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[数据库]MYSQL线程池总结


    线程池是Mysql5.6的一个核心功能,对于服务器应用而言,无论是web应用服务还是DB服务,高并发请求始终是一个绕不开的话题。当有大量请求并发访问时,一定伴随着资源的不断创建和释放,导致资源利用率低,降低了服务质量。线程池是一种通用的技术,通过预先创建一定数量的线程,当有请求达到时,线程池分配一个线程提供服务,请求结束后,该线程又去服务其他请求。 通过这种方式,避免了线程和内存对象的频繁创建和释放,降低了服务端的并发度,减少了上下文切换和资源的竞争,提高资源利用效率。所有服务的线程池本质都是位了提高资源利用效率,并且实现方式也大体相同。本文主要说明Mysql线程池的实现原理。

    在Mysql5.6出现以前,Mysql处理连接的方式是One-Connection-Per-Thread,即对于每一个数据库连接,Mysql-Server都会创建一个独立的线程服务,请求结束后,销毁线程。再来一个连接请求,则再创建一个连接,结束后再进行销毁。这种方式在高并发情况下,会导致线程的频繁创建和释放。当然,通过thread-cache,我们可以将线程缓存起来,以供下次使用,避免频繁创建和释放的问题,但是无法解决高连接数的问题。One-Connection-Per-Thread方式随着连接数暴增,导致需要创建同样多的服务线程,高并发线程意味着高的内存消耗,更多的上下文切换(cpu cache命中率降低)以及更多的资源竞争,导致服务出现抖动。相对于One-Thread-Per-Connection方式,一个线程对应一个连接,Thread-Pool实现方式中,线程处理的最小单位是statement(语句),一个线程可以处理多个连接的请求。这样,在保证充分利用硬件资源情况下(合理设置线程池大小),可以避免瞬间连接数暴增导致的服务器抖动。

调度方式实现

     Mysql-Server同时支持3种连接管理方式,包括No-Threads,One-Thread-Per-Connection和Pool-Threads。No-Threads表示处理连接使用主线程处理,不额外创建线程,这种方式主要用于调试;One-Thread-Per-Connection是线程池出现以前最常用的方式,为每一个连接创建一个线程服务;Pool-Threads则是本文所讨论的线程池方式。Mysql-Server通过一组函数指针来同时支持3种连接管理方式,对于特定的方式,将函数指针设置成特定的回调函数,连接管理方式通过thread_handling参数控制,代码如下:

1 if (thread_handling <= SCHEDULER_ONE_THREAD_PER_CONNECTION)  2  one_thread_per_connection_scheduler(thread_scheduler,3                    &max_connections,4                    &connection_count);5 else if (thread_handling == SCHEDULER_NO_THREADS)6  one_thread_scheduler(thread_scheduler);7 else                 8  pool_of_threads_scheduler(thread_scheduler, &max_connections,&connection_count); 

 连接管理流程

  1. 通过poll监听mysql端口的连接请求
  2. 收到连接后,调用accept接口,创建通信socket
  3. 初始化thd实例,vio对象等
  4. 根据thread_handling方式设置,初始化thd实例的scheduler函数指针
  5. 调用scheduler特定的add_connection函数新建连接

下面代码展示了scheduler_functions模板和线程池对模板回调函数的实现,这个是多种连接管理的核心。

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};

线程池的相关参数

  1. thread_handling:表示线程池模型。
  2. thread_pool_size:表示线程池的group个数,一般设置为当前CPU核心数目。理想情况下,一个group一个活跃的工作线程,达到充分利用CPU的目的。
  3. thread_pool_stall_limit:用于timer线程定期检查group是否“停滞”,参数表示检测的间隔。
  4. thread_pool_idle_timeout:当一个worker空闲一段时间后会自动退出,保证线程池中的工作线程在满足请求的情况下,保持比较低的水平。
  5. thread_pool_oversubscribe:该参数用于控制CPU核心上“超频”的线程数。这个参数设置值不含listen线程计数。
  6. threadpool_high_prio_mode:表示优先队列的模式。

线程池实现

上面描述了Mysql-Server如何管理连接,这节重点描述线程池的实现框架,以及关键接口。如图1

 

                                                          图 1(线程池框架图)

      每一个绿色的方框代表一个group,group数目由thread_pool_size参数决定。每个group包含一个优先队列和普通队列,包含一个listener线程和若干个工作线程,listener线程和worker线程可以动态转换,worker线程数目由工作负载决定,同时受到thread_pool_oversubscribe设置影响。此外,整个线程池有一个timer线程监控group,防止group“停滞”。

关键接口

     1. tp_add_connection[处理新连接]

       1)  创建一个connection对象

       2)  根据thread_id%group_count确定connection分配到哪个group

       3)  将connection放进对应group的队列

       4)  如果当前活跃线程数为0,则创建一个工作线程

    2. worker_main[工作线程]

      1)  调用get_event获取请求

      2)  如果存在请求,则调用handle_event进行处理

      3)  否则,表示队列中已经没有请求,退出结束。

    3. get_event[获取请求]

     1)  获取一个连接请求

     2)  如果存在,则立即返回,结束

     3)  若此时group内没有listener,则线程转换为listener线程,阻塞等待

     4)  若存在listener,则将线程加入等待队列头部

     5)  线程休眠指定的时间(thread_pool_idle_timeout)

     6)  如果依然没有被唤醒,是超时,则线程结束,结束退出 

     7)  否则,表示队列里有连接请求到来,跳转1

   备注:获取连接请求前,会判断当前的活跃线程数是否超过了

   thread_pool_oversubscribe+1,若超过了,则将线程进入休眠状态。

  4. handle_event[处理请求]

    1)  判断连接是否进行登录验证,若没有,则进行登录验证

    2)  关联thd实例信息

    3)  获取网络数据包,分析请求

    4)  调用do_command函数循环处理请求

    5)  获取thd实例的套接字句柄,判断句柄是否在epoll的监听列表中

    6)  若没有,调用epoll_ctl进行关联

    7)  结束

  5.listener[监听线程]

   1)  调用epoll_wait进行对group关联的套接字监听,阻塞等待

   2)  若请求到来,从阻塞中恢复

   3)  根据连接的优先级别,确定是放入普通队列还是优先队列

   4)  判断队列中任务是否为空

   5)  若队列为空,则listener转换为worker线程

   6)  若group内没有活跃线程,则唤醒一个线程

  备注:这里epoll_wait监听group内所有连接的套接字,然后将监听到的连接

  请求push到队列,worker线程从队列中获取任务,然后执行。

 6. timer_thread[监控线程]

   1)  若没有listener线程,并且最近没有io_event事件

   2)  则创建一个唤醒或创建一个工作线程

   3)  若group最近一段时间没有处理请求,并且队列里面有请求,则

   4)  表示group已经stall,则唤醒或创建线程

  备注:timer的作用是避免group处于stall状态

 7.tp_wait_begin[进入等待状态流程]

   1)  活跃线程数减1,等待线程数加1

   2)  若活跃线程数为0,并且任务队列不为空,或者没有监听线程,则

   3)  唤醒或创建一个线程

   备注:waiting_threads这里面的线程是空闲线程,并非等待线程,所谓空

   闲线程是随时可以处理任务的线程,而等待线程则是因为等待锁,或等待io操

   作等无法处理任务的线程。

  8.tp_wait_end[结束等待状态流程]

   1)  设置connection的waiting状态为false

   2)  活跃线程数加1,等待线程数减1

线程池与连接池

     连接池通常实现在Client端,是指应用(客户端)创建预先创建一定的连接,利用这些连接服务于客户端所有的DB请求。如果某一个时刻,空闲的连接数小于DB的请求数,则需要将请求排队,等待空闲连接处理。通过连接池可以复用连接,避免连接的频繁创建和释放,从而减少请求的平均响应时间,并且在请求繁忙时,通过请求排队,可以缓冲应用对DB的冲击。线程池实现在server端,通过创建一定数量的线程服务DB请求,相对于one-conection-per-thread的一个线程服务一个连接的方式,线程池服务的最小单位是语句,即一个线程可以对应多个活跃的连接。通过线程池,可以将server端的服务线程数控制在一定的范围,减少了系统资源的竞争和线程上下文切换带来的消耗,同时也避免出现高连接数导致的高并发问题。连接池和线程池相辅相成,通过连接池可以减少连接的创建和释放,提高请求的平均响应时间,并能很好地控制一个应用的DB连接数,但无法控制整个应用集群的连接数规模,从而导致高连接数,通过线程池则可以很好地应对高连接数,保证server端能提供稳定的服务。如图2所示,每个web-server端维护了3个连接的连接池,对于连接池的每个连接实际不是独占db-server的一个worker,而是可能与其他连接共享。这里假设db-server只有3个group,每个group只有一个worker,每个worker处理了2个连接的请求。

 

                                        图 2(连接池与线程池框架图)

线程池优化

1.优先队列

    由于一个group会同时处理多个连接,但多个连接不是对等的。比如,有的连接是第一次发送请求;而有的连接对应的事务已经开启,并且持有了部分锁资源。为了减少锁资源争用,后者显然应该比前者优先处理,以达到尽早释放锁资源的目的。因此在group里面,可以添加一个优先级队列,将已经持有锁的连接发起的请求放入优先队列,工作线程首先从优先队列获取任务执行。

2.大查询处理

    假设一种场景,某个group里面的连接都是大查询,那么group里面的工作线程数很快就会达到thread_pool_oversubscribe参数设置值,对于后续的连接请求,则会响应不及时(没有更多的连接来处理),这时候group就发生了stall。通过前面分析知道,timer线程会定期检查这种情况,并创建一个新的worker线程来处理请求。如果长查询来源于业务请求,则此时所有group都面临这种问题,此时主机可能会由于负载过大,导致hang住的情况。这种情况线程池本身无能为力,因为源头可能是烂SQL并发,或者SQL没有走对执行计划导致,通过其他方法,比如SQL高低水位限流或者SQL过滤手段可以应急处理。但是,还有另外一种情况,就是dump任务。很多下游依赖于数据库的原始数据,通常通过dump命令将数据拉到下游,而这种dump任务通常都是耗时比较长,所以也可以认为是大查询。如果dump任务集中在一个group内,并导致其他正常业务请求无法立即响应,这个是不能容忍的,因为此时数据库并没有压力,只是因为采用了线程池策略,才导致了请求响应不及时,为了解决这个问题,我们将group中处理dump任务的线程不计入thread_pool_oversubscribe累计值,避免上述问题。

参考文档

http://ourmysql.com/archives/1303

http://blog.chinaunix.net/uid-28364803-id-3431242.html

http://www.atatech.org/articles/31833

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.6/en/connection-threads.html