深入解读阿里云数据库POLARDB核心功能物理复制技术

Posted 2021-02-04

日志是数据库的重要组成部份，按顺序以增量的方式记录了数据库上所有的操作，日志模块的设计对于数据库的可靠性、稳定性和性能都非常重要。 可靠性方面，在有一个数据文件的基础全量备份后，对运行中的数据库来说，日志文件的重要性大于数据文件，只要操作记录到日志中并完成落盘，就等于操作完成，无须等待数据文件落盘。因为日志的顺序和增量方式，使得数据库的增量实时备份（包括备库）成为可能，更可以使用异步、同步或Raft多数等方式通过保护日志来保护所有的数据。

稳定性方面，日志的增量模式减少了需要写出的数据量，日志的顺序写对于IO操作十分友好，可以充分节约寻道时间（机械硬盘）和写入缓存，使得日志的写操作可以十分平稳，在面对高并发的事务时，不易出现剧烈的抖动，从而得到高的稳定性和性能。按照日志的组织形式，可以分为物理日志和逻辑日志，物理日志使用更偏向底层数据块操作的方式来描述变更，逻辑日志则偏向于使用记录镜像或SQL语句的方式来描述变更，事务引挚一般使用物理日志的模式来记录事务的底层操作，而非事务引挚则一般使用逻辑日志的方式。

用编程语言来打比方的话，物理日志相当于使用汇编语言来记录了操作，而逻辑日志则相当于使用Go/Python等级别的语言来记录操作，物理日志相比逻辑日志具有更高的可靠性、稳定性和性能。回顾数据库的历史，商业数据库都只支持物理日志，从来没有逻辑日志的说法。mysql因为其上下分层（SQL层和引挚层）的设计导致事务存贮引挚层必须有独立的物理日志，以及多引挚支持的原因，必须在SQL层设计逻辑日志以透明化不同存储引挚（主备可以不同引挚）的支持，形成了一个双日志的现状，对MySQL的稳定性和性能带来了极大的困难和挑战。

物理日志因其格式比较底层，使其非常难以创建只读实例，并且从只读实例切换为读写实例需要比较长的时间，可以参考Oracel数据库的发展历程，长久以来一直没有支持随时只读的备库，将备库切换为主库需要极期严格的步骤，需要比较长的时间，比较难以实现自动化，无法轻松实现互联网读扩展流量扩展的需求。而逻辑日志因其格式比较上层，使其非常容易创建只读实例，从只读实例转换为读写实例可以在秒级完成，并形成了一整套的增量数据订阅消费。MySQL在享受逻辑复制好处时，也承受了逻辑复制带来的一些限制：

存储引挚层难以直接产生逻辑日志，为了数据的一致性，在物理日志和逻辑日志之间引入了XA（2PC）机制，给稳定性和性能带来了极大的限制和挑战，导致事务处理性能和传统商业数据库相比有较大差距，基于物理日志则差距极小。
同一事务的MySQL逻辑日志需要连续写出，因此无法支持较大的事务操作，过大的事务会导致操作失败。基于物理日志，同一个操作的日志可以分段（事务开始、操作1、操作2、事务提交）写出，因此可以支持大事务操作。
MySQL现有逻辑日志保存了整条记录的前后镜象，造成逻辑日志写入量较大增加IO压力，易引起性能下降和抖动。物理日志只记录变化字段，格式紧凑以减少总日志量，具备较好的IO性能，不易引起性能下降和抖动，肯有更高的性能和稳定性。
MySQL逻辑日志，在回入时需要重新经过SQL层代码，执行路径较长，并且不易并行处理，易造成备库时延，即逻辑日志产生的速度超过回放的速度；物理日志因包含完整事务信息，更易用事务一致性实现并行回放，可极大提升备库恢复的速度，做到高压力下主备ms级时延。如下图：

MySQL逻辑日志，不包含事务信息，无法做连续性检测，可以从任意点开始恢复，不熟悉不专业的操作容易，造成问题；物理日志包含完整事务信息，可以做连续性检测，会自动识别上一次的中断点，减少人工判断操作，可有效防止人为误操作。
因此基于逻辑复制的MySQL在大表加字段、建索引等操作上，主备复制的体验非常不够好。POLARDB在充分认识到MySQL逻辑复制的优缺点后，选择以物理复制为基础实现复制节点（Replica），提升了主备复制的效率和体验，为广大客户提供了稳定、可靠、高性能能的只读节点，引领了新一代复制技术的发展。

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