ]');
Query OK, 1 row affected (0.07 sec)

json數據的存儲格式如下:

        0x02 - type: small JSON array
        0x02 - number of elements (low byte)
        0x00 - number of elements (high byte)
        0x12 - number of bytes (low byte)
        0x00 - number of bytes (high byte)
        0x0C - type of element 0 (string)
        0x0A - offset of element 0 (low byte)
        0x00 - offset of element 0 (high byte)
        0x0C - type of element 1 (string)
        0x0E - offset of element 1 (low byte)
        0x00 - offset of element 1 (high byte)
        0x03 - length of element 0
        'a'
        'b'  - content of element 0
        'c'
        0x03 - length of element 1
        'd'
        'e'  - content of element 1
        'f'

更新json列的'abc'為'XY', 則空出一個字節出來:

root@test 10:01:39>UPDATE t SET b = JSON_SET(b, '$[0]', 'XY');
Query OK, 1 row affected (0.01 sec)
Rows matched: 1  Changed: 1  Warnings: 0

此時的存儲格式為:

              0x02 - type: small JSON array
              0x02 - number of elements (low byte)
              0x00 - number of elements (high byte)
              0x12 - number of bytes (low byte)
              0x00 - number of bytes (high byte)
              0x0C - type of element 0 (string)
              0x0A - offset of element 0 (low byte)
              0x00 - offset of element 0 (high byte)
              0x0C - type of element 1 (string)
              0x0E - offset of element 1 (low byte)
              0x00 - offset of element 1 (high byte)
CHANGED       0x02 - length of element 0
CHANGED           'X'
CHANGED           'Y'  - content of element 0
      (free)  'c'
              0x03 - length of element 1
              'd'
              'e'  - content of element 1
              'f'

此處只影響到一個element,因此 只有一個binary diff

再執行更新:

UPDATE t SET j = JSON_SET(j, '$[1]', 'XYZW')

第二個element從3個字節更新成4個字節,顯然原地沒有足夠的空間,但可以利用其一個element的剩余空間

              0x02 - type: small JSON array
              0x02 - number of elements (low byte)
              0x00 - number of elements (high byte)
              0x12 - number of bytes (low byte)
              0x00 - number of bytes (high byte)
              0x0C - type of element 0 (string)
              0x0A - offset of element 0 (low byte)
              0x00 - offset of element 0 (high byte)
              0x0C - type of element 1 (string)
 CHANGED 0x0D - offset of element 1 (low byte)
              0x00 - offset of element 1 (high byte)
              0x02 - length of element 0
              'X'  - content of element 0
              'Y'  - content of element 0
CHANGED         0x04 - length of element 1
CHANGED         'X'
CHANGED         'Y'
CHANGED         'Z'  - content of element 1
CHANGED         'W'

這裏會產生兩個binary diff,一個更新offset, 一個更新數據

我們再執行一條update,將字符串修改成整數,這種情況下,原來存儲字符串offset的位置被更改成了整數,而原來字符串占用的空間變成Unused狀態。這裏只

UPDATE t SET b= JSON_SET(b, '$[1]', 456)

        0x02 - type: small JSON array
        0x02 - number of elements (low byte)
        0x00 - number of elements (high byte)
        0x12 - number of bytes (low byte)
        0x00 - number of bytes (high byte)
        0x0C - type of element 0 (string)
        0x0A - offset of element 0 (low byte)
        0x00 - offset of element 0 (high byte)
CHANGED 0x05 - type of element 1 (int16)
CHANGED 0xC8 - value of element 1 (low byte)
CHANGED 0x01 - value of element 1 (high byte)
        0x02 - length of element 0
        'X'  - content of element 0
        'Y'  - content of element 0
(free)  0x04 - length of element 1
(free)  'X' 
(free)  'Y'
(free)  'Z'  - content of element 1
(free)  'W

類型從string變成int16,使用之前offset的字段記錄int值,而原來string的空間則變成空閑狀態, 這裏產生一個binary diff。

我們再來看看另外一個相似的函數Value::remove_in_shadow,即通過json_remove從列上移除一個字段,以下樣例同樣摘自函數的註釋:

json列的值為

{ "a": "x", "b": "y", "c": "z" }

存儲格式:

              0x00 - type: JSONB_TYPE_SMALL_OBJECT
              0x03 - number of elements (low byte)
              0x00 - number of elements (high byte)
              0x22 - number of bytes (low byte)
              0x00 - number of bytes (high byte)
              0x19 - offset of key "a" (high byte)
              0x00 - offset of key "a" (low byte)
              0x01 - length of key "a" (high byte)
              0x00 - length of key "a" (low byte)
              0x1a - offset of key "b" (high byte)
              0x00 - offset of key "b" (low byte)
              0x01 - length of key "b" (high byte)
              0x00 - length of key "b" (low byte)
              0x1b - offset of key "c" (high byte)
              0x00 - offset of key "c" (low byte)
              0x01 - length of key "c" (high byte)
              0x00 - length of key "c" (low byte)
              0x0c - type of value "a": JSONB_TYPE_STRING
              0x1c - offset of value "a" (high byte)
              0x00 - offset of value "a" (low byte)
              0x0c - type of value "b": JSONB_TYPE_STRING
              0x1e - offset of value "b" (high byte)
              0x00 - offset of value "b" (low byte)
              0x0c - type of value "c": JSONB_TYPE_STRING
              0x20 - offset of value "c" (high byte)
              0x00 - offset of value "c" (low byte)
              0x61 - first key  ('a')
              0x62 - second key ('b')
              0x63 - third key  ('c')
              0x01 - length of value "a"
              0x78 - contents of value "a" ('x')
              0x01 - length of value "b"
              0x79 - contents of value "b" ('y')
              0x01 - length of value "c"
              0x7a - contents of value "c" ('z')

將其中的成員$.b移除掉:

UPDATE t SET j = JSON_REMOVE(j, '$.b');

格式為:

              0x00 - type: JSONB_TYPE_SMALL_OBJECT
CHANGED 0x02 - number of elements (low byte)
              0x00 - number of elements (high byte)
              0x22 - number of bytes (low byte)
              0x00 - number of bytes (high byte)
              0x19 - offset of key "a" (high byte)
              0x00 - offset of key "a" (low byte)
              0x01 - length of key "a" (high byte)
              0x00 - length of key "a" (low byte)
CHANGED 0x1b - offset of key "c" (high byte)
CHANGED 0x00 - offset of key "c" (low byte)
CHANGED 0x01 - length of key "c" (high byte)
CHANGED 0x00 - length of key "c" (low byte)
CHANGED 0x0c - type of value "a": JSONB_TYPE_STRING
CHANGED 0x1c - offset of value "a" (high byte)
CHANGED 0x00 - offset of value "a" (low byte)
CHANGED 0x0c - type of value "c": JSONB_TYPE_STRING
CHANGED 0x20 - offset of value "c" (high byte)
CHANGED 0x00 - offset of value "c" (low byte)
      (free)  0x00
      (free)  0x0c
      (free)  0x1e
      (free)  0x00
      (free)  0x0c
      (free)  0x20
      (free)  0x00
              0x61 - first key  ('a')
      (free)  0x62
              0x63 - third key  ('c')
              0x01 - length of value "a"
              0x78 - contents of value "a" ('x')
      (free)  0x01
      (free)  0x79
              0x01 - length of value "c"
              0x7a - contents of value "c" ('z')

這裏會產生兩個binary diff,一個用於更新element個數,一個用於更新offset。

從上面的例子可以看到,每個Binary diff表示了一段連續更新的數據,有幾段連續更新的數據,就有幾個binary diff。 binary diff存儲到TABLE::m_partial_update_info->m_binary_diff_vectors中,

寫入logical diff

logical diff 主要用於優化寫binlog

Sql_cmd_update::update_single_table
 |--> fill_record_n_invoke_before_triggers
      |-->fill_record
             |--> Item::save_in_field
                     |--> Item_func::save_possibly_as_json
                             |--> Item_func_json_set_replace::val_json
                                    |-->TABLE::add_logical_diff

新的LOB存儲格式

相關代碼:
storage/innobase/lob/*, 所有的類和函數定義在namesapce lob下面

從上面的分析可以看到,Server層已經提供了所有修改的偏移量,新數據長度,已經判斷好了數據能夠原地存儲,對於innodb,則須要利用這些信息來實現partial update 。

在展開這個問題之前,我們先來看下innodb針對json列的新格式。從代碼中可以看到,為了實現partial update, innodb增加了幾種新的數據頁格式:

壓縮表:
FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FIRST
FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_DATA
FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_INDEX
FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FRAG
FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FRAG_ENTRY

普通表:
FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX
FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA
FIL_PAGE_TYPE_LOB_FIRST

我們知道,傳統的LOB列通常是在聚集索引記錄內留一個外部存儲指針,指向lob存儲的page,如果一個page存儲不下,就會產生lob page鏈表。而新的存儲格式,則引入了lob index的概念,也就是為所有的lob page建立索引,格式如下:

ref pointer in cluster record
                         -------
                            |
                    FIL_PAGE_TYPE_LOG_FIRST
                            |
                    FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX             ----------->   FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA
                            |
                    FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX             -------------> FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA
                           |
                    ... ....

Note: 本文只討論非壓縮表的場景, 對於壓縮表引入了更加復雜的數據類型,以後有空再在本文補上。

ref Pointer格式如下(和之前相比,增加了版本號)

字段字節數描述
BTR_EXTERN_SPACE_ID4space id
BTR_EXTERN_PAGE_NO4第一個 lob page的no
BTR_EXTERN_OFFSET/BTR_EXTERN_VERSION4新的格式記錄version號

第一個FIL_PAGE_TYPE_LOG_FIRST頁面的操作定義在 lob::first_page_t類中格式如下(參考文件: include/lob0first.h lob/lob0first.cc):

字段字節數描述
OFFSET_VERSION1表示lob的版本號,當前為0,用於以後lob格式改變做版本區分
OFFSET_FLAGS1目前只使用第一個bit,被設置時表示無法做partial update, 用於通知purge線程某個更新操作產生的老版本LOB可以被完全釋放掉
OFFSET_LOB_VERSION4每個lob page都有個版本號,初始為1,每次更新後遞增
OFFSET_LAST_TRX_ID6
OFFSET_LAST_UNDO_NO4
OFFSET_DATA_LEN4存儲在該page上的數據長度
OFFSET_TRX_ID6創建存儲在該page上的事務id
OFFSET_INDEX_LIST16維護lob page鏈表
OFFSET_INDEX_FREE_NODES16維護空閑節點
LOB_PAGE_DATA
存儲數據的起始位置,註意第一個page同時包含了lob index 和lob data,但在第一個lob page中只包含了10個lob index記錄,每個lob index大小為60字節

除了第一個lob page外,其他所有的lob page都是通過lob index記錄來指向的,lob index之間鏈接成鏈表,每個index entry指向一個lob page,

普通Lob Page的格式如下

字段字節數描述
OFFSET_VERSION1lob data version,當前為0
OFFSET_DATA_LEN4數據長度
OFFSET_TRX_ID6創建該lob page的事務Id
LOB_PAGE_DATA
lob data開始的位置

lob index entry的大小為60字節,主要包含如下內容(include/lob0index.h lob/lob0index.cc):

偏移量字節數描述
OFFSET_PREV6Pointer to the previous index entry
OFFSET_NEXT6Pointer to the next index entry
OFFSET_VERSIONS16Pointer to the list of old versions for this index entry
OFFSET_TRXID6The creator transaction identifier.
OFFSET_TRXID_MODIFIER6The modifier transaction identifier
OFFSET_TRX_UNDO_NO4the undo number of creator transaction.
OFFSET_TRX_UNDO_NO_MODIFIER4The undo number of modifier transaction.
OFFSET_PAGE_NO4The page number of LOB data page
OFFSET_DATA_LEN4The amount of LOB data it contains in bytes.
OFFSET_LOB_VERSION4The LOB version number to which this index entry belongs.

從index entry的記錄格式我們可以看到 兩個關鍵信息:

  • 對lob page的修改會產生新的lob page(“lob::replace()”) 和新的lob index entry

  • lob page no及其數據長度,據此我們可以根據修改的數據在json column裏的offset,通過lob index快速的定位到其所在的lob page

  • 每個lob page的版本號: 為了實現mvcc多版本,用戶線程先從undo log中找到對應版本的clust record,找出其中存儲的版本號v1,然後在掃描lob index時,如index entry中記錄的版本號<= v1,則是可見的,如果> v1, 那麽就需要根據OFFSET_VERSIONS鏈表,找到對應版本的index entry,並
    根據這個老的Index entry找到對應的lob page, 如下所示:

EXTERN REF (v2)
|
LOB IDX ENTRY (v1)
|
LOB IDX ENTRY(v2)  -----> LOB IDX ENTRY(v1)
|
LOG IDX ...(v1)

多版本讀判斷參考函數 'lob::read'
lob更新lob::update: 根據binary diff,依次replace

Note: 不是所有的lob數據都需要partial update, 額外的lob index同樣會帶來存儲開銷,因此定義了一個threshold(ref_t::LOB_BIG_THRESHOLD_SIZE),超過2個page才去做partial update; 另外row_format也要確保lob列不存儲列前綴到clust index ( ref btr_store_big_rec_extern_fields)

寫入binlog

在更新完一行後,對應的變更需要打包到線程的cache中(THD::binlog_write_row() --> pack_row()), 這時候要對partial update進行特殊處理,需要設置特定選項:

  • binlog_row_image = MINIMAL;

  • binlog_row_value_options=PARTIAL_JSON

如上例第一個update產生的binlog如下:

UPDATE t SET b = JSON_SET(b, '$[0]', 'XY');

binlog:

'/*!*/;
### UPDATE `test`.`t`
### WHERE
###   @1=1 /* INT meta=0 nullable=0 is_null=0 */
### SET
###   @2=JSON_REPLACE(@2, '$[0]', 'XY') /* JSON meta=4 nullable=1 is_null=0 */

由於存在主鍵,因此前鏡像只記錄了主鍵值,而後鏡像也只記錄了需要更新的列的內容,對於超大Json列,binlog上的開銷也是極小的,考慮到binlog通常會成為性能瓶頸點,預計這一特性會帶來不錯的吞吐量提升

原文鏈接


MySQL8.0 新特性:Partial Update of LOB Column