MySQL8.0 DDL原子性特性

1. DDL原子性概述

8.0之前并没有统一的数据字典dd，server层和引擎层各有一套元数据，sever层的元数据包括(.frm,.opt,.par,.trg等)，用于存储表定义，分区表定义，触发器定义等信息；innodb层也有自己一套元数据，包括表信息，索引信息等，这两套元数据并没有机制保证一致性，这就导致了在异常情况下可能存在元数据不一致问题，一种典型场景下，删表操作，sever层的frm已经成功删除了，但引擎层数据字典并没有更新，导致再建重名表失败的问题。同样的，比如drop table t1,t2;可能出现只删除了t1，而t2仍然存在等问题。

8.0的一个重要工作是将数据字典统一，独立了DD(数据字典)模块，废弃了server层的元数据，将innodb的元数据抽象出一条DD接口供server层和innnodb层公用。在DD的基础上，引入了DDL的原子性特性，确保DDL操作要么全做，要么全不做的能力。实现这一套逻辑的关键点在于将ddl涉及到的修改，包括dd数据字典修改，引擎层的修改(创建文件，初始化tablespace，创建btree等)和写binlog作为一个“事务”，利用事务的原子性特点来保证ddl操作的原子性。

2.DDL原子性实现原理

实现原子性的关键在于确保dd数据字典修改，引擎层的修改和写binlog是一个事务。MySQL已有的XA事务机制能有效保证DML事务和binlog的一致性。而ddl数据字典也是通过innodb引擎存储，因此做到dd数据字典修改和binlog一致是容易的；那么还需要解决的一个问题是，dd数据字典和引擎层修改的一致性，引擎层的修改并不都是记redo的，比如创建文件，rename文件名，或者清理cache等，无法简单地通过XA机制解决问题，因此8.0还引入了一套DDL_LOG机制。具体而言，就是将不记redo的一些操作，通过记日志的方式写入到ddl_log表中，而这个表是innodb引擎表，通过保证ddl_log数据与dd数据字典修改达成一致，而最终解决dd数据字典修改，引擎层的修改和写binlog一致性问题。

3.DD引入前后对比

   

                               ​                                     ​

4.DDL操作实现逻辑

引入ddl_log表后，ddl操作在原有的基础上有一些变化，主要有两点，一点是在执行ddl的过程中，会记录ddl操作到ddl_log表中；另一点是新增了一个post_ddl阶段，ddl事务提交后，做一些ddl的收尾动作，比如drop-table，真正的删除物理文件是在post-ddl阶段做的。post-ddl做的事情主要就是，读取ddl-log内容，进行回放执行。ddl操作类型如下：

enum class Log_Type : uint32_t {

/** Smallest log type */
SMALLEST_LOG = 1,

/** Drop an index tree */
FREE_TREE_LOG = 1,

/** Delete a file */
DELETE_SPACE_LOG,

/** Rename a file */
RENAME_SPACE_LOG,

/** Drop the entry in innodb_dynamic_metadata */
DROP_LOG,

/** Rename table in dict cache. */
RENAME_TABLE_LOG,

/** Remove a table from dict cache */
REMOVE_CACHE_LOG,

/** Alter Encrypt a tablespace */
ALTER_ENCRYPT_TABLESPACE_LOG,

/** Biggest log type */
BIGGEST_LOG = ALTER_ENCRYPT_TABLESPACE_LOG
};

通过innodb_print_ddl_logs开关，可以看到ddl过程中写入到innodb_ddl_log表中的内容。下面会以几个典型的ddl操作产生的ddl_log来说明如何保证ddl的原子性。

4.1 create table

语句：create table dd_tt(id int primary key, c1 int);  

 [InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DELETE SPACE, id=352, thread_id=23, space_id=71, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd]
 [InnoDB] DDL log delete : 352
 [InnoDB] DDL log insert : [DDL record: REMOVE CACHE, id=353, thread_id=23, table_id=1128, new_file_path=mysql/dd_tt]
 [InnoDB] DDL log delete : 353
 [InnoDB] DDL log insert : [DDL record: FREE, id=354, thread_id=23, space_id=71, index_id=231, page_no=4]
 [InnoDB] DDL log delete : 354
 [InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 23
 [InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 23 

说明：

1.所有insert操作都是一个单独的事务，对应的逆向delete操作是整个ddl事务的一部分。

2.insert操作记录的是文件操作的逆向操作，比如建table_space,逆向操作就是delete_space_log。

3.如果ddl事务最终成功，那么所有逆向delete操作也最终生效，ddl_log日志被正常清理；如果ddl事务执行过程中失败(比如实例crash)，那么delete操作回滚，ddl_log表中残留3条insert_log，recover时，replay这些ddl_log，即可以清理ddl过程中产生的垃圾。

4.crash-recovery时，若binlog已经落盘，则对应的ddl事务处于prepare状态，那么最终事务要提交，ddl_log被清理干净；若binlog没有落盘，则ddl事务需要回滚，ddl_log表中残留3条记录，在故障恢复结束后，需要replay这些记录，实际上就是建文件，创建btree等逆向操作，确保回滚后是干净的。

4.2 drop table

语句：drop table dd_tt;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DROP, id=355, thread_id=23, table_id=1128]
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DELETE SPACE, id=356, thread_id=23, space_id=71, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd]
[InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 23
[InnoDB] DDL log replay : [DDL record: DELETE SPACE, id=356, thread_id=23, space_id=71, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd]
[InnoDB] DDL log replay : [DDL record: DROP, id=355, thread_id=23, table_id=1128]
[InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 23

说明：对于drop操作而言，执行过程中只是操作ddl_log，并不做真正的drop物理表操作。在post-ddl阶段，会读取ddl_log表中的记录并replay，做真正的删除动作。如果执行过程中crash了，那么整个ddl事务会回滚，这其中也包含ddl_log中的内容也会回滚，那么整个drop操作就相当于没发生一样。

4.3  add index

语句：alter table dd_tt add index idx_c1(c1);

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: FREE, id=360, thread_id=23, space_id=72, index_id=233, page_no=5]         
[InnoDB] DDL log delete : 360
[InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 23                                                             
[InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 23   

说明： 建索引与建表类似，insert操作部分是一个事务，单独提交，配套会记录一个delete操作，这个操作是整个ddl事务的一部分，事务如果最终提交，那么ddl-log内容被删除；如果事务最终回滚，那么ddl-log中会残留一条FREE-log，通过replay则可以清理建好的索引，达到回滚的效果。  

4.4  drop index

语句：alter table dd_tt drop index idx_c1; 

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: FREE, id=361, thread_id=23, space_id=72, index_id=233, page_no=5]
[InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 23
[InnoDB] DDL log replay : [DDL record: FREE, id=361, thread_id=23, space_id=72, index_id=233, page_no=5]
[InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 23 

说明：

与drop table类似，执行过程中只记录日志，在post-ddl阶段才进行真正的删除操作。

4.5 add column

语句：alter table dd_tt add column c2 int;

[InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 23
[InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 23

说明：

8.0加列是instant-ddl，只修改元数据，与dml事务类似，不依赖ddl-log保证原子性。

4.6 drop column

语句：alter table dd_tt drop column c2;

语句分解：

1.prepare阶段：

create table #sql-ib1129-2815969725;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DELETE SPACE, id=362, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/#sql-ib1129-2815969725.ibd] 
[InnoDB] DDL log delete : 362
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: REMOVE CACHE, id=363, thread_id=23, table_id=1130, new_file_path=mysql/#sql-ib1129-2815969725]     
[InnoDB] DDL log delete : 363
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: FREE, id=364, thread_id=23, space_id=73, index_id=234, page_no=4]                                  
[InnoDB] DDL log delete : 364

2.peform阶段：nothing about ddl-log

3.commit阶段：

3.1 alter table dd_tt rename to #sql-ib1130-2815969726;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DROP, id=365, thread_id=23, table_id=1129]                  
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME SPACE, id=366, thread_id=23, space_id=72, old_file_path=./mysql/#sql-ib1130-2815969726.ibd, new_file_path=./mysql/dd_tt.ibd]
[InnoDB] DDL log delete : 366
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME TABLE, id=367, thread_id=23, table_id=1129, old_file_path=mysql/#sql-ib1130-2815969726, new_file_path=mysql/dd_tt]
[InnoDB] DDL log delete : 367

逆向操作：alter table mysql/#sql-ib1130-2815969726 rename to dd_tt;

3.2 alter table #sql-ib1129-2815969725 rename to dd_tt;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME SPACE, id=368, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd, new_file_path=./mysql/#sql-ib1129-2815969725.ibd]
[InnoDB] DDL log delete : 368
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME TABLE, id=369, thread_id=23, table_id=1130, old_file_path=mysql/dd_tt, new_file_path=mysql/#sql-ib1129-2815969725]
[InnoDB] DDL log delete : 369

逆向操作：alter table dd_tt rename to mysql/#sql-ib1129-2815969725;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME SPACE, id=368, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd, new_file_path=./mysql/#sql-ib1129-2815969725.ibd]
[InnoDB] DDL log delete : 368
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME TABLE, id=369, thread_id=23, table_id=1130, old_file_path=mysql/dd_tt, new_file_path=mysql/#sql-ib1129-2815969725]
[InnoDB] DDL log delete : 369

仅仅记录操作，在post-ddl阶段才做清理。                                                               

post-ddl阶段： 

drop table #sql-ib1130-2815969726;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME SPACE, id=368, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd, new_file_path=./mysql/#sql-ib1129-2815969725.ibd]
[InnoDB] DDL log delete : 368
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME TABLE, id=369, thread_id=23, table_id=1130, old_file_path=mysql/dd_tt, new_file_path=mysql/#sql-ib1129-2815969725]
[InnoDB] DDL log delete : 369

说明：drop column是copy类型的ddl，基本逻辑是新建一张临时表，拷贝数据，最后再进行一次rename操作。主要包括4个阶段：

1.prepare阶段：建临时表的过程与建表过程的ddl-log操作类似，insert-log作为单独事务直接提交，delete-log是整个事务的一部分。

这个阶段如果出现异常，ddl-log表中残留了逆操作记录，crash-recovery时，可以在replay实现清理。

2.peform阶段: 拷贝数据结束，实现online-ddl逻辑。

3.拷贝数据结束后，需要进行rename交换表名操作。

   1)DROP,删除临时表

   2)RENAME SPACE/TABLE 将./mysql/#sql-ib1130-2815969726.ibd 重命名为dd_tt.idb

   3)REANAME SPACE/TABLE 将dd_tt.idb重名为/#sql-ib1129-2815969725.idb

   4)记录删除旧表sql-ib1130-2815969726.ibd操作，post-ddl阶段做真正的删除。

如果这个阶段出现异常，同样的insert-log单独一个事务，delete作为整个事务的一部分，insert-log会残留在ddl-log表中，通过replay可以做清理，还原dd_tt的数据，并清理临时表#sql-ib1130-2815969726.ibd。

4.post-ddl阶段：

  1).物理删除旧文件./mysql/#sql-ib1130-2815969726.ibd

  2).清理mysql.innodb_dynamic_metadata中相关信息。

需要注意的是，由于ddl-log表存放的内容实际上逆向操作，所以搜集ddl-log时，实际上是逆序搜集回放的。

4.7 truncate table

语句：truncate table  dd_tt;

语句分解：

1.rename dd_tt to #sql-ib1130-2815969727;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: RENAME SPACE, id=372, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/#sql-ib1130-2815969727.ibd, new_file_path=./mysql/dd_tt.ibd
[InnoDB] DDL log delete : 372

2.drop table #sql-ib1130-2815969727;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DROP, id=373, thread_id=23, table_id=1130]                 
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DELETE SPACE, id=374, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/#sql-ib1130-2815969727.ibd] 

3.create table dd_tt;

[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: DELETE SPACE, id=375, thread_id=23, space_id=74, old_file_path=./mysql/dd_tt.ibd]                  
[InnoDB] DDL log delete : 375
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: REMOVE CACHE, id=376, thread_id=23, table_id=1131, new_file_path=mysql/dd_tt]                      
[InnoDB] DDL log delete : 376
[InnoDB] DDL log insert : [DDL record: FREE, id=377, thread_id=23, space_id=74, index_id=235, page_no=4]                                  
[InnoDB] DDL log delete : 377
[InnoDB] DDL log post ddl : begin for thread id : 23                                                                                      
[InnoDB] DDL log replay : [DDL record: DELETE SPACE, id=374, thread_id=23, space_id=73, old_file_path=./mysql/#sql-ib1130-2815969727.ibd] 
[InnoDB] DDL log replay : [DDL record: DROP, id=373, thread_id=23, table_id=1130]               
[InnoDB] DDL log post ddl : end for thread id : 23 

说明： 

1.将dd_tt重命名为sql-ib1130-2815969727

2.标记sql-ib1130-2815969727表删除，post-ddl阶段才真正删除

3.新建表dd_tt，同样的insert操作是作为单独事务提交，delete操作是整个事务的一部分，如果回滚，最终残留了insert操作，通过replay动作清理。  

5.DDL操作代码堆栈

5.1 create-table

Sql_cmd_create_table::execute
-->mysql_create_table
  -->mysql_create_table_no_lock
     -->create_table_impl
        -->rea_create_base_table
           -->ha_create_table
              -->ha_create
                 -->ha_innobase::create
                    -->innobase_basic_ddl::create_impl
                       -->create_table_info_t::create_table
                       {
                          ......
                       }

  -->trans_commit_implicit
     -->ha_commit_trans
        -->MYSQL_BIN_LOG::prepare
           -->ha_prepare_low  //所有事务引擎prepare
              {
                binlog_prepare
                innobase_xa_prepare
              }
        -->MYSQL_BIN_LOG::commit
           -->MYSQL_BIN_LOG::ordered_commit
              -->MYSQL_BIN_LOG::process_flush_stage_queue
                 -->MYSQL_BIN_LOG::flush_thread_caches
                    -->binlog_cache_mngr::flush
                       -->binlog_cache_data::flush
                          -->MYSQL_BIN_LOG::write_gtid
                             -->Log_event::write
                                -->MYSQL_BIN_LOG::Binlog_ofile::write  //写binlog-gtid

                          -->MYSQL_BIN_LOG::write_cache
                             --> MYSQL_BIN_LOG::do_write_cache
                                 -->Binlog_cache_storage::copy_to
                                    -->stream_copy
                                       -->Binlog_event_writer::write
                                          -->MYSQL_BIN_LOG::Binlog_ofile::write //写binlog-ddl语句
              -->MYSQL_BIN_LOG::sync_binlog_file
              -->MYSQL_BIN_LOG::process_commit_stage_queue
                 -->ha_commit_low
                    {
                       binlog_commit
                       innobase_commit
                       -->trx_commit_for_mysql
                          -->trx_commit
                              -->trx_commit_low
                                 -->trx_commit_in_memory
                                    -->trx_undo_insert_cleanup
                    }

  -->innobase_post_ddl(ht->post_ddl(thd))
     -->Log_DDL::post_ddl
        -->replay_by_thread_id

-->create_table_info_t::create_table
  -->create_table_def
     -->dict_mem_table_create //构造innodb内存是字典内存对象
     -->row_create_table_for_mysql
        -->dict_build_table_def
           -->dict_build_tablespace_for_table
              -->新建xxx.idb文件
              -->Log_DDL::write_delete_space_log
              {
                 -->Log_DDL::insert_delete_space_log
                    -->trx_start_internal //内部开启事务，单独提交。
                    -->构造DDL_Record(DELETE_SPACE_LOG)
                    -->DDL_Log_Table::insert(写入物理B-Tree)
                 -->Log_DDL:delete_by_id //删除ddl_log操作，作为ddl事务的一部分。
               }
              -->fil_ibd_create
              -->初始化segment，extent，page
     -->Log_DDL::write_remove_cache_log
        -->Log_DDL::insert_remove_cache_log
        -->Log_DDL::delete_by_id
  -->create_index(主表，二级索引)
     -->dict_create_index_tree_in_mem
        -->btr_create
        -->Log_DDL::write_free_tree_log
           -->Log_DDL::insert_free_tree_log
           -->Log_DDL:delete_by_id

crash-recovery
  -->ha_post_recover
        -->post_recover_handlerton
             -->innobase_post_recover
                  -->Log_DDL::recover
                       -->Log_DDL::replay_all
                            -->Log_DDL::replay
                               {
                                 replay_delete_space_log
                                 replay_remove_cache_log
                                 replay_free_tree_log
                                 ......
                               }
                            -->delete_by_ids
                               -->DDL_Log_Table::remove

5.2 drop table

mysql_rm_table
    -->mysql_rm_table_no_locks
       -->drop_base_table
           -->ha_delete_table
              -—>handler::ha_delete_table
                 -->ha_innobase::delete_table
                   -->innobase_basic_ddl::delete_impl
                      -->row_drop_table_for_mysql
                         -->Log_DDL::write_drop_log     // 记录删innodb_dynamic_metadata日志
                         -—>Log_DDL::write_delete_space_log       // 记录删ibd日志
           -->dd::drop_table
               -->dd::cache::Dictionary_client::drop<dd::Table>
                   -->dd::cache::Storage_adapter::drop<dd::Table>
                        -->dd::sdi::drop
       -->innobase_post_ddl
           -->Log_DDL::post_ddl
              -->Log_DDL::replay_by_thread_id
                   -->Log_DDL::replay
                      —>Log_DDL::replay_delete_space_log // post-ddl 真正删除innodb_dynamic_metadata
                      —>Log_DDL::replay_drop_log         // post-ddl 真正删除ibd
                   -->delete_by_ids
                      -->DDL_Log_Table::remove

drop table时，只记录删除动作日志，这些日志作为事务的整体的一部分，如果最终事务提交，那么post_ddl阶段会读取日志真正删除；如果事务回滚，那么ddl_log也会作为事务的一部分而回滚。

参考文档

https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=9045

https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=9173

https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=9175

https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=9525

https://dev.mysql.com/worklog/task/?id=9536