MySQL云数据库服务的架构探索

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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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