MySQL在线DDL工具 gh-ost的原理解析

一.简介

gh-ost基于 golang 语言，是 github 开源的一个 DDL 工具，是 GitHub's Online Schema Transmogrifier/Transfigurator/Transformer/Thingy 的缩写，意思是 GitHub 的在线表定义转换器。

1.1 原理

主要实现原理，首先建两张表，一张_gho的影子表，gh-ost会将原表数据以及增量数据都应用到这个表，最后会将这个表和原表做次表名切换，另一张是_ghc表，这个表是存放changelog的数据，包括信号标记，心跳等。其次，gh-ost会开两个goroutine，一个用于拷贝原表数据，一个用于apply增量的binlog到_gho表，并且两个goroutine的并行在跑的，也就是不用关心数据是先拷贝过去还是先apply binlog过去。因为这里会对insert语句做调整，首先我们拷贝的insert into会改写成insert ignore into，而binlog内insert into会改写成replace into，这样可以很好的支持两个goroutine的并行。但这样的调整能适用所有的DDL吗？答案是否定的。最后，当原表数据全部拷贝完成后，gh-ost会进入到表交换阶段，采用更加安全的原子交换。

1.2 过程

1. 检查有没有外键和触发器。
2. 检查表的主键信息。
3. 检查是否主库或从库，是否开启log_slave_updates，以及binlog信息
4. 检查gho和del结尾的临时表是否存在
5. 创建ghc结尾的表，存数据迁移的信息，以及binlog信息等
---以上校验阶段
6. 初始化stream的连接,添加binlog的监听
---以下迁移阶段
7. 创建gho结尾的临时表，执行DDL在gho结尾的临时表上
8. 开启事务，按照主键id把源表数据写入到gho结尾的表上，再提交，以及binlog apply。
---以下cut-over阶段
9. lock源表，rename 表：rename 源表 to 源_del表，gho表 to 源表。
10. 清理ghc表。

1.3 特性

1. 无触发器：通过分析binlog日志的形式来监听表中的数据变更。

2. 轻量级：由于没有使用触发器，因此在操作的过程中对主库的影响是最小的，也不用担心并发和锁。

3. 可暂停：所有的写操作都是由gh-ost控制的，当限速的时候，gh-ost可以暂停向主库写入数据，创建一个内部的tracking表，以最小的系统开销向这个表中写入心跳事件。

4. 动态可控：gh-ost 可以通过 unix socket 文件或者TCP端口（可配置）的方式来监听请求，操作者可以在命令运行后更改相应的参数。

5. 可审计：使用程序接口可以获取 gh-ost 的状态，报告当前的进度，主要参数的配置以及当前服务器的标示等等。

6. 可测试：gh-ost內建支持测试功能，通过使用--test-on-replica参数来指定: 它可以在从库上进行变更操作，在操作结束时gh-ost将会停止复制，交换表，反向交换表，保留2个表并保持同步，停止复制。可以在空闲时候测试和比较两个表的数据情况。

1.4 github地址

https://github.com/github/gh-ost/

二.测试环境：

2.1 测试服务器

主库：110.119.120.231

从库：110.119.120.230

2.2 安装

cd /usr/local/src/

wget https://github.com/github/gh-ost/releases/download/v1.0.48/gh-ost-binary-linux20190214020851.tar.gz

tar xzvf gh-ost-binary-linux-20190214020851.tar.gz -C /usr/local/
ln -s /usr/local/gh-ost /usr/bin/gh-ost

2.3 创建用户

create user ghost@'110.%' identified by 'ghost';

grant ALL PRIVILEGES on *.* to ghost@'110.%';

flush privileges;

2.4 命令参数

Usage of gh-ost:
 --aliyun-rds:是否在阿里云数据库上执行。true
 --allow-master-master:是否允许gh-ost运行在双主复制架构中，一般与-assume-master-host参数一起使用
 --allow-nullable-unique-key:允许gh-ost在数据迁移依赖的唯一键可以为NULL，默认为不允许为NULL的唯一键。如果数据迁移(migrate)依赖的唯一键允许NULL值，则可能造成数据不正确，请谨慎使用。
 --allow-on-master:允许gh-ost直接运行在主库上。默认gh-ost连接的从库。此外，单实例上DDL，单个实例相当于主库，需要开启--allow-on-master参数和ROW模式。
 --alter string:DDL语句
 --approve-renamed-columns ALTER:如果你修改一个列的名字，gh-ost将会识别到并且需要提供重命名列名的原因，默认情况下gh-ost是不继续执行的，除非提供-approve-renamed-columns ALTER。
 --ask-pass:MySQL密码
 --assume-master-host string:为gh-ost指定一个主库，格式为”ip:port”或者”hostname:port”。在这主主架构里比较有用，或则在gh-ost发现不到主的时候有用。
 --assume-rbr:确认gh-ost连接的数据库实例的binlog_format=ROW的情况下，可以指定-assume-rbr，这样可以禁止从库上运行stop slave,start slave,执行gh-ost用户也不需要SUPER权限。
 --check-flag
 --chunk-size int:在每次迭代中处理的行数量(允许范围：100-100000)，默认值为1000。
 --concurrent-rowcount:该参数如果为True(默认值)，则进行row-copy之后，估算统计行数(使用explain select count(*)方式)，并调整ETA时间，否则，gh-ost首先预估统计行数，然后开始row-copy。
 --conf string:gh-ost的配置文件路径。
 --critical-load string:一系列逗号分隔的status-name=values组成，当MySQL中status超过对应的values，gh-ost将会退出。-critical-load Threads_connected=20,Connections=1500，指的是当MySQL中的状态值Threads_connected>20,Connections>1500的时候，gh-ost将会由于该数据库严重负载而停止并退出。
 Comma delimited status-name=threshold, same format as --max-load. When status exceeds threshold, app panics and quits
 --critical-load-hibernate-seconds int :负载达到critical-load时，gh-ost在指定的时间内进入休眠状态。 它不会读/写任何来自任何服务器的任何内容。
 --critical-load-interval-millis int:当值为0时，当达到-critical-load，gh-ost立即退出。当值不为0时，当达到-critical-load，gh-ost会在-critical-load-interval-millis秒数后，再次进行检查，再次检查依旧达到-critical-load，gh-ost将会退出。
 --cut-over string:选择cut-over类型:atomic/two-step，atomic(默认)类型的cut-over是github的算法，two-step采用的是facebook-OSC的算法。
 --cut-over-exponential-backoff
 --cut-over-lock-timeout-seconds int:gh-ost在cut-over阶段最大的锁等待时间，当锁超时时，gh-ost的cut-over将重试。(默认值：3)
 --database string:数据库名称。
 --debug:debug模式。
 --default-retries int:各种操作在panick前重试次数。(默认为60)
 --discard-foreign-keys:该参数针对一个有外键的表，在gh-ost创建ghost表时，并不会为ghost表创建外键。该参数很适合用于删除外键，除此之外，请谨慎使用。
 --dml-batch-size int:在单个事务中应用DML事件的批量大小（范围1-100）（默认值为10）
 --exact-rowcount:准确统计表行数(使用select count(*)的方式)，得到更准确的预估时间。
 --execute:实际执行alter&migrate表，默认为noop，不执行，仅仅做测试并退出，如果想要ALTER TABLE语句真正落实到数据库中去，需要明确指定-execute
 --exponential-backoff-max-interval int
 --force-named-cut-over:如果为true，则'unpostpone | cut-over'交互式命令必须命名迁移的表
 --force-table-names string:在临时表上使用的表名前缀
 --heartbeat-interval-millis int:gh-ost心跳频率值，默认为500
 --help
 --hooks-hint string:任意消息通过GH_OST_HOOKS_HINT注入到钩子
 --hooks-path string:hook文件存放目录(默认为empty，即禁用hook)。hook会在这个目录下寻找符合约定命名的hook文件来执行。
 --host string :MySQL IP/hostname
 --initially-drop-ghost-table:gh-ost操作之前，检查并删除已经存在的ghost表。该参数不建议使用，请手动处理原来存在的ghost表。默认不启用该参数，gh-ost直接退出操作。
 --initially-drop-old-table:gh-ost操作之前，检查并删除已经存在的旧表。该参数不建议使用，请手动处理原来存在的ghost表。默认不启用该参数，gh-ost直接退出操作。
 --initially-drop-socket-file:gh-ost强制删除已经存在的socket文件。该参数不建议使用，可能会删除一个正在运行的gh-ost程序，导致DDL失败。
 --master-password string :MySQL 主密码
 --master-user string:MysQL主账号
 --max-lag-millis int:主从复制最大延迟时间，当主从复制延迟时间超过该值后，gh-ost将采取节流(throttle)措施，默认值：1500s。
 --max-load string:逗号分隔状态名称=阈值，如：'Threads_running=100,Threads_connected=500'. When status exceeds threshold, app throttles writes
 --migrate-on-replica:gh-ost的数据迁移(migrate)运行在从库上，而不是主库上。 
 --nice-ratio float:每次chunk时间段的休眠时间，范围[0.0…100.0]。0：每个chunk时间段不休眠，即一个chunk接着一个chunk执行；1：每row-copy 1毫秒，则另外休眠1毫秒；0.7：每row-copy 10毫秒，则另外休眠7毫秒。
 --ok-to-drop-table:gh-ost操作结束后，删除旧表，默认状态是不删除旧表，会存在_tablename_del表。
 --panic-flag-file string:当这个文件被创建，gh-ost将会立即退出。
 --password string :MySQL密码
 --port int ：MySQL端口，最好用从库
 --postpone-cut-over-flag-file string：当这个文件存在的时候，gh-ost的cut-over阶段将会被推迟，数据仍然在复制，直到该文件被删除。
 --quiet：静默模式。
 --replica-server-id uint : gh-ost的server_id
 --replication-lag-query string:弃用
 --serve-socket-file string：gh-ost的socket文件绝对路径。
 --serve-tcp-port int:gh-ost使用端口，默认为关闭端口。
 --skip-foreign-key-checks:确定你的表上没有外键时，设置为'true'，并且希望跳过gh-ost验证的时间-skip-renamed-columns ALTER
 --skip-renamed-columns ALTER：如果你修改一个列的名字(如change column)，gh-ost将会识别到并且需要提供重命名列名的原因，默认情况下gh-ost是不继续执行的。该参数告诉gh-ost跳该列的数据迁移，让gh-ost把重命名列作为无关紧要的列。该操作很危险，你会损失该列的所有值。
 --stack:添加错误堆栈追踪。
 --switch-to-rbr:让gh-ost自动将从库的binlog_format转换为ROW格式。
 --table string:表名
 --test-on-replica：在从库上测试gh-ost，包括在从库上数据迁移(migration)，数据迁移完成后stop slave，原表和ghost表立刻交换而后立刻交换回来。继续保持stop slave，使你可以对比两张表。
 --test-on-replica-skip-replica-stop:当-test-on-replica执行时，该参数表示该过程中不用stop slave。
 --throttle-additional-flag-file string:当该文件被创建后，gh-ost操作立即停止。该参数可以用在多个gh-ost同时操作的时候，创建一个文件，让所有的gh-ost操作停止，或者删除这个文件，让所有的gh-ost操作恢复。
 --throttle-control-replicas string:列出所有需要被检查主从复制延迟的从库。
 --throttle-flag-file string:当该文件被创建后，gh-ost操作立即停止。该参数适合控制单个gh-ost操作。-throttle-additional-flag-file string适合控制多个gh-ost操作。
 --throttle-http string
 --throttle-query string:节流查询。每秒钟执行一次。当返回值=0时不需要节流，当返回值>0时，需要执行节流操作。该查询会在数据迁移(migrated)服务器上操作，所以请确保该查询是轻量级的。
 --timestamp-old-table:在旧表名中使用时间戳。 这会使旧表名称具有唯一且无冲突的交叉迁移
 --tungsten：告诉gh-ost你正在运行的是一个tungsten-replication拓扑结构。
 --user string :MYSQL用户
 --verbose
 --version

三. 操作模式

模式一连上从库，在主库上修改

这是gh-ost 默认的工作模式，它会查看从库情况，找到集群的主库并且连接上去。修改操作的具体步骤是：

1、在主库上读写行数据；

2、在从库上读取二进制日志事件，将变更应用到主库上；

3、在从库上查看表格式、字段、主键、总行数等；

4、在从库上读取 gh-ost 内部事件日志（比如心跳）；

5、在主库上完成表切换。

如果你的主库的日志格式是 SBR，工具也可以正常工作。但从库就必须配成启用二进制日志（log_bin, log_slave_updates）并且设置 binlog_format=ROW ( gh-ost 是读取从库的二进制文件)。

使用示例：

# gh-ost --initially-drop-old-table --initially-drop-ghost-table --user="ghost" --password="ghost" --host=110.119.120.230 --port=3306 --database="test" --table="t1" --verbose --alter="ADD COLUMN y1 varchar(10),add column y2 int not null default 0 comment 'test' " --assume-rbr --execute

参数含义：

--initially-drop-old-table：gh-ost操作之前，检查并删除已经存在的旧表。

--initially-drop-ghost-table：gh-ost操作之前，检查并删除已经存在的ghost表。

--verbose：执行过程输出日志

--assume-rbr：确认gh-ost连接的数据库实例binlog_format=ROW的情况下，可以指定-assume-rbr，这样可以避免从库上运行stop slave，start slave，执行gh-ost的用户也不需要SUPER权限。

模式二直接在主库上修改

如果没有从库，或者不想在从库上操作，那直接用主库也是可以的。gh-ost 就会在主库上直接做所有的操作。仍然可以在上面查看主从复制延迟。

1）主库必须产生 Row 格式的二进制日志

2）启动 gh-ost 时必须用--allow-on-master 选项来开启这种模式

# gh-ost --initially-drop-old-table --initially-drop-ghost-table --user="ghost" --password="ghost" --host="110.119.120.231" --port=3306 --database="test" --table="t2" --verbose --alter="add column test_field varchar(256) default '';" --exact-rowcount --serve-socket-file=/tmp/gh-ost.t2.sock --panic-flag-file=/tmp/ghost.panic.t2.flag --postpone-cut-over-flag-file=/tmp/ghost.postpone.t2.flag --allow-on-master --execute

参数含义：

--exact-rowcount：准确统计表行数(使用select count(*)的方式)，得到更准确的预估时间。

--serve-socket-file：gh-ost的socket文件绝对路径。如：--serve-socket-file=/tmp/gh-ost.t1.sock 创建socket文件进行监听，通过接口进行参数调整，当执行操作的过程中发现负载、延迟上升了，不得不终止操作，重新配置参数，如 chunk-size，然后重新执行操作命令，可以通过scoket接口进行动态调整。

#暂停

echo throttle | socat - /tmp/gh-ost.t1.sock

#恢复

echo no-throttle | socat - /tmp/gh-ost.t1.sock

修改限速参数：

echo chunk-size=1500 | socat - /tmp/gh-ost.t1.sock
echo max-lag-millis=2000 | socat - /tmp/gh-ost.t1.sock

echo max-load=Thread_running=30 | socat - /tmp/gh-ost.t1.sock

--panic-flag-file：这个文件被创建，会立即终止正在运行的gh-ost，临时文件清理需要手动进行。

--postpone-cut-over-flag-file：当这个文件存在的时候，gh-ost的cut-over阶段将会被推迟，数据仍然在复制，但并不会切换表，直到该文件被删除。

--allow-on-master：允许gh-ost直接运行在主库上。

模式三在从库上修改和测试

这种模式会在从库上做修改，所有操作都是在从库上做的，不会对主库产生任何影响。在操作过程中， gh-ost 也会不时地暂停，以便从库的数据可以保持最新。

--test-on-replica 表明操作只是为了测试目的。在进行最终的切换操作之前，复制会被停止。原始表和临时表会相互切换，再切换回来，最终相当于原始表没被动过。主从复制暂停的状态下，可以检查和对比这两张表中的数据（若不想stop slave，可添加参数--test-on-replica-skip-replica-stop）。

# gh-ost --initially-drop-old-table --initially-drop-ghost-table --user="ghost" --password="ghost" --host=110.119.120.230 --port=3306 --database="test" --table="t3" --verbose --alter="ADD COLUMN abc1 varchar(10),add column abc2 int not null default 0 comment 'test' " --test-on-replica --assume-rbr --execute

rds限制：

1. 用户没有 Super 权限，因此使用过程中要加上--assume-rbr，gh-ost 会认为 binlog 本身就是 row 模式，不会再去修改。阿里云RDS上的binlog 默认也是 row 模式，所以不存在问题。

2. 其它权限，主要是REPLICATION SLAVE，REPLICATION CLIENT可以拉取 binlog ,也可以获得。

3、无法连接到备库拉取binlog。备库通常对用户来说是透明的，所以gh-ost需要直接连接到主库上去，这可能会增大对主库的负载。使用的时候需要增加--allow-on-master，--assume-master-host。官方推荐的方式也是连接到其中一个备库，因为会有一些压力较大的SELECT操作，放在备库是最好的。

4、阿里云数据库上执行，需要增加一个参数--aliyun-rds。目前用户使用的话，记得加上以下几个参数： --allow-on-master --assume-rbr --assume-master-host --aliyun-rds

四.gh-ost与pt-osc对比

4.1 pt-osc的简单介绍

pt-osc之工作流程
1、检查更改表是否有主键或唯一索引，是否有触发器
2、检查修改表的表结构，创建一个临时表，在新表上执行ALTER TABLE语句
3、在源表上创建三个触发器分别对于INSERT UPDATE DELETE操作
4、从源表拷贝数据到临时表，在拷贝过程中，对源表的更新操作会写入到新建表中
5、将临时表和源表rename（需要元数据修改锁，需要短时间锁表）
6、删除源表和触发器，完成表结构的修改。

pt-osc之工具限制
1、源表必须有主键或唯一索引，如果没有工具将停止工作
2、如果线上的复制环境过滤器操作过于复杂，工具将无法工作
3、如果开启复制延迟检查，但主从延迟时，工具将暂停数据拷贝工作
4、如果开启主服务器负载检查，但主服务器负载较高时，工具将暂停操作
5、当表使用外键时，如果未使用--alter-foreign-keys-method参数，工具将无法执行
6、只支持Innodb存储引擎表，且要求服务器上有该表1倍以上的空闲空间。

那么gh-ost对比pt-osc具体有哪些优势呢？下面先简单介绍下它的两个最核心的特性。

4.2 Triggerless

在gh-ost出现之前第三方MySQL DDL工具均采用触发器的方式进行实现，包括percona的pt-osc，Facebook的OSC等等。而gh-ost采用的机制和他们完全不同：它通过MySQL binlog来同步数据，gh-ost本身注册为一个fake slave，可以从集群中的master或者slave上拉取binlog，并实时解析，将变更表的所有DML操作都重新apply到影子表上面。因此对于发布期间变更表上发生的DML操作，可以完全避免由于触发器而产生的性能开销，以及锁的争抢。

除此之外，一般我们选择目标发布机器通常会选择集群中slave节点，而slave一般不会承载业务，这样binlog解析的开销也不会落在提供业务的master上面，而仅仅是一次异步的DML语句重放。

4.3 Dynamically controllable

另一个最重要的特性是动态调控，这是此前其他第三方开源工具所不具备的。

之前通过pt-osc发布时，命令执行后参数就没法修改，除非停止重来。假设发布进行到90%，突然由于其他各种原因导致服务器负载上升，为不影响业务，只能选择将发布停掉，等性能恢复再重来。

通过pt-osc发布的表都是很大的表，耗时较长，所以遇到这类场景很尴尬。因此发布中参数如果可动态调控将变得非常重要。gh-ost另外实现了一个socket server，我们可以在发布过程中，通过socket和发布进程进行实时交互，它可以支持实时的暂停，恢复，以及很多参数的动态调整，来适应外界变化。