TiDB MVCC 版本堆积相关原理及排查手段

2024/4/7 4:02:29

本文主要是介绍TiDB MVCC 版本堆积相关原理及排查手段,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

导读

本文介绍了 TiDB 中 MVCC(多版本并发控制)机制的原理和相关排查手段。 TiDB 使用 MVCC 机制实现事务,在写入新数据时不会直接替换旧数据,而是保留旧数据的同时以时间戳区分版本。 当历史版本堆积过多时,会导致读写性能下降。 为了解决这个问题,TiDB 使用 Garbage Collection(GC)定期清理不再需要的旧数据。 文章从 TiDB 中 MVCC 版本的生成原理、数据写入过程和 TiDB 版本堆积常见排查手段等方面进行了详细介绍 。

TiDB 的事务的实现采用了 MVCC(多版本并发控制)机制,当新写入的数据覆盖旧的数据时,旧的数据不会被替换掉,而是与新写入的数据同时保留,并以时间戳来区分版本。 Garbage Collection(GC)的任务便是清理不再需要的旧数据。

如上所述,TiDB 底层使用的是单机存储引擎 rocksdb, 为了实现分布式事务接口,TiDB 又采用 MVCC 机制,基于 rocksdb 实现了高可用分布式存储引擎 TiKV。也就是当新写入(增删改)的数据覆盖到旧数据时,旧数据不会被替换掉,而是与新写入的数据同时保留,并以时间戳来区分版本。当这些历史版本堆积越来越多时,就会引出一系列问题,最常见的便是读写变慢。TIDB 为了降低历史版本对性能的影响,会定期发起 Garbage Collection(GC) ( https://docs-archive.pingcap.com/zh/tidb/v7.2/garbage-collection-overview ) 清理不再需要的旧数据。

本文作为 TiDB GC 的前序文章,我们将详细介绍一下这些旧版本数据是如何堆积起来的,以及如何排查确认当前版本数据的堆积已经对集群性能构成了影响。

TiDB 中的 MVCC 版本的生成原理

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  • 在 TIDB 层,我们最初收到的是一个关系型表的数据,TiDB 会将这个关系型表数据转化成 key-value,同时调用分布式事务接口,将 key-value 数据写入到 TiKV。
  • 在 TIKV 层,我们采用 MVCC 机制提供了分布式事务接口,最终所有的写入都会转化成一条 MVCC key-value 格式写入到 raftstore. 说到 MVCC 格式的 key-value, 无非就是每一个 key 上都有一个版本号,代表其提交的先后顺序。后面我们将这类格式的数据统一称为 MVCC key-value 对。
  • 在 raftstore 层,则最终将数据以 key-value 的形式,写入到 rocksdb 中。(注意,rocksdb( https://docs.pingcap.com/tidb/stable/rocksdb-overview ) 本身基于 LSM 架构实现,所以它也有 MVCC 的概念,本文不做详细介绍,只对 TiDB 相关的内容点到为止)

数据写入过程

下面我们举个例子来详细讲讲在 TiDB 集群中,一个具体的写入过程。

当我们在 TiDB 中,执行以下 SQL 时:

insert into students set name="Bob",age=12,score=99 

1.1 TiDB SQL table 转为 Key-Value

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在 TiDB 层,我们有以上关系型表,上面这一行数据最终会变成三对 key-value(详细原理 https://book.tidb.io/session1/chapter3/tidb-kv-to-relation.html ),分别对应:

  • 主键对需要保证 key 唯一性:主键值 => 本行所有列数据
  • 唯一索引按 key 有序排列加速查询速度:name 列:唯一索引 => 主键
  • 非唯一索引按 key 有序排列提升查询性能:age 列:索引+主键 => 空值

1.2 TiKV 侧 MVCC 版本写入

在 TiKV 层,分布式事务接口在收到对应的 key-value 对后,会转成对应的 MVCC key-value 写入到 raftstore. 这里我们不展开分布式事务的具体实现逻辑,只用最简单的乐观锁模型( https://zhuanlan.zhihu.com/p/87608202 )来举例。

Prewrite 接口完毕后:

其中锁 Lock CF(无版本号)如下:

  • t_{table-id}_r1=> start_ts,primary_key,ttl,PUT
  • t_{table-id}_i{indexID}_Bob=>start_ts,primary_key,ttl,PUT
  • t_{table-id}_i{indexID}_12_1=>start_ts,primary_key,ttl,PUT

数据 Default CF(mvcc 版本号 start_ts 在 key 的后缀里)如下:

  • t_{table-id}r1{start_ts}=> {Bob,12,99}
  • t_{table-id}_i{indexID}Bob{start_ts}=>1
  • t_{table-id}_i{indexID}_12_1{start_ts}=>null

具体实现中,会有一个优化,即当 value 值不是很大时,不会将数据单独放在 Default CF 里面(这里不展开具体介绍)。

Commit 接口调用完毕之后:

以主键对为例子,数据会发生如下变化:

Write CF 里面写入:

  • t_{table_id}_{commit_ts}=>start_ts

Lock CF 中对应 key 被删除(注意这里是 rocksdb 的一次删除,rocksdb 底层 LSM 也是 mvcc, 即删除对 rocksdb 也是写入一个新版本):

  • t_{table-id}_r1=> start_ts,primary_key,ttl,PUT

综上,我们 以 主键所在 key 为例 ,展开 讲讲这个 key 随着增删改 mvcc 版本的变迁。

transaction 1: insert set id=1

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transaction 2: update where id=1

update 之后,在 raftstore 里面留下的 mvcc 信息如下:

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也就是说,update 并没有直接去更新上一次写入的内容,而是重新写了一份数据到底层。

transaction 3: delete id=1

那如果我们 delete id=1 的这一行数据呢?从下面我们可以看到,delete 也是通过写入一个新版本到底层。

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综上,当我们对 id=1 依次做了 insert/update/delete 之后,对于 TiDB 客户端来说,这一行数据已经删除,但是对于存储底层来说,此时在 raftstore 层留下了以下多个 mvcc 版本。

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可以看到,同一行数据会随着增删改的次数,积累越来越多的版本,这里历史的 mvcc 版本如果不及时清理,不光物理磁盘空间无法释放,更会对读写产生性能影响,所以我们需要 GC 来对这些旧版本数据进行回收。

TiDB 版本堆积常见排查手段

如前文所说,当 MVCC 版本出现堆积时,会对读写造成性能影响,此时,我们就需要对 GC 参数及状态进行判断,加速旧版本数据的回收,提升集群读写性能。

那么,在实际的业务场景中,如何判断我们的 MVCC 数据版本是否出现堆积,并对当前集群读写性能造成了影响呢?

2.1 Slow log 视角(具体慢 SQL 视角)

如前文所说,MVCC 版本堆积最直接的影响是读写变慢,所以我们从 slow log( https://docs-archive.pingcap.com/zh/tidb/v7.2/identify-slow-queries ) 可以来排查 SQL 执行慢的原因是否是 mvcc 历史版本是否堆积过多。

tidb slow log: scan_detail: {total_process_keys: 1139428, total_process_keys_size: 433849330, total_keys: 1139434, rocksdb: {delete_skipped_count: 0, key_skipped_count: 2278852,....

上面摘取的一段日志是 slow log 里面,与 TiDB mvcc 版本数量有关的几个字段:

  • total_process_keys: 本次查询扫描的有用的用户 key 个数。不包含已删除的版本及 rocksdb 里面 tombstone 的版本
  • total_keys :本次查询总共扫的 mvcc 版本个数

total_keys > total_process_keys*6 时,代表着查询范围内的平均每个 key 的 mvcc 版本是 6 以上,需要注意 GC 的相关参数是否合理,检查 GC 的状态是否正常。

Rocksdb 相关指标 (rocksdb 里面的 mvcc):

  • delete_skipped_count: rocksdb 里面被标记为删除的 key. 当这个值比较大时,意味着 rocksdb 需要做 compaction 了
  • key_skipped_count( https://github.com/facebook/rocksdb/blob/9f1c84ca471d8b1ad7be9f3eebfc2c7e07dfd7a7/include/rocksdb/perf_context.h#L84 ): 实际读取过程中,rocksdb 读取迭代器中执行 next 的个数,代表着实际数据的读取量

下面我们举个例子来加深理解 slow log 里面的这些字段。(注意后续所有的例子 SQL 中,查询语句需要加上“explain analyze( https://docs.pingcap.com/tidb/stable/sql-statement-explain-analyze )” 才能看到具体的 mvcc 扫描详情)

Step 1:创建表结构

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  • total_process_keys 是 0,因为它是一张空表。
  • total_keys =1 因为我们在查询之前并不知道这张表是否为空,需要拿出符合条件的第一个 MVCC 版本才能确认这条 mvcc 不是本表数据。

Step 2:插入一条 ID=1 的新数据

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可以看到,插入完成后再查询时:

  • total_process_keys =1, 表中当前一共有一行数据(id=1)
  • total_keys =2, 扫完 id=1 的 key 后,还要往后扫一个 key 才能确认此表中已经没有数据

Step 3:更新 ID=1 的这行数据

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更新完后再查询时:

  • total_process_keys =1 因为确实这张表中只有一行数据
  • total_keys = 3, 因为 id=1 这行数据有两个版本, 也就是本次更新增加了一个版本

Step 4:删除 ID=1 所在行

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删除后执行查询时:

  • total_process_keys =0:删除了 id=1 这行数据后,表里面没有数据了
  • total_keys = 3+1:而删除 id=1 给这行数据增加了一个版本,所以 total_keys 比上一次多了 1 个

Step 5:插入一条 ID=2 的新数据

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请尝试自行分析。

2.2 Grafana (集群)视角

因为 slow log 默认只记录 300 ms 以上的 SQL 读取细节,怎么看整个集群 mvcc 读取状态呢?这就需要我们从 grafana 级别来宏观分析了。

分布式事务 mvcc

监控地址:tikv-details->coprocessor-details-> Total Ops Details(TableScan/IndexScan)

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如图所说:

Ops 具体分两种:

  • Table scan:代表着按 table 主键查询
  • Index scan:代表着按索引查询

具体监控值分两类:

  • processed_keys:代表查询后实际用户可见的 key 个数,与 slow-log 中的 total_processed_keys 概念一致
  • next/seek/…:代表本次查询在 TiKV 迭代器中每个指令的调用次数,一般 next 居多。所有指令总调用次数接近于 slow log 里面 total_keys

同样的,如果从上图中看到 processed_keys 所在的线如果远远小于 next, 则说明 mvcc 版本冗余对当前的读取已经构成性能影响。

Rocksdb 层看 MVCC

tikv-details->coprocessor->total rocksdb perf statistics:

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这里 delete_skipped 主要是指 rocksdb 里面的 tombstone, 对应于 slow log 里面的 delete_skipped_count。

2.3 Region 视角(热点更新表视角)

在实际业务中,我们往往对某些 table 或者 table 中的某些行更新比较频繁,从集群角度看,就只有这些 table 涉及到的 region 的数据版本堆积比较严重。

同时 TiDB 在设计时,要求同一个 key 所在的所有 mvcc 版本数据只能落在一个 region 里面,所以如果 TiDB 中某一行数据更新过于频繁,会导致版本堆积过多而出现大 region 的情况(大于 1 G)。那么在遇到大 region 时,我们如何判断是否出现了这种情况呢?

tikv-ctl( https://docs.pingcap.com/tidb/stable/tikv-control#print-some-properties-about-region )工具提供了命令来查看具体 region 内 mvcc 数据的分布:

tiup ctl:v6.5.0 tikv --host 127.0.0.1:20160 region-properties -r  6493
Starting component `ctl`: /home/tidb/.tiup/components/ctl/v6.5.0/ctl tikv --host 127.0.0.1:20160 region-properties -r 6493
mvcc.min_ts: 442383585748713474
mvcc.max_ts: 442383589195644931
mvcc.num_rows: 410870
mvcc.num_puts: 410870
mvcc.num_deletes: 0
mvcc.num_versions: 410870
mvcc.max_row_versions: 1
writecf.num_entries: 410870
writecf.num_deletes: 0
writecf.num_files: 1
writecf.sst_files: 053983.sst
defaultcf.num_entries: 0
defaultcf.num_files: 0
defaultcf.sst_files: 
region.start_key: 7480000000000000ffe75f728000000000ff3f028e0000000000fa
region.end_key: 7480000000000000ffe75f728000000000ff454f410000000000fa
region.middle_key_by_approximate_size: 7480000000000000ffe75f728000000000ff42250e0000000000faf9dc567895dbfffe

其中我们重点关注 mvcc 为前缀的为 mvcc 相关数据:

  • mvcc.min_ts:这个 region 里面的所有版本中最小(最老)的 tso
  • mvcc.min_ts:本 region 数据中最新的 mvcc 版本 的 tso
  • mvcc.num_rows:用户可见的 key 个数(包含已删除的)= mvcc.num_put+mvcc.num_delete
  • mvcc.num_put:用户可见的 key 个数(不包含已删除的)
  • mvcc.num_delete:用户可见的已删除的 key 数
  • mvcc.num_version:用户可见的 mvcc 版本个数
  • mvcc.max_row_versions:本 region 中版本数最多的那个 key 拥有的版本数量

Rocksdb 的相关指标不详细展开,只需要关注到 *cf.num_deletes 比较高时,可以通过 手动 compaction ( https://docs.pingcap.com/tidb/stable/tikv-control#compact-data-of-each-tikv-manually )指定 CF 来解决。



这篇关于TiDB MVCC 版本堆积相关原理及排查手段的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对大家有所帮助,也希望大家多多支持为之网!


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