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MySQL云数据库服务的架构探索

时间:2021-07-01 10:21:17 帮助过:46人阅读

欢迎进入Linux社区论坛,与200万技术人员互动交流 >>进入 MySQL作为一种低成本、高性能、可靠性良好而且开源的数据库产品,在互联网企业中应用非常广泛。例如,淘宝网就有数千台MySQL服务器。虽然近两年来NoSQL的发展很快,新产品层出不穷,但在业务中应用No

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  MySQL作为一种低成本、高性能、可靠性良好而且开源的数据库产品,在互联网企业中应用非常广泛。例如,淘宝网就有数千台MySQL服务器。虽然近两年来NoSQL的发展很快,新产品层出不穷,但在业务中应用NoSQL对开发者来说要求比较高,而MySQL拥有成熟的中间件、运维工具, 已经形成一个良性的生态圈。因此,在现阶段的应用中仍然以MySQL为主,NoSQL为辅。

  在过去一年里,我们在MySQL托管平台方向做了大量工作,设计和实现了一套UMP(Unifield MySQL Platform)系统,提供低成本和高性能的MySQL云数据库服务。开发者从平台上申请MySQL实例资源,通过平台提供的单一入口来访问数据。UMP系统内部维护和管理资源池,以透明的形式提供主从热备、数据备份、迁移、容灾、读写分离和分库分表等一系列服务。平台通过在一台物理机上运行多个 MySQL实例的方式来降低成本,并且实现了资源隔离,按需分配和限制CPU、内存和I/O资源,同时在不影响提供数据服务的前提下,支持根据用户业务的 发展来动态扩容和缩容。

  架构的演变

  UMP系统第一版基于 MySQL Proxy 0.8版修复了若干Bug,并对Proxy插件中管理用户连接和数据库连接的状态机流程进行了修改;编写了Lua脚本实现到中心数据库获取用户认证信息和 后台数据库地址,来对用户进行验证;建立了到后台数据库的连接和转发数据包等逻辑(如图1所示)。

  图1 UML系统的第一版(当时称作RDS系统)采用MySQL Proxy

  在开发和部署第一版的过程中,我们逐渐认识到几个问题。

  首先,MySQL Proxy 0.8版对多线程的支持比较简单粗暴,多个工作线程共享同一个消息队列,同时监听着同一个socketpair通道。当有新事件进入消息队列 后,socketpair会被写入一个字节,所有休眠中的线程都会被唤醒,去竞争一个互斥锁从消息队列中取任务。这种实现有几个问题:一是造成“惊群”现 象,多个线程被唤醒但只有一个线程需要去完成任务;二是任务的CPU亲缘性比较差,在同一个状态机上触发的事件会在多个处理器上来回切换执行。此 外,MySQL Proxy中还使用了全局Lua锁,同时仅允许一个工作线程执行Lua脚本(计划在0.9版本中改进)。因此,在多线程模式下,MySQL Proxy的性能远不能同CPU核数保持线性增长,甚至在16核上的性能还不如4核。而使用单进程模式时,一台物理机上需要部署多个进程才能有效利用机器 的处理能力,但给部署、监控和服务的升级带来麻烦。

  其次,由于MySQL Proxy的框架在功能上不容易扩展,所以实现用户的连接数限制、QPS限制及主从切换、读写分离、分库分表等功能比较困难。

  最后,MySQL Proxy的社区近些年并不活跃,且C语言对开发者功底的要求比较高,很难要求团队所有成员协同开发出兼顾优雅和正确性的代码。

  因此,我们决定用Erlang语言重新编写Proxy服务器,替换了原有的MySQL Proxy模块。目前,整个项目拥有5万行Erlang源码,3万行C/C++源码,2万行其他语言源码。

  为什么选择Erlang语言

  Erlang 是一个结构化的、动态的、函数式的编程语言。常见的一种说法是Erlang是面向并发的(Concurrent-Oriented),这主要指 Erlang在语言中定义了Erlang进程的概念和行为(本文中提到的“Erlang进程”都是指Erlang语言中定义的进程,以区分于大家熟悉的操作系统进程)。与操作系统的进程/线程相比,Erlang进程同样是并发执行的单位,但特别轻量级,它是在Erlang虚拟机内管理和调度的“绿进程”, 即用户态进程(如图2所示)。举个例子,在关闭了HiPE和SMP支持的Erlang虚拟机中,一个新创建的进程占用的内存仅为309个字 (Word,64位服务器上为8个字节)。其中233个字为堆空间(包含栈),创建和结束一个进程约耗时1~3微秒,而一个Erlang虚拟机中可以同时 支持几十万甚至更多个进程。

  图2 Erlang的轻量级进程

  说到Erlang语言,就必须提及OTP(Open Telecom Platform,开放电信平台)。OTP是用于开发分布式的、高容错性的Erlang应用程序的框架与平台。例如,一个Erlang节点连接并注册到 Erlang集群上,发现集群中的其他节点,并与它们进行RPC通信,这些都在OTP里的Kernel服务中实现。OTP和Erlang语言关系如此紧 密,以至于两者通常合称为Erlang/OTP,因此从严格的意义上来讲,应该说我们选择了Erlang/OTP来构造UMP系统。Erlang/OTP 很好地抽象了开发一个分布式的、高容错性的应用程序所需的要素,包括网络编程框架、序列化和反序列化、容错、热部署。

  为了支持并发,服务器 端多采用多进程/多线程模型,即每个进程/线程处理一个客户端连接。但受限于操作系统资源,每台服务器可以处理的并发连接数并不高,且由于进程/线程上下文切换开销,系统性能会受到影响。而开发高并发、高性能服务器一般采用事件驱动的状态机模型,底层采用非阻塞I/O(Linux中的epoll,BSD系 统中的kqueue,Java中的nio)或者异步I/O,或者采用异步的事件通知的I/O框架,例如C/C++下的ACE、boost::asio、 libevent,Java下的MINA等。在业务层则使用状态机来表示每个客户端连接,通过I/O事件、超时事件驱动状态机进行跳转,每个进程/线程可 处理成千上万个客户端连接。与多进程/多线程模型相比,虽然事件驱动的状态机模型并发量更大、性能更好,但把业务逻辑表达成状态机是一件困难的事情。相比 之下,多进程/多线程模型中的业务逻辑可以实现为顺序执行的代码,开发起来要简单得多。

  Erlang/OTP中的网络编程模型则结合了两者 的优点,每个Erlang进程处理一个客户端连接,业务逻辑是顺序执行的。Erlang进程是极轻量级的,可以认为每个Erlang进程是一个状态机,堆 和栈上的数据是这个状态机的状态。Erlang进程收到数据包或者其他进程发来的消息后执行处理例程,相当于状态机的跳转,因此也具有高并发和高性能的优 势。

  Erlang/OTP定义了“External Term Format”协议将Erlang数据结构与二进制字符串相互转化,并用C实现在Erlang虚拟机中,在进行跨节点通信时遵从这个协议。因此,开发者无须额外考虑序列化和反序列化问题。

  在容错方面,Erlang进程的数据空间是相互隔离的,没有共享内存,因此一个Erlang进程崩溃不会影响其他Erlang进程运行,更不会造成 Erlang虚拟机崩溃。OTP提供了监督树机制和heart模块,前者在监控到Erlang进程崩溃时进行故障恢复,后者在发现Erlang虚拟机失去 响应时重启程序。

  Erlang/OTP提供热部署方式,可以避免服务升级时造成不可用时间。此外,OTP还提供了一些在系统运行时观察系统状态的工具。例如lcnt工具,可以统计虚拟机内部的锁使用次数和冲突次数,指导系统的优化。

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