MySQL線程池總結

MySQL線程池總結

線程池是MySQL5.6的一個核心功能，對於伺服器應用而言，無論是web應用服務還是DB服務，高並發請求始終是一個繞不開的話題。當有大量請求並發訪問時，一定伴隨著資源的不斷建立和釋放，導致資源使用率低，降低了服務品質。線程池是一種通用的技術，通過預先建立一定數量的線程，當有請求達到時，線程池分配一個線程提供服務，請求結束後，該線程又去服務其他請求。 通過這種方式，避免了線程和記憶體對象的頻繁建立和釋放，降低了服務端的並發度，減少了環境切換和資源的競爭，提高資源利用效率。所有服務的線程池本質都是位了提高資源利用效率，並且實現方式也大體相同。本文主要說明MySQL線程池的實現原理。

在MySQL5.6出現以前，MySQL處理串連的方式是One-Connection-Per-Thread,即對於每一個資料庫連接，MySQL-Server都會建立一個獨立的線程服務，請求結束後，銷毀線程。再來一個串連請求，則再建立一個串連，結束後再進行銷毀。這種方式在高並發情況下，會導致線程的頻繁建立和釋放。當然，通過thread-cache，我們可以將線程緩衝起來，以供下次使用，避免頻繁建立和釋放的問題，但是無法解決高串連數的問題。One-Connection-Per-Thread方式隨著串連數暴增，導致需要建立同樣多的服務線程，高並發線程意味著高的記憶體消耗，更多的環境切換(cpu cache命中率降低)以及更多的資源競爭，導致服務出現抖動。相對於One-Thread-Per-Connection方式，一個線程對應一個串連，Thread-Pool實現方式中，線程處理的最小單位是statement(語句)，一個線程可以處理多個串連的請求。這樣，在保證充分利用硬體資源情況下(合理設定線程池大小)，可以避免瞬間串連數暴增導致的伺服器抖動。

調度方式實現

MySQL-Server同時支援3種串連管理方式，包括No-Threads，One-Thread-Per-Connection和Pool-Threads。No-Threads表示處理串連使用主線程處理，不額外建立線程，這種方式主要用於調試；One-Thread-Per-Connection是線程池出現以前最常用的方式，為每一個串連建立一個線程服務；Pool-Threads則是本文所討論的線程池方式。MySQL-Server通過一組函數指標來同時支援3種串連管理方式，對於特定的方式，將函數指標設定成特定的回呼函數，串連管理方式通過thread_handling參數控制，代碼如下：

if (thread_handling <= SCHEDULER_ONE_THREAD_PER_CONNECTION) 
  one_thread_per_connection_scheduler(thread_scheduler,
                                      &max_connections,
                                      &connection_count);
else if (thread_handling == SCHEDULER_NO_THREADS)
  one_thread_scheduler(thread_scheduler);
else                               
  pool_of_threads_scheduler(thread_scheduler, &max_connections,&connection_count);

串連管理流程

1.通過poll監聽mysql連接埠的串連請求
2.收到串連後，調用accept介面，建立通訊socket
3.初始化thd執行個體，vio對象等
4.根據thread_handling方式設定，初始化thd執行個體的scheduler函數指標
5.調用scheduler特定的add_connection函數建立串連

下面代碼展示了scheduler_functions模板和線程池對模板回呼函數的實現，這個是多種串連管理的核心。

struct scheduler_functions                       
{ 
uint  max_threads;

uint  *connection_count;                         
 
ulong *max_connections;                         
 
bool (*init)(void);                             
 
bool (*init_new_connection_thread)(void);       

void (*add_connection)(THD *thd);

void (*thd_wait_begin)(THD *thd, int wait_type);

void (*thd_wait_end)(THD *thd);                 

void (*post_kill_notification)(THD *thd);       

bool (*end_thread)(THD *thd, bool cache_thread);

void (*end)(void);
};

 

static scheduler_functions tp_scheduler_functions=               

{
  0,                                    // max_threads
  NULL,
  NULL,                                                           
  tp_init,                            // init
  NULL,                              // init_new_connection_thread
  tp_add_connection,          // add_connection
  tp_wait_begin,                // thd_wait_begin           
  tp_wait_end,                  // thd_wait_end
  tp_post_kill_notification,  // post_kill_notification   
  NULL,                            // end_thread
  tp_end                            // end

};

線程池的相關參數
1.thread_handling:表示線程池模型。
2.thread_pool_size:表示線程池的group個數，一般設定為當前CPU核心數目。理想情況下，一個group一個活躍的背景工作執行緒，達到充分利用CPU的目的。
3.thread_pool_stall_limit:用於timer線程定期檢查group是否“停滯”，參數表示檢測的間隔。
4.thread_pool_idle_timeout:當一個worker空閑一段時間後會自動結束，保證線程池中的背景工作執行緒在滿足請求的情況下，保持比較低的水平。
5.thread_pool_oversubscribe:該參數用於控制CPU核心上“超頻”的線程數。這個參數設定值不含listen執行緒計數。
6.threadpool_high_prio_mode:表示優先隊列的模式。

線程池實現

上面描述了Mysql-Server如何管理串連，這節重點描述線程池的實現架構，以及關鍵介面。1

每一個綠色的方框代表一個group，group數目由thread_pool_size參數決定。每個group包含一個優先隊列和普通隊列，包含一個listener線程和若干個背景工作執行緒，listener線程和worker線程可以動態轉換，worker線程數目由工作負載決定，同時受到thread_pool_oversubscribe設定影響。此外，整個線程池有一個timer線程監控group，防止group“停滯”。

關鍵介面

1. tp_add_connection[處理新串連]

1)  建立一個connection對象

2)  根據thread_id%group_count確定connection分配到哪個group

3)  將connection放進對應group的隊列

4)  如果當前活躍線程數為0，則建立一個背景工作執行緒

2. worker_main[背景工作執行緒]

1)  調用get_event擷取請求

2)  如果存在請求，則調用handle_event進行處理

3)  否則，表示隊列中已經沒有請求，退出結束。

3. get_event[擷取請求]

1)  擷取一個串連請求

2)  如果存在，則立即返回，結束

3)  若此時group內沒有listener，則線程轉換為listener線程，阻塞等待

4)  若存在listener，則將線程加入等待隊列頭部

5)  線程休眠指定的時間(thread_pool_idle_timeout)

6)  如果依然沒有被喚醒，是逾時，則線程結束，結束退出

7)  否則，表示隊列裡有串連請求到來，跳轉1

備忘：擷取串連請求前，會判斷當前的活躍線程數是否超過了

thread_pool_oversubscribe+1，若超過了，則將線程進入休眠狀態。

4. handle_event[處理請求]

1)  判斷串連是否進行登入驗證，若沒有，則進行登入驗證

2)  關聯thd執行個體資訊

3)  擷取網路資料包，分析請求

4)  調用do_command函數迴圈處理請求

5)  擷取thd執行個體的通訊端控制代碼，判斷控制代碼是否在epoll的監聽列表中

6)  若沒有，調用epoll_ctl進行關聯

7)  結束

5.listener[監聽線程]

1)  調用epoll_wait進行對group關聯的通訊端監聽，阻塞等待

2)  若請求到來，從阻塞中恢複

3)  根據串連的優先順序別，確定是放入普通隊列還是優先隊列

4)  判斷隊列中任務是否為空白

5)  若隊列為空白，則listener轉換為worker線程

6)  若group內沒有活躍線程，則喚醒一個線程

備忘：這裡epoll_wait監聽group內所有串連的通訊端，然後將監聽到的串連

請求push到隊列，worker線程從隊列中擷取任務，然後執行。

6. timer_thread[監控線程]

1)  若沒有listener線程，並且最近沒有io_event事件

2)  則建立一個喚醒或建立一個背景工作執行緒

3)  若group最近一段時間沒有處理請求，並且隊列裡面有請求，則

4)  表示group已經stall，則喚醒或建立線程

備忘：timer的作用是避免group處於stall狀態

7.tp_wait_begin[進入等待狀態流程]

1)  活躍線程數減1，等待線程數加1

2)  若活躍線程數為0，並且任務隊列不為空白，或者沒有監聽線程，則

3)  喚醒或建立一個線程

備忘：waiting_threads這裡面的線程是空閑線程，並非等待線程，所謂空

閑線程是隨時可以處理任務的線程，而等待線程則是因為等待鎖，或等待io操

作等無法處理任務的線程。

8.tp_wait_end[結束等待狀態流程]

1)  設定connection的waiting狀態為false

2)  活躍線程數加1，等待線程數減1

線程池與串連池

串連池通常實現在Client端，是指應用(��戶端)建立預先建立一定的串連，利用這些串連服務於用戶端所有的DB請求。如果某一個時刻，閒置串連數小於DB的請求數，則需要將請求排隊，等待空閑串連處理。通過串連池可以複用串連，避免串連的頻繁建立和釋放，從而減少請求的平均回應時間，並且在請求繁忙時，通過請求排隊，可以緩衝應用對DB的衝擊。線程池實現在server端，通過建立一定數量的線程服務DB請求，相對於one-conection-per-thread的一個線程服務一個串連的方式，線程池服務的最小單位是語句，即一個線程可以對應多個活躍的串連。通過線程池，可以將server端的服務線程數控制在一定的範圍，減少了系統資源的競爭和線程環境切換帶來的消耗，同時也避免出現高串連數導致的高並發問題。串連池和線程池相輔相成，通過串連池可以減少串連的建立和釋放，提高請求的平均回應時間，並能很好地控制一個應用的DB串連數，但無法控制整個應用叢集的串連數規模，從而導致高串連數，通過線程池則可以很好地應對高串連數，保證server端能提供穩定的服務。2所示，每個web-server端維護了3個串連的串連池，對於串連池的每個串連實際不是獨佔db-server的一個worker，而是可能與其他串連共用。這裡假設db-server只有3個group，每個group只有一個worker，每個worker處理了2個串連的請求。

圖 2(串連池與線程池架構圖)

線程池最佳化

1.優先隊列

由於一個group會同時處理多個串連，但多個串連不是對等的。比如，有的串連是第一次發送請求；而有的串連對應的事務已經開啟，並且持有了部分鎖資源。為了減少鎖資源爭用，後者顯然應該比前者優先處理，以達到儘早釋放鎖資源的目的。因此在group裡面，可以添加一個優先順序隊列，將已經持有鎖的串連發起的請求放入優先隊列，背景工作執行緒首先從優先隊列擷取任務執行。

2.大查詢處理

假設一種情境，某個group裡面的串連都是大查詢，那麼group裡面的背景工作執行緒數很快就會達到thread_pool_oversubscribe參數設定值，對於後續的串連請求，則會響應不及時(沒有更多的串連來處理)，這時候group就發生了stall。通過前面分析知道，timer線程會定期檢查這種情況，並建立一個新的worker線程來處理請求。如果長查詢來源於業務請求，則此時所有group都面臨這種問題，此時主機可能會由於負載過大，導致hang住的情況。這種情況線程池本身無能為力，因為源頭可能是爛SQL並發，或者SQL沒有走對執行計畫導致，通過其他方法，比如SQL高低水位限流或者SQL過濾手段可以應急處理。但是，還有另外一種情況，就是dump任務。很多下遊依賴於資料庫的未經處理資料，通常通過dump命令將資料拉到下遊，而這種dump任務通常都是耗時比較長，所以也可以認為是大查詢。如果dump任務集中在一個group內，並導致其他正常業務請求無法立即響應，這個是不能容忍的，因為此時資料庫並沒有壓力，只是因為採用了線程池策略，才導致了請求響應不及時，為瞭解決這個問題，我們將group中處理dump任務的線程不計入thread_pool_oversubscribe累計值，避免上述問題。

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