MYSQL线程池总结(一)

     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：

if (thread_handling <= SCHEDULER_ONE_THREAD_PER_CONNECTION) 
 one_thread_per_connection_scheduler(thread_scheduler,
                                      &max_connections,
                                      &connection_count);
else if (thread_handling == SCHEDULER_NO_THREADS)
 one_thread_scheduler(thread_scheduler);
else                                 
  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

   5）检查是否有连接超时 

  备注：timer线程通过调用check_stall判断group是否处于stall状态，通过调用timeout_check检查客户端连接是否超时。

 7.tp_wait_begin[进入等待状态流程]

   1)  active_thread_count减1，waiting_thread_count加1

   2）设置connection->waiting= true

   3)  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

   4)  唤醒或创建一个线程

  8.tp_wait_end[结束等待状态流程]

   1)  设置connection的waiting状态为false

   2)  active_thread_count加1，waiting_thread_count减1

   备注：

   1)waiting_threads这个list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。

   2)tp_wait_begin和tp_wait_end的主要作用是由于汇报状态，即使更新active_thread_count和waiting_thread_count的信息。

 9. tp_init/tp_end

    分别调用thread_group_init和thread_group_close来初始化和销毁线程池 

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.调度死锁解决

     引入线程池解决了多线程高并发的问题，但也带来一个隐患。假设，A，B两个事务被分配到不同的group中执行，A事务已经开始，并且持有锁，但由于A所在的group比较繁忙，导致A执行一条语句后，不能立即获得调度执行；而B事务依赖A事务释放锁资源，虽然B事务可以被调度起来，但由于无法获得锁资源，导致仍然需要等待，这就是所谓的调度死锁。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，或者已经开启的事务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