MariaDB线程池源码分析
心中无码
0 前言
MySQL5.5的Enterprise版本以plugin的方式引入了thread pool，在并发请求数达到一定 数量的时候，性能相比社区版貌似有不少提高， 可以看下这个性能对比。
在引入线程池之前，MySQL支持的线程处理方式(thread_handling参数控制)有no-threads和one-thread-per-connection两种方式，no-threads方式是指任一时刻最多只有一个连接可以连接到server，一般用于实验性质。 one-thread-per-connection是指针对每个连接创建一个线程来处理这个连接的所有请求，直到连接断开，线程 结束。是thread_handling的默认方式。
one-thread-per-connection存在的问题就是需要为每个连接创建一个新的thread，当并发连接数达到一定 程度，性能会有明显下降，因为过多的线程会导致频繁的上下文切换，CPU cache命中率降低和锁的竞争 更加激烈。
解决one-thread-per-connection的方法就是降低线程数，这样就需要多个连接共用线程，这便引入了线程 池的概念。线程池中的线程是针对请求的，而不是针对连接的，也就是说几个连接可能使用相同的线程处理 各自的请求。
MariaDB在5.5引入了一个动态的线程池方案，可以根据当前请求的并发情况自动增加或减少线程数，还好 MariaDB完全开源，本文结合MariaDB的代码来介绍下thread pool的实现。这里使用的MariaDB 10.0的 代码树。
1 相关参数
MySQL的参数都写在sys_vars.cc文件下。
static Sys_var_uint Sys_threadpool_idle_thread_timeout( "thread_pool_idle_timeout", "Timeout in seconds for an idle thread in the thread pool." "Worker thread will be shut down after timeout", GLOBAL_VAR(threadpool_idle_timeout), CMD_LINE(REQUIRED_ARG), VALID_RANGE(1, UINT_MAX), DEFAULT(60), BLOCK_SIZE(1) ); static Sys_var_uint Sys_threadpool_oversubscribe( "thread_pool_oversubscribe", "How many additional active worker threads in a group are allowed.", GLOBAL_VAR(threadpool_oversubscribe), CMD_LINE(REQUIRED_ARG), VALID_RANGE(1, 1000), DEFAULT(3), BLOCK_SIZE(1) ); static Sys_var_uint Sys_threadpool_size( "thread_pool_size", "Number of thread groups in the pool. " "This parameter is roughly equivalent to maximum number of concurrently " "executing threads (threads in a waiting state do not count as executing).", GLOBAL_VAR(threadpool_size), CMD_LINE(REQUIRED_ARG), VALID_RANGE(1, MAX_THREAD_GROUPS), DEFAULT(my_getncpus()), BLOCK_SIZE(1), NO_MUTEX_GUARD, NOT_IN_BINLOG, ON_CHECK(0), ON_UPDATE(fix_threadpool_size) ); static Sys_var_uint Sys_threadpool_stall_limit( "thread_pool_stall_limit", "Maximum query execution time in milliseconds," "before an executing non-yielding thread is considered stalled." "If a worker thread is stalled, additional worker thread " "may be created to handle remaining clients.", GLOBAL_VAR(threadpool_stall_limit), CMD_LINE(REQUIRED_ARG), VALID_RANGE(10, UINT_MAX), DEFAULT(500), BLOCK_SIZE(1), NO_MUTEX_GUARD, NOT_IN_BINLOG, ON_CHECK(0), ON_UPDATE(fix_threadpool_stall_limit) );
这几个参数都有相应的描述，这里再稍微具体介绍一下。
thread_pool_size: 线程池的分组（group）个数。MariaDB的线程池并不是说一整个
大池子，而是分成了不同的group，而且是按照到来connection的顺序进行分组的，如
第一个connection分配到group[0]，那么第二个connection就分配到group[1]，是一种
Round Robin的轮询分配方式。默认值是CPU core个数。
thread_pool_idle_timeout: 线程最大空闲时间，如果某个线程空闲的时间大于这个 参数，则线程退出。
thread_pool_stall_limit: 监控间隔时间，thread pool有个监控线程，每隔这个时间， 会检查每个group的线程可用数等状态，然后进行相应的处理，如wake up或者create thread。
thread_pool_oversubscribe: 允许的每个group上的活跃的线程数，注意这并不是每个group上的 最大线程数，而只是可以处理请求的线程数。
2 thread handling设置
thread pool模式其实是新增了一种thread_handling的方式，即在配置文件中设置：
[mysqld] thread_handling=pool-of-threads. ....
MySQL内部是有一个scheduler_functions结构体，不论thread_handling是哪种方式，都是通过设置这个 结构体中的函数来进行不同的调度。
/** scheduler_functions结构体 */
struct scheduler_functions
{
uint max_threads, *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 int get_options(int *argc_ptr, char ***argv_ptr)
{
...
/** 根据thread_handling选项的设置，选择不同的处理方式*/
if (thread_handling <= SCHEDULER_ONE_THREAD_PER_CONNECTION)
/**one thread per connection 方式 */
one_thread_per_connection_scheduler(thread_scheduler, &max_connections,
&connection_count);
else if (thread_handling == SCHEDULER_NO_THREADS)
/** no thread 方式 */
one_thread_scheduler(thread_scheduler);
else
/** thread pool 方式 */
pool_of_threads_scheduler(thread_scheduler, &max_connections,
&connection_count);
...
}
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
post_kill_notification, // post_kill_notification
NULL, // end_thread
tp_end // end
};
void pool_of_threads_scheduler(struct scheduler_functions *func,
ulong *arg_max_connections,
uint *arg_connection_count)
{
/** 设置scheduler_functions结构体为tp_scheduler_functions */
*func = tp_scheduler_functions;
func->max_threads= threadpool_max_threads;
func->max_connections= arg_max_connections;
func->connection_count= arg_connection_count;
scheduler_init();
}
上面可以看到设置了thread_scheduler的处理函数为tp_scheduler_functions，即 为thread pool方式，这种方式对应的初始函数为tp_init, 创建新连接的函数为 tp_add_connection，等待开始函数为tp_wait_begin,等待结束函数为tp_wait_end. 这里说明下等待函数的意义，等待函数一般是在等待磁盘I/O，等待锁资源，SLEEP，或者等待 网络消息的时候，调用wait_begin，在等待结束后调用wait_end，那么为什么要等待的时候 调用等待函数呢？这个在后面进行介绍。
上面讲的其实和thread pool关系不是很大，下面开始thread pool流程的介绍。thread pool涉及 到的源码在emphsql/threadpool_common.cc和emphsql/threadpool_unix.cc, 对于windows而言，还有emphsql/threadpool_win.cc.
3 线程池初始化——tp_init
>tp_init | >thread_group_init | >start_timer
tp_init非常简单，首先是调用了thread_group_init进行组的初始化， 然后调用的start_timer开启了监控线程timer_thread。 至此为止，thread pool里面只有一个监控线程启动，而没有任何工作线程, 直到有新的连接到来。
4 添加新连接——tp_add_connection
void tp_add_connection(THD *thd)
{
DBUG_ENTER("tp_add_connection");
threads.append(thd);
mysql_mutex_unlock(&LOCK_thread_count);
connection_t *connection= alloc_connection(thd);
if (connection)
{
thd->event_scheduler.data= connection;
/* Assign connection to a group. */
thread_group_t *group=
&all_groups[thd->thread_id%group_count];
connection->thread_group=group;
mysql_mutex_lock(&group->mutex);
group->connection_count++;
mysql_mutex_unlock(&group->mutex);
/*
Add connection to the work queue.Actual logon
will be done by a worker thread.
*/
queue_put(group, connection);
}
else
{
/* Allocation failed */
threadpool_remove_connection(thd);
}
DBUG_VOID_RETURN;
}
但server的主监听线程监听到有客户端的connect时，会调用tp_add_connection函数进行处理。 首先根据thread_id对group_count取模，找到其所属的group，然后调用queue_put将此connection 放入到group中的queue中。这里涉及到两个新的结构体，connection_t和thread_group_t。
struct connection_t
{
THD *thd;
thread_group_t *thread_group;
connection_t *next_in_queue;
connection_t **prev_in_queue;
ulonglong abs_wait_timeout; //等待超时时间
bool logged_in; //是否进行了登录验证
bool bound_to_poll_descriptor; //是否添加到了epoll进行监听
bool waiting; //是否在等待状态，如I/O， sleep
};
struct thread_group_t
{
mysql_mutex_t mutex;
connection_queue_t queue; //connection请求链表
worker_list_t waiting_threads; //group中正在等待被唤醒的thread
worker_thread_t *listener; //当前group中用于监听的线程
pthread_attr_t *pthread_attr;
int pollfd; //epoll 文件描述符，用于绑定group中的所有连接
int thread_count; //线程数
int active_thread_count;//活跃线程数
int connection_count; //连接数
/* Stats for the deadlock detection timer routine.*/
int io_event_count; //epoll产生的事件数
int queue_event_count; //工作线程消化的事件数
ulonglong last_thread_creation_time;
int shutdown_pipe[2];
bool shutdown;
bool stalled; // 工作线程是否处于停滞状态
} MY_ALIGNED(512);
上面对这些参数进行了说明，理解这些参数的意义，才能了解这个动态thread pool的管理机制， 因为每个参数都会影响到thread pool的增长或收缩。
介绍完结构体，继续回到新的连接到来，这时会调用queue_put函数，将此connection放到 group的队列queue中。
static void queue_put(thread_group_t *thread_group, connection_t *connection)
{
DBUG_ENTER("queue_put");
mysql_mutex_lock(&thread_group->mutex);
thread_group->queue.push_back(connection);
if (thread_group->active_thread_count == 0)
wake_or_create_thread(thread_group);
mysql_mutex_unlock(&thread_group->mutex);
DBUG_VOID_RETURN;
}
注意，这时候有个active_thread_count的判断，如果没有活跃的线程，那么就无法处理 这个新到的请求啊，这时就需要调用wake_or_create_thread，这个函数首先会尝试唤醒group 等待线程链表waiting_threads中的线程，如果没有等待中的线程，则需要创建一个线程。 至此，新到的connection被挂到了group的queue上，这样一个连接算是add进队列了，那么如何 处理这个连接呢？我们继续往下看。
5 工作线程——worker_main
由于是第一个连接到来，那么肯定没有waiting_threads，此时会调用create_worker 函数创建一个工作线程。我们直接来看下工作线程。
static void *worker_main(void *param)
{
...
DBUG_ENTER("worker_main");
thread_group_t *thread_group = (thread_group_t *)param;
/* Run event loop */
for(;;)
{
connection_t *connection;
struct timespec ts;
set_timespec(ts,threadpool_idle_timeout);
connection = get_event(&this_thread, thread_group, &ts);
if (!connection)
break;
this_thread.event_count++;
handle_event(connection);
}
....
my_thread_end();
return NULL;
}
上面是整个工作线程的逻辑，可以看到是一个循环，get_event用来获取新的需要处理的 connection，然后调用handle_event进行处理相应的connection。one thread per connection 中每个线程也是一个循环体，这两者之间的区别就是，thread pool的循环等待的是一个可用的event， 并不局限于某个固定的connection的event，而one thread per connection的循环等待是等待固定的 connection上的event，这就是两者最大的区别。
6 事件获取——get_event
工作线程通过get_event获取需要处理的connection，
connection_t *get_event(worker_thread_t *current_thread,
thread_group_t *thread_group, struct timespec *abstime)
{
...
for(;;)
{
...
/** 从QUEUE中获取connection */
connection = queue_get(thread_group);
if(connection) {
fprintf(stderr, "Thread %x get a new connection.\n", (unsigned int)pthread_self());
break;
}
...
/**监听epoll */
if(!thread_group->listener)
{
thread_group->listener= current_thread;
thread_group->active_thread_count--;
mysql_mutex_unlock(&thread_group->mutex);
fprintf(stderr, "Thread %x waiting for a new event.\n", (unsigned int)pthread_self());
connection = listener(current_thread, thread_group);
fprintf(stderr, "Thread %x get a new event for connection %p.\n",
(unsigned int)pthread_self(), connection);
mysql_mutex_lock(&thread_group->mutex);
thread_group->active_thread_count++;
/* There is no listener anymore, it just returned. */
thread_group->listener= NULL;
break;
}
...
}
这个get_event的函数逻辑稍微有点多，这里只抽取了获取事件的两个点， 我们接着按照第一个连接到来是的情形进行说明， 第一个连接到来，queue中有了一个connection，这是get_event便会从queue中获取到一个 connection，返回给worker_main线程。worker_main接着调用handle_event进行事件处理。
每个新的connection连接到服务器后，其socket会绑定到group的epoll中，所以，如果queue中 没有connection，需要从epool中获取，每个group的所有连接的socket都绑定在group的epool 中，所以任何一个时刻，最多只有一个线程能够监听epoll，如果epoll监听到有event的话，也会返回 相应的connection，然后再调用handle_event进行处理。
7 事件处理——handle_event
handle_event的逻辑比较简单，就是根据connection_t上是否登录过，进行分支，如果没 登录过，说明是新到的连接，则进行验证，否则直接进行请求处理。
static void handle_event(connection_t *connection)
{
DBUG_ENTER("handle_event");
int err;
if (!connection->logged_in) //处理登录
{
err= threadpool_add_connection(connection->thd);
connection->logged_in= true;
}
else //处理请求
{
err= threadpool_process_request(connection->thd);
}
if(err)
goto end;
set_wait_timeout(connection);
/** 设置socket到epoll的监听 */
err= start_io(connection);
end:
if (err)
connection_abort(connection);
DBUG_VOID_RETURN;
}
static int start_io(connection_t *connection)
{
int fd = mysql_socket_getfd(connection->thd->net.vio->mysql_socket);
...
/* 绑定到epoll *。
if (!connection->bound_to_poll_descriptor)
{
connection->bound_to_poll_descriptor= true;
return io_poll_associate_fd(group->pollfd, fd, connection);
}
return io_poll_start_read(group->pollfd, fd, connection);
}
注意，在handle_event之后，会调用start_io，这个函数很重要，这个函数会将新 到的connection的socket绑定到group的epoll上进行监听。
8 线程等待
当group中的线程没有任务执行时，所有线程都会在get_event处等待，但是有两种等待方式， 一种是在epoll上等待事件，每个group中只有一个线程会做这个事情，且这个会一直等待，直到有新 的事件到来。另一种就是等待一定的时间， 即参数thread_pool_idle_time这个时间，如果超过了这个时间，那么当前的线程的get_event就会 返回空，然后worker_main线程就会退出。如果在线程等待的过程被唤醒的话，那么就会继续在 get_event中进行循环，等待新的事件。
9 唤醒等待线程
有两种方式会唤醒等待的线程，一种是监控线程timer_thread,另一种就是一些active的线程碰到 需要等待的时候，会调用tp_wait_begin，这个函数如果判断当前没有active的thread且没有thread监听 epoll，则会调用wake_or_create_thread。
监控线程timer_thread用于定期监控group中的thread使用情况，具体的检查函数是check_stall.
void check_stall(thread_group_t *thread_group)
{
...
/** 如果没有线程监听epoll且自上次检查到现在没有新的event事件产生，说明所有的
活跃线程都在 忙于执行长任务，则需要唤醒或创建工作线程 */
if (!thread_group->listener && !thread_group->io_event_count)
{
wake_or_create_thread(thread_group);
mysql_mutex_unlock(&thread_group->mutex);
return;
}
/* Reset io event count */
thread_group->io_event_count= 0;
/** 如果队列queue中有请求，且自上次检查到现在queue中的请求没有被消化，
则说明所有活跃线程忙于执行长任务，需要唤醒或创建工作线程*/
if (!thread_group->queue.is_empty() && !thread_group->queue_event_count)
{
thread_group->stalled= true;
wake_or_create_thread(thread_group);
}
/* Reset queue event count */
thread_group->queue_event_count= 0;
mysql_mutex_unlock(&thread_group->mutex);
}
10 小结
MariaDB的thread pool的实现相对比较简单，总体上就是将group中所有的connection的socket挂在 group的epoll_fd上进行事件监听，监听到的事件或被当前线程执行，或者被push到group的queue上 被其他线程执行。
监控线程timer_thread定期的根据需要去唤醒等待线程或创建新的线程，来达到动态增加的thread的 目的。而thread的收缩则是通过线程等待事件超时来完成的。
btw，在跟踪代码的过程中，也发现了使用thread pool时导致server crash的情况，提交了个 bug给MariaDB，发现当天就有回复， 并立刻修复push到source tree上了，看来MariaDB的团队反映够迅速的，赞一个。
References
File translated from
TEX
by
TTH,
version 4.03.
On 25 May 2013, 01:39.