MySQL 網絡通信淺析

MySQL的網絡通信協議主要包含以下幾個層次，從最上層的MySQL數據包協議層到最底層的socket傳輸：

| THD

| Protocol

| NET

| VIO

| SOCKET

本文主要掃一下相關的代碼，以下分析基于MySQL5.7。

創建會話

在MySQL5.7中對會話協議層的代碼進行了大量的重構以優化性能，并使得代碼更加可讀。以下這幅圖大概展示了幾個相關的類關系(未包含諸如windows平臺的相關類)

創建用戶線程堆棧是從主線程開始的，監聽客戶端請求并創建處理線程

mysqld_main

|-->connection_event_loop

|-->listen_for_connection_event

//根據不同的監聽模式，去監聽新請求, 當獲取到一個新的監聽請求時，會創建一個Channel_info類，用來存儲用戶的socket信息

|-->Connection_handler_manager::process_new_connection

|-->Per_thread_connection_handler::add_connection

//我們通常用的one thread one connection對應的類為Per_thread_connection_handler

|-->創建用戶線程，線程函數為handle_connection

在MySQL5.7里一個重大的優化，如上所述，就是關于用戶會話的thd, net, vio等信息的初始化都不是在主線程進行的，而是創建用戶線程后，由用戶線程自己來完成。通過這種方式，主線程可以更高效的接受新的連接請求，從而優化了在短連接場景下的性能。見官方博客 及相應的worklog

下面這幅圖摘自官方博客，大家感受下5.7相比之前版本的短連接性能優化：

創建用戶會話的主要函數棧包括：

handle_connection //線程入口函數

|-->init_new_thd

|-->Channel_info_local_socket::create_thd

|-->Channel_info::create_thd

|-->create_and_init_vio

|-->Protocol_classic::init_net

|-->my_net_init

|-->vio_fastsend //設置socket選項

* 設置IP_TOS為IPTOS_THROUGHPUT

* 設置TCP_NODELAY

|-->Global_THD_manager::add_thd

// 加入到thd鏈表上

|-->thd_prepare_connection

|-->login_connection

|--> check_connection

//檢查鏈接，設置thd的鏈接信息，

|--> vio_keepalive // 設置SO_KEEPALIVE選項

|--> acl_authenticate // 權限認證

|-->prepare_new_connection_state

//如果連接打開了CLIENT_COMPRESS，設置NET::compress為true。

//如果設置了init_connect，則在這里執行對應的SQL語句

/* 循環接受請求并處理(do_command) */

|-->Protocol_classic::get_command

|-->Protocol_classic::read_packet

|-->my_net_read// 讀取command包，這里的讀超時時間由wait_timeout決定

|-->close_connection

|-->THD::disconnect

|-->THD::shutdown_active_vio

|-->vio_shutdown/* 關閉socket */

NET/VIO

my_net_write

該函數用于將數據拷貝到NET緩沖區，當長度大于MAX_PACKET_LENGTH(即4MB-1字節)會對Packet進行拆分成多個packet。每個Packet的頭部都會留4個字節，其中：1~3字節，存儲該packet的長度，第4個字節存儲當前的packet的序號，每存儲一次后遞增net->pkt_nr。

每個Net對象有一個Buff(net->buff)，即將發送的數據被拷貝到這個buffer中，當Buffer滿時需要立刻發出到客戶端。如果Buffer足夠大，則只做memcpy操作。net->write_pos被更新到寫入結束的位置偏移量 (net_write_buff)

如果一次寫入的數據被拆分成多個Packet，那么net->pkt_nr也對應的遞增多次. pkt_nr的作用是在客戶端解析時，防止包發送亂序。

net_flush

實際上在my_net_write函數中，如果net->buff不夠用，已經會做網絡寫了，net_flush最終保證所有在buff中的數據被寫到網絡

當客戶端啟用壓縮協議時，這里會有些不同的，會給packet頭部再加3個字節(COMP_HEADER_SIZE)，被壓縮的數據不包含頭部的7個字節：

[3bytes:Packet的長度]

[1bytes: pkt_nr]

[3bytes:壓縮后的長度]

[1bytes: compress_pkt_nr]

同樣的，每個壓縮包都會遞增net->compress_pkt_nr

net_write_raw_loop

當packet準備好發送后，調用函數net_write_raw_loop開始進行數據發送

發送模式受vio->write_timeout影響(通過參數net_write_timeout控制)；當該參數被設置成大于等于0時，使用非阻塞模式send數據包(MSG_DONTWAIT)

若網絡發送被中斷(EINTR)，會去嘗試重傳

使用非阻塞模式send，每次并不保證數據全部發送完畢，因此需要循環的調用直到所有的數據都發送完畢

當輸出緩沖區滿時，獲得錯誤碼EWOULDBLOCK/EAGAIN,則阻塞等待(vio_socket_io_wait)，最大等待時間為net_write_timeout，超時則返回錯誤

my_net_read

根據NET接口先讀取數據包(net_read_packet)：

先讀取packet header，一個普通的packet header包含4個字節，壓縮協議下則另外再加3個字節，如上述(net_read_packet_header)。其中的pkt_nr會提取出來和本地的值相比較。在讀寫兩段維持的pkt_nr自增值保證了服務器和客戶端的通信以一種有序的方式進行，并用于校驗包的有序性。如果不一致，則說明網絡包發生了亂序。直接報錯。如果一致，本地net->pkt_nr++

從packet header中提取剩下的packet長度，繼續從socket讀取

Vio

Vio在NET的更下一層，封裝了所有對socket的操作。根據不同的連接類型(TCP/IP, Socket, Name Pipe, SSL, SHARED MEMORY)，相關函數指針在vio_init函數中定義，這里不展開描述

相關參數

connect_timeout: 在連接認證階段的網絡交互超時時間(ref login_connection);

wait_timeout: 等待來自客戶端的新的command請求;

net_read_timeout: 一般情況下的SQL通常直接從command發過來，但拿到command后，在一條語句內可能還需要和客戶端交互，這里會用到該timeout值，例如load data local infile語句;

net_write_timeout: 就是通過網絡發送數據的最大超時時間;

interactive_timeout: 當客戶端打開選項CLIENT_INTERACTIVE時，將當前會話的NET的wait_timeout設置為該值;

結果集

MySQL有兩種常用的數據協議，一種是用于Prepared Statement，對應類為Protocol_binary，另外一種是普通的協議，對應類為Protocol_classic

我們以一個簡單的表為例:

mysql> create table t1 (a int, b int);

Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> insert into t1 values (1,1),(2,2);

Query OK, 2 rows affected (0.00 sec)

當執行最后一條select操作時，這里使用的類為Protocol_classic

發送metadata

ref: Protocol_classic::start_result_metadata

將列的個數寫入Net緩沖區

ref: Protocol_classic::send_field_metadata

逐列的準備元數據信息，包含：

| 3bytes 標識符：def

| db_name

| table_name

| org_table_name

| col_name

| org_col_name

| 字符集編碼

| 列長度

| 列類型

| flags

| decimals(這里為0)

| 預留

| 預留

可以看到每個列的元數據都包含了非常多的信息，使用字符串存儲，這也意味著對于一條簡單的SQL，你的網絡傳輸的內容可能大多數都是元數據，即時你的客戶端可能并不需要引用到。

有多個列就寫多個packet到Net buffer (Protocol_classic::end_row)

ref: Protocol_classic::end_result_metadata

write_eof_packet函數會被調用，用于標識元數據信息到此結束。此處共寫5個字節(不含packet header)

發送數據

ref: end_send --> Protocol_classic::end_row

如上例，發送兩行數據的packet包括

1

‘1’

1

‘1’

1

‘2’

1

‘2’

結束發送

ref: THD::send_statement_status -->net_send_eof --> write_eof_packet

發送結果結束標記，其中包含了sql執行過程中產生的warning個數

元數據開銷

從上述可以看到，結果集中有很大一部分的開銷是給元數據的，這意味著類似普通的pk查詢，元數據的開銷可能會非常昂貴。

以下貼下我之前測試過的一個例子，增加了幾個選項來控制發送的元數據量：

0/METADATA_FULL: return all metadata, default value.

1/METADATA_REAL_COLUMN: only column name;

2/METADATA_FAKE_COLUMN: fake column name ,use 1,2...N instead of real column name

3/METADATA_NULL_COLUMN: use NULL to express the metadata information

4/METADATA_IGNORE: ignore metadata information, just for test..

測試表：

CREATE TABLE `test_meta_impact` (

`abcdefg1` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,

`abcdefg2` int(11) DEFAULT NULL,

`abcdefg3` int(11) DEFAULT NULL,

`abcdefg4` int(11) DEFAULT NULL,

……

……

`abcdefg40` int(11) DEFAULT NULL,

PRIMARY KEY (`abcdefg1`)

) ENGINE=InnoDB AUTO_INCREMENT=229361 DEFAULT CHARSET=utf8

使用mysqlslap測試并發pk查詢

mysqlslap --no-defaults -uxx --create-schema=test -h$host -P $port --number-of-queries=1000000000 --concurrency=100 --query='SELECT * FROM test.test_meta_impact where abcdefg1 = 2'

測試結果

METADATA_FULL : 3.48w TPS, Net send 113M

METADATA_REAL_COLUMN: 7.2W TPS, Net send 111M

METADATA_FAKE_COLUMN: 9.2W TPS , Net send 116M

METADATA_NULL_COLUMN: 9.6w TPS , Net send 115M

METADATA_IGNORE: 13.8w TPS, Net send 30M

很顯然無論網絡流量還是TPS吞吐量，在這個人為構造的極端場景下，元數據的開銷都非常的顯著。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的mysql协议重传,MySQL · 源码分析 · 网络通信模块浅析的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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