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作者：居佳佳、李淳竹
产品技术解读
2022-03-01

前言

Relay log 类似 binary log，是指一组包含数据库变更事件的文件，加上相关的 index 和 mata 文件，具体细节参考官方文档。在 DM 中针对某个上游开启 relay log 后，相比不开启，有如下优势：

  • 不开启 relay log 时，每个 subtask 都会连接上游数据库拉取 binlog 数据，会对上游数据库造成较大压力，而开启后，只需创建一个连接拉取 binlog 数据到本地，各个 subtask 可读取本地的 relay log 数据。
  • 上游数据库对 binlog 一般会有一个失效时间，或者会主动 purge binlog，以清理空间。在不开启 relay log 时，如果 DM 同步进度较为落后，一旦 binlog 被清理，会导致同步失败，只能重新进行全量迁移；开启 relay log 后，binlog 数据会被实时拉取并写入到本地，与当前同步进度无关，可有效避免前面的问题。

但在 DM 版本 <= v2.0.7 中，开启 relay log 后有如下问题：

  • 数据同步延迟相比不开启 relay log 有明显上升，下面的表格是一个单 task 的 benchmark 的测试结果，可看出平均 latency 有明显的增长。下表中以“.”开头的是延迟的百分位数据。
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  • 开启 relay 后 CPU 消耗增加。（由于 latency 的增长，在一些简单场景下（比如只有 1 个 task）相比不开启 relay log，资源使用率反而是下降的。但当 task 增多时，开启 relay 的 CPU 消耗就增加了）。

由于以上问题，在新的版本中，我们对 DM 的 relay log 做了一些性能优化。

当前 relay 实现

在开始介绍具体的优化之前，首先简单介绍下当前 DM 中 relay 的实现，详细实现，详情可参阅 DM 源码阅读系列文章（六）relay log 的实现，本文在此不做过多描述。

当前 relay 模块可以分为两个部分，relay writer 和 relay reader 部分，其结构如下所示：

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Relay writer

relay writer 依次做了下述 3 个事情：

  1. 使用 binlog reader 从上游 MySQL/MariaDB 读取 binlog event；
  2. 将读取到的 binlog event 使用 binlog transformer 进行转换；
  3. 将转换后的 binlog event 使用 binlog writer 以 relay log file 的形式存储在本地的 relay directory 中。

Relay reader

开启 relay 后，Syncer 会通过 relay reader 获取 binlog event，relay reader 主要是做了如下工作：

  • 读取 realy directory 中的 binlog 文件，发送给 syncer；
  • 当读取到文件尾时，定时（目前是每隔 100ms）检查当前 binlog 文件大小和 meta 文件内容是否存在变化，如果改变则继续读取（binlog 文件变化）或者切换到新的文件（meta 文件变化）。

从上面的介绍可以看出，relay reader 跟 relay writer 是相互独立的，彼此通过 relay directory 中的 binlog、meta 和 index 文件进行交互。

测试环境说明

在开始介绍优化内容前，先介绍下优化时使用的环境情况

  • 上游为 MySQL，版本为 5.7.35-log ；
  • 下游为单实例的 TiDB，版本为 5.7.25-TiDB-v5.2.1；
  • DM 使用了 1 个 master 和 1 个 worker

    • Latency 基准测试版本为 2021-10-14 号的 master 分支（commit hash 为 d2dc22d）
    • CPU 基准测试版本为 2021-11-01 号的 relay 重构分支（commit hash 为9f7ce1d6）
  • 在小规模测试（<= 4 task）下 MySQL/TiDB/DM 运行在同一主机，方便测试，主机环境为 8 核 16G；
  • 较大规模测试（> 4 task）下 MySQL/TiDB/DM 分别运行在一台主机上，主机都是 8 核 16G
  • 测量迁移延迟采用下游自更新时间列的方式，详细参考多种方式告诉你如何计算DM同步数据到 TiDB 的延时时间中的第三种方式。

Latency 优化

从上面的“当前 relay 实现”部分可以看出，有两个可能影响 latency 的点：

  • 当前 relay reader 的定时 check 的实现方式本身就会对 latency 有一定影响，在最坏情况下一个 binlog event 至少要延迟 100ms 才能同步到下游；
  • relay writer 会写到磁盘，之后 relay reader 从磁盘读取，这一读一写是否会对 latency 有较大影响？
    • 调研发现 linux 系统（Mac OS 系统下也有类似机制）下存在 page cache 的机制，读取最近写入的文件并非通过磁盘，而是读取 OS 内存中的缓存，因此理论上影响有限。

经过调研以及对上述问题的测试，我们总结了两个方案：

  • 在内存中缓存 relay writer 在最近一段时间内预备写入的 binlog，如果 relay reader 请求这段 binlog，relay reader 直接从内存读取；
  • relay reader 仍然采用读取文件的方式，relay writer 在写入新的 event 时，通知 relay reader。

方案 1 需要根据下游的写入速度在读内存和读文件之间进行切换，实现起来相对复杂，而且由于 OS 层 page cache 的存在，应用本身再增加一层缓存对 latency 的影响有限。

方案 2，我们做了一些初步的测试，在增加 relay reader check 的频率时，开启 relay 基本能达到不开启 relay 时的latency，调研了下 MySQL 的 relay log，发现也是通过读取文件的方式，因此我们选择了方案 2。

实现相对较简单，在 relay writer 增加了 Listener，在有新 binlog event 时通知该 Listener（往 channel 中发送一个消息），然后在 relay reader 中，将定时 check 改为监听 channel 中的消息。

下图是在 4 table 4 task 测试下的 latency 结果，可以看出开启 relay 后的 latency 跟不开启很接近：

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CPU 优化

Latency 优化完后，我们也对开启 relay log 后的 CPU 占用情况做了测试，发现开启后 CPU 占用率也较高，下图是在 4 table 4 task 下测试结果（注：后续没有特殊说明的话，都是在该场景下的测试结果），可以看出开启 relay 后 CPU 消耗有明显增长，而且尖刺变得更大：

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使用 golang 自带的 pprof 做了一个 CPU profile，从下图可以看出占比较大的主要是 syncer/relay reader/relay writer 等部分，对比代码逻辑后，发现：

  • Relay reader 使用了 go-mysql 的 ParseFile 接口，该接口每次调用都会重新打开文件，并读取第一个 FORMAT_DESCRIPTION 事件，也就是下图中第一个蓝色标注的位置；
  • 在优化 latency 时，由于 relay reader 和 writer 是相互独立的，为了简化实现，仅通过 channel 通知是否存在新的 binlog 写入，而新写入的 binlog 可能在上次读取的时候已经读取过了，这导致了很多无效的 meta、index 文件的检查。
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针对上面的问题，我们做了如下优化：

  • 使用 go-mysql 的 ParseReader 来消除重复打开和读取的消耗；
  • 重构 relay 模块，将 relay writer 和 reader 整合在一起，方便两者间通信。relay reader 在通过 channel 收到通知后，检查当前 relay writer 正在写入的文件是否跟正在读取的文件相同，即该文件是否为 active 写入状态，并获取当前文件写入的位置，通过这些信息，可以避免无效的 meta、index 文件的检查。

从下图可以看出优化后 CPU 有较大幅度的降低，但是尖刺仍然较大：

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由于我们测试用的 sysbench 产生 write 事件的速率是比较平稳的，DM 中也没有特别的执行代码，而 Golang 是一个编译型带 GC 的语言，因此我们猜测尖刺主要来自于 GC，但是这一点从 CPU profile 并不明显，见下图：

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使用 GODEBUG=gctrace=1 开启 GC 日志，见下图，可以发现：

  • 开启 relay 后，驻留内存大了接近一倍（239 MB -> 449 MB），Heap 总空间也大了近一倍。
    • 经过调研该问题是由于 DM 内嵌的 tidb 导致的内存泄漏，暂时未处理。
  • 开启 relay 后，GC 占用的 CPU 大幅增加，特别是 background GC time 和 idle GC time。
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下图是上面优化后做的 heap profile 中 alloc_space 部分的火焰图：

说明：pprof 的 heap profile 是程序运行至今的一个剖析，并不是某一段时间内，所以从下图中也可以看到一些驻留内存的申请。

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通过 heap profile 并对比代码，发现了以下可优化的点：

  • Go-mysql 在从文件解析 binlog event 时，每个 event 都会重新申请一个 bytes.Buffer，并在读取过程中不断扩容。优化后改为使用一个 buffer pool，减少不断扩容带来的开销；
  • Local streamer 中 heatbeat event 使用了 time.After ，使用该接口代码会更简洁，但是该接口创建的 channel 只在触发 timer 时才会释放，另外 Local streamer 读取事件是一个高频调用，每次调用都创建一个 timer channel 开销也较大。优化后改为复用 timer；
  • Relay 从上游读取事件时使用了一个 timeout context，每次读取都会创建一个额外的 channel，而在当前场景下，该 timeout context 并没必要。优化后去掉了该 timeout context；
  • Relay reader、relay writer 写入 debug 日志未检测 log level，每次都会创建一些 Field 对象，虽然不大，但是由于这些操作调用频率较高，也会带来一些开销。优化后，对高频调用的 debug 日志，增加 log level 判断。
    • 说明：DM 写入日志使用的 zap logger，该 logger 性能较好，在非高频调用下，直接调用 log.Debug 一般是没问题的。

优化后的结果如下，可以看出 CPU 又降低了不少，尖刺也少了很多：

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下图为在 20 table 20 task 场景下的测试结果：

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遗留问题 & 未来工作

经过上面的优化，开启 relay 相比不开 relay，在 latency 上的差距已经很小， CPU 的增长也在一个相对低的水平，但是仍有一些点是可以继续优化的，预期会在后续版本中逐步添加，如下：

  • go-mysql 读文件使用的 io.CopyN，这个函数内部会申请一个小对象，高频使用情况下还是对 GC 有一些影响的，但不大，这次暂时没改；
  • 有些对 no relay 和 relay 同时生效的优化这次没做，比如 streamer 读取 event 时创建的 timeout context；
  • 目前看多个 reader 读同一个文件还是有不少开销的，再优化的可能方案：
    • 减少读的次数，比如一个 reader 读完、其他的 reader 读内存之类的，或者像之前设想的增加内存缓存的方式；
    • 合并相同下游的 task，减少 task 数量。
DM

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