故障分析 | innodb_thread_concurrency 导致数据库异常的问题分析

作者通过分析源码定位数据库异常,梳理参数 innodb_thread_concurrency 设置的注意事项。

作者:李锡超

一个爱笑的江苏苏宁银行数据库工程师,主要负责数据库日常运维、自动化建设、DMP 平台运维。擅长 MySQL、Python、Oracle,爱好骑行、研究技术。

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一、问题现象

研发同学反馈某测试应用系统存在异常,分析应用的错误日志、CPU、内存和磁盘 IO 等指标后,未发现相关异常。请求配合确认数据库运行情况。

关键配置

配置项
数据库版本MySQL 8.0
数据库架构单机
CPU 个数8C
内存16G
参数 innodb_thread_concurrency16
参数 innodb_concurrency_tickets5000

二、初步分析

此类问题,一般是由于 SQL 的效率低下,导致服务器的 CPU、IO 等资源耗尽,然后应用发起新的 SQL 请求,会由于无法获取系统资源,导致 SQL 请求被堵塞。

为此,检查 CPU、IO 等资源,发现 CPU 使用率约 5%,IO 几乎没有压力。登陆数据库检查连接状态,发现很多连接的状态都在 executing。部分结果如下:

根据上述结果分析:

有 28 个会话状态为 executing,1 个会话状态为 updating。如果这些会话都真正在 executing,CPU 压力应该会很高,但实际情况仅占用很少的 CPU。

1 系统有报错或者某其它异常?

随后,对 MySQL 错误日志、磁盘使用率、磁盘 Inode 使用率、系统 messages 等信息进行确认,都未发现有相关异常!

2 SQL 语句存在特殊性?

对连接中的 SQL 进行了初步分析,发现除了表 t01 所在的 SQL 较为复杂,其它 SQL 都非常简单,且访问的都是数据表(不是视图)。表 t02t03 的数据仅 1 行,应该瞬间执行完成!

由于是测试环境,且问题导致测试阻断,于是执行如下命令收集了诊断数据:

诊断项执行 SQL
连接状态show processlist;
线程状态select * from performance_schema.threads where processlist_info\G
事务信息select * from information_schema.innodb_trx\G
InnoDB statusshow engine innodb status\G
堆栈信息pstack \<mysqld-pid>

随后对数据库执行了重启,重启完成后,应用系统恢复正常。

三、堆栈与源码分析

综合收集的信息,对连接状态、线程状态和堆栈信息进行关联分析,发现被堵塞的 29 个连接中,有 13 个都被卡在函数 nanosleep 中,比较奇怪。其堆栈关键信息如下:

#0 in nanosleep from /lib64/libpthread.so.0
#1 in srv_conc_enter_innodb
#2 in ha_innobase::index_read
#3 in ha_innobase::index_first
#4 in handler::ha_index_first
#5 in IndexScanIterator<false>::Read
#6 in Query_expression::ExecuteIteratorQuery
#7 in Query_expression::execute
#8 in Sql_cmd_dml::execute
#9 in mysql_execute_command
#10 in dispatch_sql_command
#11 in dispatch_command
#12 in do_command
#13 in handle_connection

其中 index_read ⼀般是⾸次访问 index,去找 WHERE ⾥的记录。更关键的,看到了 srv_conc_enter_innodb 函数,并由他调用了 nanosleep,执行了类似“睡眠” 的操作。为此,结合对应版本的源码进行分析。总结如下:

|-index_read(buf, nullptr, 0, HA_READ_AFTER_KEY) // 入口函数
 |-ret = innobase_srv_conc_enter_innodb(m_prebuilt)
 |-err = DB_SUCCESS
 // STEP-1: 判断 innodb_thread_concurrency 是否为0, 不为0则进一步判断。否则直接返回(即不限制进入innodb的线程数)
 |-if (srv_thread_concurrency): 
 // STEP-2: 判断事务拥有的 ticket(该值初始为:0) 个数是否大于0,如成立则 --ticket,然后返回 DB_SUCCESS 至上层函数;否则继续判断
 |-if (trx->n_tickets_to_enter_innodb > 0): --trx->n_tickets_to_enter_innodb
 |-else: err = srv_conc_enter_innodb(prebuilt)
 |-return srv_conc_enter_innodb_with_atomics(trx)
 |-for (;;):
 |-ulint sleep_in_us 
 |-if (srv_thread_concurrency == 0): return DB_SUCCESS // 再次判断 innodb_thread_concurrency 是否为0, 满足则直接返回 DB_SUCCESS
 /* STEP-3: 判断进入 innodb 的事务是否小于 innodb_thread_concurrency 。
 如小于(进入innodb):则调整innodb中活动线程个数、标记事务进入了innodb、设置事务的ticket个数,然后返回 DB_SUCCESS 至上层函数; 
 */
 |-if (srv_conc.n_active.load(std::memory_order_relaxed) < srv_thread_concurrency): 
 |-n_active = srv_conc.n_active.fetch_add(1, std::memory_order_acquire) + 1
 |-if (n_active <= srv_thread_concurrency):
 |-srv_enter_innodb_with_tickets(trx): // Note that a user thread is entering InnoDB.
 |-trx->declared_to_be_inside_innodb = TRUE
 |-trx->n_tickets_to_enter_innodb = srv_n_free_tickets_to_enter
 |- // 调整 srv_thread_sleep_delay/
 |-return DB_SUCCESS
 |-srv_conc.n_active.fetch_sub(1, std::memory_order_release)
 /* STEP-4: 否则(未进入innodb),执行:
 a. 设置事务的状态(information_schema.innodb_trx.trx_operation_state)为"sleeping before entering InnoDB"
 b. 根据 innodb_thread_sleep_delay 设置sleep时间
 c. 判断 sleep 时间是否超过上限 innodb_adaptive_max_sleep_delay, 如超过则设置睡眠时间为 innodb_adaptive_max_sleep_delay(1.5s)
 d. 调用 nanosleep 进行指定时间的 sleep
 e. 设置事务状态为 “”
 f. 自增 sleep 此时
 h. 自增睡眠时间 
 i. 进行下一次for 循环 ------------------ > for
 */
 |-trx->op_info = "sleeping before entering InnoDB"
 |-sleep_in_us = srv_thread_sleep_delay
 |-if (srv_adaptive_max_sleep_delay > 0 && sleep_in_us > srv_adaptive_max_sleep_delay):
 |-sleep_in_us = srv_adaptive_max_sleep_delay
 |-srv_thread_sleep_delay = sleep_in_us
 |-std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(sleep_in_us))
 |-nanosleep
 |-trx->op_info = ""
 |-++n_sleeps
 |-if (srv_adaptive_max_sleep_delay > 0 && n_sleeps > 1):
 |-++srv_thread_sleep_delay
 |-if (trx_is_interrupted(trx)):
 |-return DB_INTERRUPTED
 |-return err
 |-ret = row_search_mvcc(buf, mode, m_prebuilt, match_mode, 0) // 执行查询操作
 |-innobase_srv_conc_exit_innodb(m_prebuilt);
 // STEP-5: 判断是否进入了innodb,且ticket为0(ticket 被耗尽)
 |-if (trx->declared_to_be_inside_innodb && trx->n_tickets_to_enter_innodb == 0):
 |-srv_conc_force_exit_innodb(trx)
 // STEP-6: 标记事务为未进入innodb状态。以避免不必要的函数调用
 |-srv_conc_exit_innodb_with_atomics(trx)
 |-trx->n_tickets_to_enter_innodb = 0
 |-trx->declared_to_be_inside_innodb = FALSE
 |-srv_conc.n_active.fetch_sub(1, std::memory_order_release)

为便于理解,将以上源码逻辑总结为 4 个场景:

  • 场景 1:innodb_thread_concurrency == 0, 执行逻辑:

  • 场景 2:innodb_thread_concurrency != 0、事务拥有 ticket, 执行逻辑:

  • 场景 3:innodb_thread_concurrency != 0、事务没有 ticket、进入 innodb 的事务小于 innodb_thread_concurrency , 执行逻辑:

  • 场景 4:innodb_thread_concurrency != 0、事务没有 ticket、进入 innodb 的事务大于 innodb_thread_concurrency , 执行逻辑:

根据堆栈信息,收影响的会话都被堵塞在 nanosleep 函数;同时,通过事务信息,看到对应的会话的 ticket 为 0、事务状态为 sleeping before entering InnoDB,与上述场景 4 基本相符。

小结

故障数据库配置 innodb_thread_concurrency=16,问题时刻由于数据库中慢 SQL 持有并发资源,且并发较高(超过 innodb_thread_concurrency),导致其它事务需要进行 nanosleep 以等待 InnoDB 并发资源。

同时,结合源码不难看出,对于慢 SQL,其自身也需要频繁从 innodb 中进出,而当其拥有的 ticket(5000)用完之后,也需要重新进入排队已等待并发资源,导致执行 SQL 性能进一步降低,形成劣性循环。

四、问题解决

问题发生后,已通过重启的方式临时解决。但通过与研发同学的沟通,还存在如下问题:

1 如何根本解决解决问题?

综合以上分析过程,我们可以看到导致此次故障的根本原因就是问题时刻数据库存在慢 SQL,耗尽了 InnoDB 的并发资源,因此需要对问题 SQL 进行优化(由于篇幅有限,不在此讨论)。

此外,测试数据库设置了 innodb_thread_concurrency=16 是导致发生该现象的直接原因。对于该参数设置建议,简要总结如下(完整说明参考 MySQL 官方文档):

  • 如果数据库的活动并发用户线程数小于 64,则设置 innodb_thread_concurrency=0
  • 如果压力一直很重或偶尔出现峰值,首先设置 innodb_thread_concurrency=128,然后将该值降低到 96、80、64,以此类推,直到找到提供最佳性能的线程数;
  • Innodb_thread_concurrency 值过高会导致性能下降,因为这会增加系统内部和资源的争用。

因此,建议将 innodb_thread_concurrency=0 从数据库层面解决。该参数为动态参数,发生问题后可立即修改,并会立即生效,以避免不必要的重启操作。同时,需要尽快对慢 SQL 进行优化,以从根本解决该问题。

2 如何影响到那些本身执行会很快的其它 SQL?

根据源码分析结果:由于耗尽的是 InnoDB 全局并发线程资源,类似于进入 InnoDB “连接” 被耗尽了一样。因此会影响所有的其它线程。

3 影响的会话到底会被堵塞多久?

对于线上系统,当 InnoDB 并发资源被耗尽后,新发起的 SQL 会进入 nanosleep,直至已进入 InnoDB 事务的 ticket 被耗尽后,才有可能进入 InnoDB(而且好像是最后新发起的 SQL 请求,由于 sleep 时间越短,越容易进入)。除非源头的慢 SQL 快速执行完成,但由于慢 SQL 在此状态下,当 ticket 用完后也需要参与排队,因此其执行时间会进一步加长,导致源头 SQL 无法快速完成。因此对于大多数 SQL 请求,都需要参与堵塞,且堵塞的时间会越来越长。问题发生后,建议尽快处理。

4 再次发生后,如何快速确认是该问题?

  • 对于该数据库版本,检查是否大量的数据库会话处于 executing, 且部分会话执行的 SQL 可能非常简单;
  • 检查数据库事务的状态,判断是否有处于 sleeping before entering InnoDB 的事务,且基本满足:
    sleeping before entering InnoDB 的事务个数 = 总的事务个数 - innodb_thread_concurrency
  • 检查 innodb 输出,示例输出结果如下:
--------------
ROW OPERATIONS
--------------
16 queries inside InnoDB, 22 queries in queue
....
----------------------------
  • 根据前面提供的信息采集步骤,保存相关信息,并结合堆栈和源码进行确认。

本文关键字:#MySQL# #源码#

作者:爱可生云数据库原文地址:https://segmentfault.com/a/1190000043815422

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