gh-ost：不一样的在线表结构变更
简介：
2016年8月份,shlomi-noach在GitHub Engineering发文宣布gh-ost开源。gh-ost是什么？一个不依赖触发器实现的在线表结构变更工具.
对于数据库运维人员来说,MySQL的大表表结构变更一直都是个麻烦事,为了尽量不影响业务,业内常用的解决方案无外乎三种，一是利用Percona的pt-online-schema-change,Facebook的OSC等三方工具,二是在备库修改通过切换实现滚动变更，三则是升级MySQL到5.6/5.7通过官方Online DDL实现部分变更。然而,引入触发器带来的锁竞争问题,主备切换带来的附加成本以及Online DDL的局限性都不让DBA省心。
gh-ost的设计号称无触发器，可监控，可动态调整暂停等，更重要的是切换方案的优秀设计。下面就介绍下其实现原理和cut-over(新旧表切换)的详细过程。
原理：
gh-ost不依赖于触发器,是因为他是通过模拟从库,在row binlog中获取增量变更,再异步应用到ghost表的。
官方架构图如下：
<该图摘自gh-ost>
图中描述了两种功能模式：
1.连接主库直接修改
- 直连主库
- 主库上创建ghost表
- 新表(ghost表)上直接alter修改表结构
- 迁移原表数据到新表
- 拉取解析binlog事件,应用到新表
-
cut-over阶段,用新表替换掉原表
2.连接从库间接应用到主库
- 连接从库
- 校验完后,在主库创建新表
- 迁移原表数据到新表
- 模拟从库的从库,拉取解析增量binlog应用到主库
- cut-over阶段,用新表替换掉原表
两者不同的点就在于,通过连接从库来进行变更,对主库的性能影响最小
变更流程：
以直连主库修改为例，详细介绍gh-ost做了哪些操作：
1.模式:
- 根据参数配置可选三种变更模式
- 除了直连主库和连接从库以外,还有连接从库做变更测试
2.校验:
- 测试db是否可连通,并且验证database是否存在
- 确认连接实例是否正确
- 权限验证 show / gh-ost / grants for current_user()
- binlog验证,包括row格式验证和修改binlog格式后的重启replicate
- 原表存储引擎,外键,触发器检查,行数预估等
3.初始化:
- 初始化stream的连接,添加binlog的监听
- 初始化applier连接,创建ghosttable和changelogtable
-
判断是否符合迁移条件,写入结果到tablesInPlace channel
4.迁移:
迁移过程中,row copy和binlog apply是同时进行,其中原则是binlog apply的优先级一定大于row copy操作的优先级。
5.状态展示:
Copy: 9451000/10000060 94.5%; Applied: 31; Backlog: 0/100; Time: 8m26s(total), 8m26s(copy); streamer: mysql-bin.000040:68321839; ETA: 29s
6.cut-over:
- 尝试lock原表
- 成功后,进行rename原子性操作,被block住
- unlock原表,rename完成切换
- 后续中间表清理工作
迁移和切换的细节实现：
关于gh-ost的实现，这里只挑了rowcopy和binlog apply的顺序问题和rename过程做了详细解析。
数据迁移过程
在数据迁移的过程中，数据变量有三个，暂且分为，A:来自原表的rowcopy，B:binlog的apply，C:对原表的dml操作。
C操作会记录binglog从而触发B操作，所以B操作一定在C操作的后面，因此一般情况下，会有ACB,CBA两种组合，同时特殊情况如binlog apply延迟，则会有CAB这种组合。
分析三种组合之前要先了解gh-ost在sql改写方面是如何映射的：
| RowCopy | 原表操作 | 新表操作 |
|---|---|---|
| select | insert ignore into |
| BinlogApply | 原表操作 | 新表操作 |
|---|---|---|
| insert | replace into | |
| update | update 新表(全行更新) | |
| delete | delete |
在上述原则的基础上，我们再来逐个分析不同顺序组合的影响:
1.insert 操作
binlog是最权威的,gh-ost的原则是以binlog优先,所以无论任何顺序下,数据都是和binlog保持一致,如果rowcopy在后,会insert ignore,如果binlog apply在后会replace into掉。
2.update/delete 操作
一般情况下：
ACB组合,即对已经rowcopy过的数据，出现对原表的update/delete操作。这时候会全部通过binlog apply执行，注意binlog apply的update是对某一条记录的全部列覆盖更新，所以不会有累加的问题。
CBA组合,即对尚未迁移的数据，出现对原表的update/delete操作。这时候对新表的binlog apply会是空操作，具体数据由rowcopy迁移。
特殊情况下:
CAB组合,即先对原表更新完以后，rowcopy在binlog apply之前把数据迁移了过去，而在binlog event过来以后，会再次应用，这里有问题？其实结合gh-ost的binlog aplly的sql映射规则,insert操作会被replace重新替换掉,update 会更新对应记录全部行,delete 会是空操作。最终数据还是一致的状态。
cut-over过程：
在pt-osc或者online ddl中,最后的rename操作一般是耗时比较短,但如果表结构变更过程中,有大查询进来,那么在rename操作的时候,会触发MDL锁的等待,如果在高峰期,这就是个严重的问题。所以gh-ost是怎么做的呢？
gh-ost利用了MySQL的一个特性，就是原子性的rename请求，在所有被blocked的请求中，优先级永远是最高的。gh-ost基于此设计了该方案：一个连接对原表加锁，另启一个连接尝试rename操作，此时会被阻塞住，当释放lock的时候，rename会首先被执行，其他被阻塞的请求会继续应用到新表。
migrator.go:iterateChunks() 函数来确定何时开始cut－over
具体切换流程如下：
START
-
会话A
- CREATE table tbl_old
防止rename过早执行
- LOCK TABLES tbl WRITE, tbl_old WRITE
通过lock_wait_timeout设置为2s控制超时,超时失败会重试次数为配置default-retries,默认60次
- 新的请求进来，关于原表的请求被blocked
- RENAME TABLE tbl TO tbl_old, ghost TO tbl , 同样被blocked
- 新的请求进来，关于原表的请求被blocked
- 检查是否有blocked 的RENAME请求，通过show processlist
- 会话A: DROP TABLE tbl_old
- 会话A: UNLOCK TABLES
- RENAME SUCCESS
END
不同阶段失败后如何处理：
- 如果第一步失败，退出程序
- 如果会话A建表成功，加锁失败，退出程序，未加锁
- rename请求来的时候，会话A死掉，lock会自动释放，同时因为tbl_old的存在rename也会失败，所有请求恢复正常
- rename被blocked的时候，会话A死掉，lock会自动释放，同样因为tbl_old的存在，rename会失败，所有请求恢复正常
- rename死掉，gh-ost会捕获不到rename，会话A继续运行，释放lock，所有请求恢复正常
