從一個線上問題分析binlog與內部XA事務提交過程

1. 問題
業務上新增一條訂單記錄，用戶接收到BinLake拉取的MySQL從庫數據消息后，馬上根據消息內的訂單號去查詢同一個MySQL從庫，發現有些時候無法查到該條數據，等待大約500ms～1000ms后再去查詢數據庫，可以查詢到該條數據。
注: BinLake為京東商城數據庫技術部自研的一套訂閱和消費MySQL數據庫binlog的組件，本例所描述的問題是業務方希望根據訂閱的binlog來獲取實時訂單等業務消息。
2. Binlog與內部XA
2.1. XA的概念
XA(分布式事務)規范主要定義了(全局)事務管理器(TM: Transaction Manager)和(局部)資源管理器(RM: Resource Manager)之間的接口。XA為了實現分布式事務，將事務的提交分成了兩個階段：也就是2PC (tow phase commit)，XA協議就是通過將事務的提交分為兩個階段來實現分布式事務。
兩階段
1）prepare 階段
事務管理器向所有涉及到的數據庫服務器發出prepare"準備提交"請求，數據庫收到請求后執行數據修改和日志記錄等處理，處理完成后只是把事務的狀態改成"可以提交",然后把結果返回給事務管理器。即：為prepare階段，TM向RM發出prepare指令，RM進行操作，然后返回成功與否的信息給TM。
2）commit 階段
事務管理器收到回應后進入第二階段，如果在第一階段內有任何一個數據庫的操作發生了錯誤，或者事務管理器收不到某個數據庫的回應，則認為事務失敗，回撤所有數據庫的事務。數據庫服務器收不到第二階段的確認提交請求，也會把"可以提交"的事務回撤。如果第一階段中所有數據庫都提交成功，那么事務管理器向數據庫服務器發出"確認提交"請求，數據庫服務器把事務的"可以提交"狀態改為"提交完成"狀態，然后返回應答。即：為事務提交或者回滾階段，如果TM收到所有RM的成功消息，則TM向RM發出提交指令；不然則發出回滾指令。
外部與內部XA
MySQL中的XA實現分為：外部XA和內部XA。前者是指我們通常意義上的分布式事務實現；后者是指單臺MySQL服務器中，Server層作為TM(事務協調者，通常由binlog模塊擔當)，而服務器中的多個數據庫實例作為RM，而進行的一種分布式事務，也就是MySQL跨庫事務；也就是一個事務涉及到同一條MySQL服務器中的兩個innodb數據庫(目前似乎只有innodb支持XA)。內部XA也可以用來保證redo和binlog的一致性問題。
2.2. redo與binlog的一致性問題
我們MySQL為了兼容其它非事務引擎的復制，在server層面引入了 binlog, 它可以記錄所有引擎中的修改操作，因而可以對所有的引擎使用復制功能； 然而這種情況會導致redo log與binlog的一致性問題；MySQL通過內部XA機制解決這種一致性的問題。
第一階段：InnoDB prepare， write/sync redo log；binlog不作任何操作；
第二階段：包含兩步，1> write/sync Binlog； 2> InnoDB commit (commit in memory)；
當然在5.6之后引入了組提交的概念，可以在IO性能上進行一些提升，但總體的執行順序不會改變。
當第二階段的第1步執行完成之后，binlog已經寫入，MySQL會認為事務已經提交并持久化了(在這一步binlog就已經ready并且可以發送給訂閱者了)。在這個時刻，就算數據庫發生了崩潰，那么重啟MySQL之后依然能正確恢復該事務。在這一步之前包含這一步任何操作的失敗都會引起事務的rollback。
第二階段的第2大部分都是內存操作，比如釋放鎖，釋放mvcc相關的read view等等。MySQL認為這一步不會發生任何錯誤，一旦發生了錯誤那就是數據庫的崩潰，MySQL自身無法處理。這個階段沒有任何導致事務rollback的邏輯。在程序運行層面，只有這一步完成之后，事務導致變更才能通過API或者客戶端查詢體現出來。
下面的一張圖，說明了MySQL在何時會將binlog發送給訂閱者。

理論上來說，也可以在commit階段完成之后再將binlog發送給訂閱者，但這樣會增大主從延遲的風險。
3. 相關代碼

4. int MYSQL_BIN_LOG::ordered_commit(THD *thd, bool all, bool skip_commit) {
5. .....
6. //進入flush stage，
7. change_stage(thd, Stage_manager::FLUSH_STAGE, thd, NULL, &LOCK_log);
8. ....
9. //通知底層存儲引擎日志刷盤
10. process_flush_stage_queue(&total_bytes, &do_rotate, &wait_queue);
11. .....
12. //將各個線程的binlog從cache寫到文件中
13. flush_cache_to_file(&flush_end_pos);
14. ....
15. //進入到Sync stage
16. change_stage(thd, Stage_manager::SYNC_STAGE, wait_queue, &LOCK_log,
17. &LOCK_sync));
18. //binlog fsync落盤
19. sync_binlog_file(false)
20. //通知binlog發送線程，有新的binlog落盤可以發送到訂閱者了
21. update_binlog_end_pos(tmp_thd->get_trans_pos());
22. //進入commit state
23. change_stage(thd, Stage_manager::COMMIT_STAGE, final_queue,
24. leave_mutex_before_commit_stage, &LOCK_commit);
25. ....
26. //事務狀態提交
27. process_commit_stage_queue(thd, commit_queue);
28. ....
    }

其中，在update_binlog_end_pos之后，binlog發送線程就已經可以讀取最新的binlog發送給訂閱者了。當訂閱者收到這些binlog之后如果process_commit_stage_queue因為系統調度等原因還未執行完成，那么訂閱者碰巧在此時發起問題中所描述的查詢，就會發生查詢不到的情況。
下面我們看一下process_commit_stage_queue都做了什么。
在process_commit_stage_queue會分別調用到binlog的commit方法binlog_commit和innodb的commit函數trx_commit_in_memory。

1. static int binlog_commit(handlerton , THD , bool) {
2. DBUG_ENTER("binlog_commit");
3. /*
4. Nothing to do (any more) on commit.
5. */
6. DBUG_RETURN(0);
7. }
   在binlog_commit中什么也不做，因為跟binlog有關的操作前面都已經做完了。
   最后看一下存儲引擎innodb的trx_commit_in_memory都干了什么。
8. static void trx_commit_in_memory(
9. trx_t trx, /!< in/out: transaction */
10. const mtr_t mtr, /!< in: mini-transaction of
11. trx_write_serialisation_history(), or NULL if
12. the transaction did not modify anything */
13. bool serialised)
14. /*!< in: true if serialisation log was
15. written */
16. {
17. ....
18. //釋放鎖
19. lock_trx_release_locks(trx);
21. ut_ad(trx_state_eq(trx, TRX_STATE_COMMITTED_IN_MEMORY));
23. .....
24. //釋放mvcc相關的read view
25. if (trx->read_only || trx->rsegs.m_redo.rseg == NULL) {
26. MONITOR_INC(MONITOR_TRX_RO_COMMIT);
27. if (trx->read_view != NULL) {
28. trx_sys->mvcc->view_close(trx->read_view, false);
29. }
31. } else {
32. ut_ad(trx->id > 0);
33. MONITOR_INC(MONITOR_TRX_RW_COMMIT);
34. }
35. }
36. ....
37. //清理insert操作相關的undo log(注意，此時只有insert的undo需要清理)
38. if (mtr != NULL) {
39. if (trx->rsegs.m_redo.insert_undo != NULL) {
40. trx_undo_insert_cleanup(&trx->rsegs.m_redo, false);
41. }
43. if (trx->rsegs.m_noredo.insert_undo != NULL) {
44. trx_undo_insert_cleanup(&trx->rsegs.m_noredo, true);
45. }
46. }

這一步完成之后，在運行時刻事務的變更才能被查詢到。但需要記住，MySQL在binlog落盤成功后就認為事務的持久化已經完成。
30. 總結
在binlog落盤之后，MySQL就會認為事務的持久化已經完成(在這個時刻之后，就算數據庫發生了崩潰都可以在重啟后正確的恢復該事務)。但是該事務產生的數據變更被別的客戶端查詢出來還需要在commit全部完成之后。MySQL會在binlog落盤之后會立即將新增的binlog發送給訂閱者以盡可能的降低主從延遲。但由于多線程時序等原因，當訂閱者在收到該binlog之后立即發起一個查詢操作，可能不會查詢到任何該事務產生的數據變更(因為此時該事務所處線程可能尚未完成最后的commit步驟)。
如果應用需要根據binlog作為一些業務邏輯的觸發點，還是需要考慮引入一些延時重試機制或者重新考慮合適的實現架構。

本文由京東商城數據庫技術部王治提供。