使用MySQL的递延Join连接实现高效分页 - Aaron

在 Web 应用程序中跨大型数据集分页记录似乎是一个简单的问题，但实际上很难扩展。两种主要的分页策略是偏移/限制和游标。

我们将首先看一下这两种方法，然后稍作修改，可以使偏移/限制非常高效。

偏移/限制分页

偏移/限制方法是迄今为止最常见的方法，它通过跳过一定数量的记录（页）并将结果限制为一页来工作。

例如，假设您的应用程序配置为每页显示 15 条记录。您的 SQL 将如下所示：

这是最常见的，因为它非常简单，易于推理，并且几乎每个框架都支持它。

除了易于实现之外，它还具有页面可直接寻址的优点。例如，如果您想直接导航到第 20 页，您可以这样做，因为该偏移量很容易计算。

但是有一个主要的缺点，它潜伏在数据库处理偏移量的方式中。偏移量告诉数据库放弃从查询中返回的前N个结果。不过数据库仍然要从磁盘上获取这些行。

如果你丢弃的是100条记录，这并不重要，但如果你丢弃的是100,000条记录，数据库就会为了丢弃这些结果而做大量的工作。

在实践中，这意味着第一个页面会快速加载，之后的每一个页面都会变得越来越慢，直到你达到一个点，网络请求可能会直接超时。

基于游标的分页

基于游标的分页弥补了偏移/限制的一些不足，同时引入了一些自己的不足。

基于游标的分页是通过存储一些关于最后呈现给用户的记录的状态，然后根据这个状态来进行下一次查询。

因此，它不是按顺序获取所有的记录并丢弃前N条，而是只获取最后一个位置N之后的记录。

如果按ID排序，SQL可能看起来像这样。

你可能已经看到了其中的好处。因为我们知道上次向用户展示的ID，我们知道下一个页面将以一个更高的ID开始。我们甚至不需要检查ID较低的行，因为我们百分之百肯定地知道那些行不需要被显示。

在上面的例子中，我特别说明了ID可能不是连续的，也就是说，可能有缺失的记录。这使得我们无法计算出哪些记录会出现在某一页面上，你必须跟踪之前那一页面上的最后一条记录是什么。

与偏移/限制分页不同，使用游标分页时，页面不能直接寻址，你只能导航到 "下一页 "或 "上一页"。

不过光标分页的好处是在任何数量的页面上都很迅速。它也很适合无限滚动，在这种情况下，页面首先不需要可以直接寻址。

Laravel文档中有一些关于偏移量和游标之间的权衡的好的背景。

https://laravel.com/docs/pagination cursor -vs-offset-pagination

考虑到所有这些，让我们来看看一个偏移/限制优化，可以使它的性能足以在成千上万的页面上使用。

使用递延join的Offset/Limit

递延连接（deferred join ）是一种技术，它将对要求的列的访问推迟到应用了偏移量和限制之后。

使用这种技术，我们创建一个内部查询，可以用特定的索引进行优化，以获得最大的速度，然后将结果连接到同一个表，以获取完整的行。

它看起来像这样：

这种方法的好处可以根据你的数据集有很大的不同，但是这种方法允许数据库尽可能少地检查数据，以满足用户的意图。

查询中 "昂贵的 "select *部分只在与内部查询相匹配的15条记录上运行。所有数据的Select都被推迟了，因此被称为推迟join。

这种方法不太可能比传统的偏移/限制性能差，尽管它是可能的，所以一定要在你的数据上进行测试!

Laravel实现

我们如何把这一点带到我们最喜欢的网络框架，如Laravel和Rails？

让我们具体看看Laravel，因为我不知道Rails。

感谢Laravel的macroable特性，我们可以扩展Eloquent Query Builder来添加一个新的方法，叫做deferredPaginate。为了保持一致性，我们将模仿常规分页的签名。

我们将尝试做尽可能少的自定义工作，并将大部分工作留给 Laravel。

这是我们要做的：

这应该为我们提供 LaravelLengthAwarePaginator 和延迟连接的所有好处！

一个Github仓库

递延Join和覆盖索引

还没有完成...

使用递延Join的主要好处是减少了数据库必须检索然后丢弃的数据量。我们可以通过帮助数据库获得它需要的数据而更进一步，而无需获取底层行。

这样做的方法称为“覆盖索引covering index”，它是确保快速偏移/限制分页的最终解决方案。

覆盖索引是一个索引，在这个索引中，查询的所有需要的字段都包含在索引本身中。当一个查询的所有部分都能被一个索引 "覆盖 "时，数据库根本不需要读取该行，它可以从索引中获得它需要的一切。

请注意，覆盖索引并不是以任何特殊方式创建的。它只是指一个索引满足了一个查询所需要的一切的情况。一个查询上的覆盖索引很可能不是另一个查询上的覆盖索引。

在接下来的几个例子中，我们将使用这个基本的表，我把它填满了~1000万条记录。

让我们看一个仅select索引列的简单查询。在这种情况下，我们将从email表中进行select contacts。

在这种情况下，数据库根本不需要读取基础行。在MySQL中，我们可以通过运行一个解释并查看额外的列来验证这一点：

extra: using index告诉我们，MySQL能够只使用索引来满足整个查询，而不看基础行。

如果尝试select name from contacts limit 10， 我们将期望MySQL必须到该行去获取数据，因为名字name没有被索引。这正是发生的情况，由下面的解释显示。

extra不再显示 using index，所以我们没有使用覆盖索引。

假设你每页有15条记录，你的用户想查看第1001页，你的内部查询最终会是这样的。

select id from contacts order by id limit 15 OFFSET 150000

explain结果显示：

MySQL能够单看索引来执行这个查询。它不会简单地跳过前15万行，在使用offset是没有办法的，但它不需要读取15万行。(只有游标分页可以让你跳过所有的行）。

即使使用覆盖索引和延迟连接，当你到达后面的页面时，结果也会变慢，尽管与传统的偏移/限制相比，它应该是最小的。使用这些方法，你可以轻易地深入到数千页。

更好的覆盖索引

这里的很多好处取决于拥有良好的覆盖索引，所以让我们稍微讨论一下。一切都取决于您的数据和用户的使用模式，但是您可以采取一些措施来确保查询的最高命中率。

这将主要与 MySQL 对话，因为那是我有经验的地方。其他数据库中的情况可能会有所不同。

大多数开发人员习惯于为单列添加索引，但没有什么能阻止您向多列添加索引。事实上，如果您的目标是为昂贵的分页查询创建覆盖索引，您几乎肯定需要一个多列索引。

当你试图为分页优化一个索引时，一定要把按列排序放在最后。如果你的用户要按update_at排序，这应该是你复合索引中的最后一列。

看看下面这个包括三列的索引。

在MySQL中，复合索引是从左到右访问的，如果一个列缺失，或者在第一个范围条件之后，MySQL会停止使用一个索引。

MySQL 将能够在以下场景中使用该索引：

如果你跳过is_archived，MySQL将无法访问update_at，将不得不诉诸于没有该索引的排序，或者根本不使用该索引，所以要确保你有相应的计划。

主键始终存在

在MySQL的InnoDB中，所有的索引都附加了主键。这意味着（email）的索引实际上是（email，id）的索引，当涉及到覆盖索引和延迟连接时，这是相当重要的。

查询select email from contacts order by id完全被email上的一个索引所覆盖，因为InnoDB将id附加到了该索引上。

使用我们上面的综合例子，你可以看到这有什么好处。

因为复合索引涵盖了is_deleted, is_archived, updated_at, 和（通过InnoDB的功能）id，整个查询可以仅由索引来满足。

降序索引

大多数时候，用户都在寻找 "最新的 "项目，即最近更新或创建的项目，这可以通过按update_at DESC排序来满足。

如果你知道你的用户主要是以降序的方式对他们的结果进行排序，那么特别将你的索引设为降序索引可能是有意义的。

MySQL 8是第一个支持降序索引的MySQL版本。

如果你在explain的Extra部分看到向后索引扫描，你也许可以配置一个更好的索引。

前向索引扫描比后向扫描快~15%，所以你要按照你认为你的用户最常使用的顺序添加索引，并为少数使用情况承担惩罚。

太阳底下无新事

这种使用偏移/限制分页与延迟连接和覆盖索引的方法并不是银d。

仅仅是递迟连接就可以让你的速度得到很好的提升，但是需要花一些额外的心思来设计正确的索引以获得最大的好处。

有一种观点认为，递延连接应该是框架中默认的偏移offset/限制limit方法，而任何时候覆盖索引的出现都只是一种奖励。我还没有在足够多的生产环境中测试过，所以还没有强烈主张这样做。

使用MySQL的递延Join连接实现高效分页 - Aaron

现象

Sysbench对MySQL进行压测, 并发数过大(>5k)时, Sysbench建立连接的步骤会超时.

猜想

猜想: 直觉上这很简单, Sysbench每建立一个连接, 都要消耗一个线程, 资源消耗过大导致超时.

验证: 修改Sysbench源码, 调大超时时间, 仍然会发生超时.

检查环境

猜想失败, 回到常规的环境检查:

MySQL error log 未见异常.

syslog 未见异常.

tcpdump 观察网络包未见异常, 连接能完成正常的三次握手只观察到在出问题的连接中, 有一部分的TCP握手的第一个SYN包发生了重传, 另一部分没有发生重传.

自己写一个简单的并发发生器, 替换sysbench, 可重现场景. 排除sysbench的影响

猜想2

怀疑 MySQL 在应用层因为某种原因, 没有发送握手包, 比如卡在某一个流程上:

检查MySQL堆栈未见异常, 仿佛MySQL在应用层没有看到新连接进入.

通过strace检查MySQL, 发现 accept() 调用确实没有感知到新连接.

怀疑是OS的原因, Google之, 得到参考文档: A TCP “stuck” connection mystery【http://www.evanjones.ca/tcp-stuck-connection-mystery.html】

分析

参考文档中的现象跟目前的状况很类似, 简述如下:

正常的TCP连接流程:

Client 向 Server 发起连接请求, 发送SYN.

Server 预留连接资源, 向 Client 回复SYN-ACK.

Client 向 Server 回复ACK.

Server 收到 ACK, 连接建立.

在业务层上, Client和Server间进行通讯.

当发生类似SYN-flood的现象时, TCP连接的流程会使用SYN-cookie, 变为:

Client 向 Server 发起连接请求, 发送SYN.

Server 不预留连接资源, 向 Client 回复SYN-ACK, 包中附带有签名A.

Client 向 Server 回复ACK, 附带 f(签名A) (对签名进行运算的结果).

Server 验证签名, 分配连接资源, 连接建立.

在业务层上, Client和Server间进行通讯.

当启用SYN-cookie时, 第3步的ACK包因为 某种原因 丢失, 那么:

从Client的视角, 连接已经建立.

从Server的视角, 连接并不存在, 既没有建立, 也没有”即将建立” (若不启用SYN-cookie, Server会知道某个连接”即将建立”)

发生这种情况时:

若业务层的第一个包应是从 Client 发往 Server, 则会进行重发或抛出连接错误

若业务层的第一个包应是从 Server 发往 Client的, Server不会发出第一个包. MySQL的故障就属于这种情况.

TCP握手的第三步ACK包为什么丢失

参考文档中, 对于TCP握手的第三步ACK包的丢失原因, 描述为:

Some of these packets get lost because some buffer somewhere overflows.

我们可以通过Systemtap进一步探究原因. 通过一个简单的脚本:

probe kernel.function("cookie_v4_check").return

{

source_port = @cast($skb->head + $skb->transport_header, "struct tcphdr")->source

printf("source=%d, return=%d\n",readable_port(source_port), $return)

}

function readable_port(port) {

return (port &((1<<9)-1)) <<8 | (port >>8)

}

观察结果, 可以确认cookie_v4_check (syn cookie机制进行包签名检查的函数)会返回 NULL(0). 即验证是由于syn cookie验证不通过, 导致TCP握手的第三步ACK包不被接受.

之后就是对其中不同条件进行观察, 看看是哪个条件不通过. 最终原因是accept队列满(sk_acceptq_is_full):

static inline bool sk_acceptq_is_full(const struct sock  *sk){   return sk->sk_ack_backlog >sk-   >sk_max_ack_backlog}

恢复故障与日志的正关联

在故障处理的一开始, 我们就检查了syslog, 结论是未见异常.

当整个故障分析完成, 得知了故障与syn cookie有关, 回头看syslog, 里面是有相关的信息, 只是和故障发生的时间不匹配, 没有正关联, 因此被忽略.

检查Linux源码:

if (!queue->synflood_warned &&

sysctl_tcp_syncookies != 2 &&

xchg(&queue->synflood_warned, 1) == 0)

pr_info("%s: Possible SYN flooding on port %d. %s.

Check SNMP counters.\n",

proto, ntohs(tcp_hdr(skb)->dest), msg)

可以看到日志受到了抑制, 因此日志与故障的正关联被破坏.

粗看源码, 每个listen socket只会发送一次告警日志, 要获得日志与故障的正关联, 必须每次测试重启MySQL.

解决方案

这种故障一旦形成, 难以检测系统日志中只会出现一次, 在下次重启MySQL之前就不会再出现了Client如果没有合适的超时机制, 万劫不复.

解决方案:

1. 修改MySQL的协议, 让Client先发握手包. 显然不现实.

2. 关闭syn_cookie. 有安全的人又要跳出来了.

3. 或者调高syn_cookie的触发条件 (syn backlog长度). 降低系统对syn flood的敏感度, 使之可以容忍业务的syn波动.

有多个系统参数混合影响syn backlog长度, 参看【http://blog.dubbelboer.com/2012/04/09/syn-cookies.html】

下图为精华总结

请点击输入图片描述

对于同一数据，mysql在修改前会对数据加锁，如果是myisam引擎，会对整个表加锁，在修改期间，另外的线程会保持等待状态。所以不会出现同事并发修改的问题。

你开发程序的时候，不用考虑这个问题。

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