麒麟v10 上部署 TiDB v5.1.2 生产环境优化实践
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2023-05-07
MySQL在删除表时I/O错误原因分析
MySQL在删除表时I/O错误原因分析
问题现象
最近使用sysbench测试MySQL，由于测试时间较长，写了一个脚本按prepare->run->cleanup的顺序在后台跑着。跑完后察看日志发现一个问题，MySQL服务的错误日志中出现多条类似以下信息的报错：
[ERROR] InnoDB: Trying to do I/O to a tablespace which does not exist. I/O type: read, page: [page id: space=32, page number=57890], I/O length: 16384 bytes。
看起来是I/O出现了错误，但MySQL进程并未崩溃，sysbench客户端也没有报错。
发现问题过程
根据报错的时间记录以及脚本输出的各个阶段的时间点对比，确定了当时脚本正在执行的命令为：
sysbench --tables=100 --table-size=4000000 --threads=50 --mysql-db=sbtest --time=300 oltp_delete cleanup
重新手动执行一遍这个用例，却没有再出现同样的情况。但是用脚本执行却依然能够发现这个错误信息。初步怀疑是run和cleanup之间不能间隔太久才会触发这个问题。由于执行一遍100G数据量的时间较长，重现代价较大，先尝试缩减用例数据量。将—table-size=4000000修改为2000000，此时执行脚本，又不会触发这个问题了，***将—table-size=3000000可以稳定触发又能减少部分重现时间。为了确认是否间隔太长会导致不能复现，修改脚本在run和cleanup两个阶段之间sleep 10秒，果然不会触发这个错误信息。修改为sleep 5秒则还能触发，不过报错条数已有所减少。
问题调查
察看对应版本mysql5.7.22的代码，发现这个报错只有一个位置：fil0fil.cc文件的第5578行fil_io()函数内。 直接使用gdb调试，在这个位置加上断点，并执行可复现的脚本，得到以下堆栈：
(gdb) bt #0 fil_io (type=..., sync=sync@entry=false, page_id=..., page_size=..., byte_offset=byte_offset@entry=0, len=16384, buf=0x7f9ead544000, message=message@entry=0x7f9ea8ce9c78) at mysql-5.7.22/storage/innobase/fil/fil0fil.cc:5580 #1 0x00000000010f99fa in buf_read_page_low (err=0x7f9ddaffc72c, sync=
很明显这是后台线程在做insert buffer merge操作。此时发现space->stop_new_ops为true，也就是要处理的页面所属的space正在被删除。为什么会去操作正在被删除的space呢？这需要调查下insert buffer功能、insert buffer merge的流程以及删除表的流程。
insert buffer背景知识
insert buffer是一种特殊的数据结构（B+ tree），当辅助索引页面不在缓冲池中时，它会将更改缓存起来，稍后在页面被其他读取操作加载到缓冲池中时合并。MySQL最初引进这个功能的时候只能缓存insert操作，所以叫做insert buffer，现在这些操作可以是 INSERT, UPDATE, or DELETE(DML)，所以改叫做change buffer了（本文依然以insert buffer描述），但源码中依然以ibuf作为标识。这个功能把若干对同一页面的更新缓存起来，合并为一次性更新操作，减少了IO，并转化随机IO为顺序IO,这样可以避免随机IO带来性能损耗，提高数据库的写性能。
相关insert buffer merge逻辑
当buffer page读入buffer pool时，就会进行insert buffer merge。主要有几个场景会出现merge过程：
当页面被读入缓冲池时，读取完成后先进行ibuf的merge，然后页面才可用；merge操作作为后台任务执行。 innodb_io_capacity参数可设置InnoDB后台任务每次merge过程的页面数上限；在崩溃恢复期间，当索引页被读入缓冲池时，将执行对应页的insert buffer merge；insert buffer具有持久性，系统崩溃不会导致它失效。重启后，insert buffer merge操作将恢复正常；服务器关闭时可使用—innodb-fast-shutdown = 0强制进行ibuf的完全合并。
我们这次的问题很明显属于第二种情况。innodb主线程(svr_master_thread）会每隔一秒主动进行一次insert buffer的merge操作。先判断过去1s之内服务器是否发生过活动（插入元组到页面、undo表上的行操作等），如果发生过，则merge的***页面数为innodb_io_capacity设定的5%。如果没有则merge的***页面数为innodb_io_capacity设定的值。
innodb主线程(svr_master_thread）merge的主流程如下：
主线程从ibuf树的叶子节点读取页号和space号，并记录到一个二元数组中（未加锁）；主线程对二元组中space进行检测是否在表空间缓存中，如不在，说明已经被删除了，删除对应ibuf的记录；主线程判断是否对一个正在删除的space进行异步读取操作，如果是，报错，并删除对应ibuf的记录，转到过程2继续下一个数组元素的判断；如果一切判断正常，主线程发出async io请求，async读取需要被merge的索引页面；I/O handler 线程，在接受到完成的async I/O之后，进行merge操作；进行merge的时候调用fil_space_acquire对space->n_pending_ops进行自增。避免删除操作并发；执行完毕后调用fil_space_release对space->n_pending_ops进行自减。
相关删除表的逻辑
对fil_system->mutex加锁，设置sp->stop_new_ops = true，标记space正在删除，不允许对它进行新操作，然后对fil_system->mutex解锁；对fil_system->mutex加锁，检测space->n_pending_ops，对fil_system->mutex解锁。如果检测到大于0，意味着还有依赖的操作未完成，睡眠20ms后重试；对fil_system->mutex加锁，检测space->n_pending_flushes和(*node)->n_pending ，对fil_system->mutex解锁。如果检测到大于0，意味着还有依赖的I/O未完成，睡眠20ms后重试；此时认为已经没有冲突的操作了，刷出所有脏页面或删除所有给定的表空间的页面；从表空间缓存删除指定space的记录；删除对应数据文件。
问题结论
情况很明确了，主线程获取ibuf的（space，page）的过程与删除操作执行的过程并没有锁保证互斥，只有async I/O完成之后的merge操作与删除操作才有互斥。如果后台线程开始ibuf merge并已经执行过了第2步的检测，但还没有执行到第3步检测，此时用户线程开始做删除表的操作，并设置好stop_new_ops标记但还没有执行到第5步删除表空间缓存，就会出现这个错误信息。两线程的交互如下图所示：
不出意外的话，在打中断点时必然有线程在执行对应表的删除操作。果然我们可以发现如下堆栈：
解决办法
为buf_read_ibuf_merge_pages、buf_read_page_low、fil_io新增一个参数ignore_missing_space。表示忽略正在删除的space，默认为false，当ibuf_merge_pages调用的时候置为true。在fil_io报错处额外判断该参数是否为true，是则不报错，继续其他流程。
或者直接在buf_read_ibuf_merge_pages调用buf_read_page_low时传入IORequest::IGNORE_MISSING参数。
影响版本
察看相关信息，这个问题是修改Bug#19710564时删除表空间版本引入的。
MySQL Community Server 5.7.6引入，版本5.7.22尚未修复，版本8.0.0已修复。MariaDB Server 10.2受影响。MariaDB Server 10.2.9, 10.3.2已修复
优化建议
可优化一下性能：在buf_read_ibuf_merge_pages中记录下出错的space id，循环的时候判断下一个page的space id，如果space id是相同的，直接删除对应ibuf的记录（当前分配的***space id记录在系统表空间，space id占4个字节，低于0xFFFFFFF0UL，分配时读取系统表空间保存的值，然后加一，具有唯一性）。
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