畅游数据库性能优化过程简析(上)

前 言

经过周末两天的折腾,在大家的帮助下最终将用户 DB 的性能峰值由最初的不到 8W 的 QPS + TPS 提升至 17W,心情也由最初的忐忑过渡到现在的平静,现在想来,整个的优化过程感觉还是比较好玩的,趁着现在还有些印象,就把整个排查 & 优化过程详细的记录下来,以备不时之需,也希望能给人一些启发来解决其它问题,同时,也让俺感谢一下在整个解决过程中给予很多帮助的同事,没有你们在背后的帮助,DB 端解决问题的时间要更久!

问题背景

上周团队聚餐的时候,老大说有一个用户使用 DB 的时候遇到了问题,现有的 DB 性能无法满足用户的性能需求。用户在对现有的 DB 进行压力测试时发现 QPS + TPS 小于 7W/S,继续加大压力的时候 Load 上涨、Idle CPU 很低、Thread running 飙升、性能下降,最终导致网站处理并发能力的下降,无法达到预期的吞吐量。用户在对现有逻辑及吞吐量计算的基础上提出了性能指标,即 DB 的单机性能 QPS + TPS 大于 10W/S, 只有这样才能满足业务要求,否则 DB 就是整个链路的瓶颈。由于用户的上线时间临近,上线压力比较大,老大说周末尽力搞定,如果搞不定,只能上最好的机器来解决性能问题,这样的话,成本就要上来了。(当时正在吃饭,瞬间感觉压力山大,不能好好的吃肉了……,有木有……!)

现场信息收集

第二天还没醒就收到老大的消息,然后怀着疑惑的心情火速上线,登录到机器上,开始了 DB 性能的调优之旅……

首先,使用 orzdba 监控工具查看了用户实例的性能状态,如下所示:

-----load-avg---- ---cpu-usage--- ---------QPS---------------TPS------Hit%-----------threads------ 
  1m    5m   15m |usr sys idl iow|  ins   upd   del    sel   iud|     lor    hit| run  con  cre  cac|
99.86 46.70 18.68| 65  25  10   0| 1045  3411     0  62800  4456|  304288 100.00| 251  963    0    0|
99.86 46.70 18.68| 64  25  11   0| 1005  2956     0  64017  2961|  311912 100.00| 299  963    0    0|
99.86 46.70 18.68| 66  25   9   0| 1223  3274     0  64511  4497|  309941 100.00| 325  963    0    0|
99.86 46.70 18.68| 66  24  10   0| 1188  2992     0  64425  4180|  413496 100.00| 331  963    0    0|
97.86 46.70 18.68| 66  24  10   0| 1148  3319     0  63536  4467|  307956 100.00| 262  963    0    0|
97.86 46.70 18.68| 63  25  11   0| 1162  3723     0  64628  4485|  300747 100.00| 306  963    0    0|
97.86 46.70 18.68| 66  25   9   0| 1117  4416     0  64077  5533|  305845 100.00| 273  963    0    0|
96.86 46.70 18.68| 64  24  12   0| 1101  4240     0  63520  5341|  307361 100.00| 234  963    0    0|
96.86 46.70 18.68| 65  25  10   0| 1128  4502     0  62604  5630|  312940 100.00|  52  963    0    0|
96.86 46.92 18.68| 65  25  10   0|  900  4846     0  60648  5746|  298142 100.00| 282  963    0    0|

从上面的性能信息可以发现命中率 100%, 即用户基本是全内存操作,thread running 较高,CPU 有少量, thread running 彪升,到底线程在做什么呢?怀着这样的疑问,然后执行了一下 pstack {pid of mysqld} > pid.info 以获取实例的内部线程信息,然后使用 pt-pmp pid.info 将堆栈信息进行显示,发现了如下的信息:

192 __lll_lock_wait(libpthread.so.0),_L_lock_974(libpthread.so.0),pthread_mutex_lock(libpthread.so.0),inline_mysql_mutex_lock(mysql_thread.h:690),lock(mysql_thread.h:690),open_table(mysql_thread.h:690),open_and_process_table(sql_base.cc:4726),open_tables(sql_base.cc:4726),open_normal_and_derived_tables(sql_base.cc:5856),execute_sqlcom_select(sql_parse.cc:5129),mysql_execute_command(sql_parse.cc:2656),mysql_parse(sql_parse.cc:6408),dispatch_command(sql_parse.cc:1340),do_command(sql_parse.cc:1037),do_handle_one_connection(sql_connect.cc:990),handle_one_connection(sql_connect.cc:906),pfs_spawn_thread(pfs.cc:1860),start_thread(libpthread.so.0),clone(libc.so.6)
 31 __lll_lock_wait(libpthread.so.0),_L_lock_790(libpthread.so.0),pthread_mutex_lock(libpthread.so.0),rw_pr_wrlock(thr_rwlock.c:397),inline_mysql_prlock_wrlock(mysql_thread.h:984),MDL_map_partition::move_from_hash_to_lock_mutex(mysql_thread.h:984),find_or_insert(mdl.cc:898),MDL_map::find_or_insert(mdl.cc:898),try_acquire_lock_impl(mdl.cc:2033),MDL_context::acquire_lock(mdl.cc:2033),open_table_get_mdl_lock(sql_base.cc:2587),open_table(sql_base.cc:2587),open_and_process_table(sql_base.cc:4726),open_tables(sql_base.cc:4726),open_normal_and_derived_tables(sql_base.cc:5856),execute_sqlcom_select(sql_parse.cc:5129),mysql_execute_command(sql_parse.cc:2656),mysql_parse(sql_parse.cc:6408),dispatch_command(sql_parse.cc:1340),do_command(sql_parse.cc:1037),do_handle_one_connection(sql_connect.cc:990),handle_one_connection(sql_connect.cc:906),pfs_spawn_thread(pfs.cc:1860),start_thread(libpthread.so.0),clone(libc.so.6)
    ...
    ...
    1 lfind(libc.so.6),lsearch(lf_hash.c:267),lf_hash_search(lf_hash.c:267),find_or_create_digest(pfs_digest.cc:223),end_statement_v1(pfs.cc:4815),inline_mysql_end_statement(mysql_statement.h:215),dispatch_command(mysql_statement.h:215),do_command(sql_parse.cc:1037),do_handle_one_connection(sql_connect.cc:990),handle_one_connection(sql_connect.cc:906),pfs_spawn_thread(pfs.cc:1860),start_thread(libpthread.so.0),clone(libc.so.6)

根据上述的 pt-pmp & pstack 文件相结合,可以看到如下堆栈:

#0  0x00007fc5f03eef7d in __lll_lock_wait () from /lib64/libpthread.so.0
#1  0x00007fc5f03ead77 in _L_lock_974 () from /lib64/libpthread.so.0
#2  0x00007fc5f03ead20 in pthread_mutex_lock () from /lib64/libpthread.so.0
#3  0x00000000006a64e8 in inline_mysql_mutex_lock (src_line=115, src_file=0xc73308 "../sql/table_cache.h", that=0x138d9e0 <table_cache_manager>) at ../include/mysql/psi/mysql_thread.h:690
#4  lock (this=0x138d9e0 <table_cache_manager>) at ../sql/table_cache.h:115
#5  open_table (thd=thd@entry=0x397e5210, table_list=table_list@entry=0x7fbd44004e20, ot_ctx=ot_ctx@entry=0x7fbd740876e0) at ../sql/sql_base.cc:2944
#6  0x00000000006aed49 in open_and_process_table (ot_ctx=0x7fbd740876e0, has_prelocking_list=false, prelocking_strategy=0x7fbd74087920, flags=0, counter=0x397e7050, tables=0x7fbd44004e20, lex=0x397e6fa0, thd=0x397e5210) at ../sql/sql_base.cc:4726
#7  open_tables (thd=thd@entry=0x397e5210, start=start@entry=0x7fbd74087918, counter=0x397e7050, flags=flags@entry=0, prelocking_strategy=prelocking_strategy@entry=0x7fbd74087920) at ../sql/sql_base.cc:5159
#8  0x00000000006af7fa in open_normal_and_derived_tables (thd=thd@entry=0x397e5210, tables=0x7fbd44004e20, flags=flags@entry=0) at ../sql/sql_base.cc:5856
#9  0x0000000000572a48 in execute_sqlcom_select (thd=thd@entry=0x397e5210, all_tables=<optimized out>) at ../sql/sql_parse.cc:5129
#10 0x00000000006fa010 in mysql_execute_command (thd=thd@entry=0x397e5210) at ../sql/sql_parse.cc:2656

根据上面收集的信息我们可以清楚的得出以下结论:

  • 应用在执行SQL语句的过程中,table_cache_manager 中的锁冲突比较严重;
  • MySQL Server 层中的 MDL_lock 冲突比较重;
  • 实例开启了 Performance_schema 功能;

经过了上面的分析,我们需要着重查看上述问题的相关变量,变量设置的情况会对性能造成直接的影响,执行结果如下:

MySQL [(none)]> show variables like '%performance_schema'; 
+--------------------+-------+
| Variable_name      | Value |
+--------------------+-------+
| performance_schema | ON    |
+--------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

MySQL [(none)]> show variables like '%instances';
+-----------------------------------------+--------+
| Variable_name                           | Value  |
+-----------------------------------------+--------+
| innodb_buffer_pool_instances            | 8      |
| metadata_locks_hash_instances           | 8      |
| ........................................|........|
| ........................................|........|
| table_open_cache_instances              | 1      |
+-----------------------------------------+--------+
10 rows in set (0.00 sec)

参数分析

这里我们先来介绍一下上述参数在 MySQL 中的作用 & 含义:

  • table_open_cache_instances 简介

table_open_cache_instances 指的是 MySQL 缓存 table 句柄的分区的个数,而每一个 cache_instance 可以包含不超过 table_open_cache/table_open_cache_instances 的table_cache_element,详细可以参考官方的说明文档:table_open_cache_instances,MySQL 打开表的过程可以简单的概括为:

1、根据线程的 thread_id 确定线程将要使用的 table_cache,即 thread_id % table_cache_instances; 2、从该 tabel_cache 元素中查找相关系连的 table_cache_element,如果存在转 3,如果不存在转 4; 3、从 2 中查找的table_cache_element 的 free_tables 中出取一个并返回,并调整 table_cache_element 中的 free_tables & used_tables 元素; 4、如果 2 中不存在,则重新创建一个 table, 并加入对应的 table_cache_element 的 used_tables的列表;

从以上过程可以看出,MySQL 在打开表的过程中会首先从 table_cache 中进行查找有没有可以直接使用的表句柄,有则直接使用,没有则会创建并加入到对应的 table_cache 中对应的 table_cache_element 中,从刚才提取的现场信息来看,有大量的线程在查找 table_cache 的过程中阻塞着了,而 table_open_cache_instances 的个数为 1, 因此,此参数的设置需要调整,由于 table_open_cache_instances 的大小和 线程 ID & 并发 有关系,考虑当前的并发是1000左右,于是将该植设置为 32;

MySQL 中不同的线程虽然使用各自的 table 句柄,但是共享着同一个table_share,如果想从源码上了解 table & table_share 以及 两者之间的相互,可以从变量 table_open_cache, table_open_cache_instances,table_definition_cache 入手,阅读 Table_cache_manager, Table_cache, Table_cache::get_table 等相关代码,由于篇幅限制,在此不在详述。

  • MDL Lock 的前世今生

在 5.1 中有一个 binlog log 乱序的问题,详情及复现方法可以参考这篇文章:alter table rename 操作导致复制中断,MDL_LOCK 就是为了解决上述问题而在 5.5 中引入的。简单的说 MDL Lock 是 MySQL Server 层中的表锁,主要是为了控制 Server 层 DDL & DML 的并发而设计的, 但是 5.5 的设计中只有一把大锁,所以到5.6中添加了参数 metadata_locks_hash_instances 来控制分区的数量,进而实现大锁的拆分,虽然锁的拆分提高了并发的性能,但是仍然存在着不少的性能问题,所以在 5.7.4 中 MDL Lock 的实现方式采用了 lock free 算法,彻底的解决了 Server 层表锁的性能问题,而参数 metadata_locks_hash_instances 也将会在之后的某个版本中被删除掉;

参考文档:metadata_locks_hash_instances

由于实例中的表的数目比较多,而 metadata_locks_hash_instances 的参数设置仅为8,因此,为了将底锁的冲突的可能性,我们将此值设置为 32;

  • Performance Schema 作用 & 影响

通俗的说,performance schema 是 MySQL 的内部诊断器,用于记录 MySQL 在运行期间的各种信息,如表锁情况、mutex 竟争情况、执行语句的情况等,和 Information Schema 类似的是拥用的信息都是内存信息,而不是存在磁盘上的,但和 information_schema 有以下不同点:

  • information_schema 中的信息都是从 MySQL 的内存对象中读出来的,只有在需要的时候才会读取这些信息,如 processlist, profile, innodb_trx 等,不需要额外的存储或者函数调用,而 performance schema 则是通过一系列的回调函数来将这些信息额外的存储起来,使用的时候进行显示,因此 performance schema 消耗更多的 CPU & memory 资源;
  • Information_schema 中的表是没有表定义文件的,表结构是在内存中写死的,而 performation_schema 中的表是有表定义文件的;
  • 实现方式不同,Information_schema 只是对内存的 traverse copy, 而 performance_schema 则使用固定的接口来进行实现;
  • 作用不同,Information_schema 主要是轻量级的使用,即使在使用的时候也很少会有性能影响,performance_schema 则是 MySQL 的内部监控系统,可以很好的定位性能问题,但也很影响性能;

由以上的分析不难看出,在性能要求比较高的情况下,关闭 performance_schema 是一个不错的选择,因此将 performance_schema 关闭。另外关闭 performance_schema 的一个原因则是因为它本身的稳定性,因为之前在使用 performance_schema 的过程中遇到了不稳定的问题,当然,遇到一个问题我们就会修复一个,只是考虑到性能问题,我们暂时将其关闭。

Performance_schema 的详细使用说明可以参考:

performance_schema 中文文档 MySQL_Performance_Schema 官方文档

经过上面的分析和判断,我们对参数做了如下的调整:

table_open_cache_instances=32
metadata_locks_hash_instances=32
performance_schema=OFF
innodb_purge_threads=4

勉强解决问题

调整了以上参数后,我们重启实例,然后要求客户做新一轮的压力测试,测试部分数据如下:

-----load-avg---- ---cpu-usage--- ---------QPS---------------TPS------Hit%-----------threads------ 
  1m    5m   15m |usr sys idl iow|  ins   upd   del    sel   iud|     lor     hit| run  con  cre  cac|
 9.91  2.75  3.16| 24  14  62   0|    0  3698     0   87124  3698|  304288 100.00|  23  963    0    0|
 9.91  2.75  3.16| 41  24  35   0|    0  7191     0  124506  7191|  311912 100.00|  20  963    0    0|
12.48  3.41  3.37| 45  24  31   0|  352  8547     0  122248  8899|  309941 100.00|  35  963    0    0|
12.48  3.41  3.37| 55  27  18   0| 1514  7338     0  118130  8852|  413496 100.00| 217  963    0    0|
12.48  3.41  3.49| 60  27  13   0| 1815  6778     0  108114  8593|  307956 100.00|  20  963    0    0|
12.48  3.41  3.49| 58  25  17   0| 1909  7575     0  102566  9484|  300747 100.00|  17  963    0    0|
12.48  3.78  3.49| 57  23  20   0| 2022  7893     0  101197  9915|  305845 100.00|  21  963    0    0|
13.86  3.78  3.68| 58  26  16   0| 1732  7498     0  104869  9230|  307361 100.00|  27  963    0    0|
13.86  4.38  3.68| 57  24  19   0| 2067  6093     0  106261  8160|  312940 100.00|  33  963    0    0|
15.86  4.38  3.68| 57  24  19   0| 2008  5661     0  102623  7669|  298142 100.00|  12  963    0    0|

从以上的测试数据来看, QPS + TPS > 10W 已经满足要求,通过 perf top -p {pidof mysqld} 命令查看了一下系统负载,发现了一处比较吃 CPU 的地方 ut_delay,详情如下:

20.69%  mysqld               [.] ut_delay(unsigned long)
  4.86%  mysqld               [.] my_hash_sort_utf8
  3.94%  mysqld               [.] mutex_spin_wait(ib_mutex_t*, char const*, unsigned long)
  3.59%  mysqld               [.] read_view_open_now_low(unsigned long, mem_block_info_t*)
  3.13%  [kernel]             [k] _raw_spin_lock
  3.05%  mysqld               [.] my_ismbchar_utf8
  2.77%  mysqld               [.] my_charpos_mb
  2.29%  mysqld               [.] my_strnxfrm_unicode
  1.80%  mysqld               [.] MYSQLparse(THD*)
  1.61%  libc-2.17.so         [.] __memcpy_ssse3_back
  1.58%  libpthread-2.17.so   [.] pthread_mutex_lock
  0.73%  mysqld               [.] row_search_for_mysql(unsigned char*, unsigned long, row_prebuilt_t*, unsigned long, unsigned long)
  0.73%  mysqld               [.] my_convert
  0.71%  libc-2.17.so         [.] _int_malloc

使用 perf record & perf report 进行分析,发现调用比较多的地方是: mutex_spin_wait,于是断定 Innodb 底层资源冲突比较严重,根据以往的经验执行如下命令:

mysql> show variables like '%spin%';
+------------------------+-------+
| Variable_name          | Value |
+------------------------+-------+
| innodb_spin_wait_delay | 10000 |
| innodb_sync_spin_loops | 30    |
+------------------------+-------+
2 rows in set (5.55 sec)

在 MySQL 内部,当 innodb 线程获取 mutex 资源而得不到满足时,会最多进行 innodb_sync_spin_loops 次尝试获取 mutex 资源,每次失败后会调用 ut_delay(ut_rnd_interval(0, srv_spin_wait_delay),导致 ut_delay 占用了过多的 CPU, 其中 ut_delay 的定义如下:

/*************************************************************//**
Runs an idle loop on CPU. The argument gives the desired delay
in microseconds on 100 MHz Pentium + Visual C++.
@return dummy value */
UNIV_INTERN
ulint
ut_delay(
/*=====*/
        ulint   delay)  /*!< in: delay in microseconds on 100 MHz Pentium */
{
        ulint   i, j;
        j = 0;
        for (i = 0; i < delay * 50; i++) {
                j += i;
                UT_RELAX_CPU();
        }
        if (ut_always_false) {
                ut_always_false = (ibool) j;
        }

        return(j);
}

由于这两个值的设定取决于实例的负载以及资源的竟争情况,所以不断的尝试设置这两个参数的值,经过多次的尝试最终将这两个参数分别设置为:innodb_spin_wait_delay = 6, innodb_sync_spin_loops = 20 (请注意这两个值不是推荐值!!!) 才将 ut_delay 的占用资源降下来,最终降低了不必要的 CPU 消耗的同时 idle cpu 也稳定在了 20+,具体资源占用详情如下:

6.52%  mysqld               [.] my_hash_sort_utf8
  3.93%  [kernel]             [k] _raw_spin_lock
  3.82%  mysqld               [.] my_ismbchar_utf8
  3.65%  mysqld               [.] my_charpos_mb
  3.31%  mysqld               [.] my_strnxfrm_unicode
  3.09%  mysqld               [.] ut_delay(unsigned long)
  2.58%  mysqld               [.] read_view_open_now_low(unsigned long, mem_block_info_t*)
  2.38%  mysqld               [.] MYSQLparse(THD*)
  1.91%  libc-2.17.so         [.] __memcpy_ssse3_back
  1.89%  mysqld               [.] mutex_spin_wait(ib_mutex_t*, char const*, unsigned long)
  1.79%  libpthread-2.17.so   [.] pthread_mutex_lock

优化到这个地步似乎达到了客户要求的性能,即 DB 单机性能为 QPS + TPS > 10W,可是如果并发量在加大,我们的 DB 能扛住更高的压力吗?

又起波澜

经过上面参数的调整,DB 已经不是性能的瓶颈,应用的吞吐量由之前的 1100 -> 1400+,但是离 2000 的吞吐量还比较远,瓶颈出现在了应用端,为了增加吞吐量,客户又增加了几台客户端机器,连接数也由之前的 900+ 上升到 1000+,此时发现 DB 虽然能够响应,但偶尔会出现 thread running 飙高的情况,具体运行状态如下,其中 mysql_com_tps = (mysql_com_insert + mysql_com_update + mysql_com_delete):

+---------------------+--------+---------+------------------+------------------+------------------+------------------+---------------+-----------------+---------------------+
| dtime               | load_1 | idlecpu | mysql_com_insert | mysql_com_update | mysql_com_delete | mysql_com_select | mysql_com_tps | threads_running | threads_connections |
+---------------------+--------+---------+------------------+------------------+------------------+------------------+---------------+-----------------+---------------------+
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接下文:《畅游数据库性能优化过程简析(下)》

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