深入解读腾讯云数据库自研内核-轻识

TXSQL 是腾讯云数据库团队自研 MySQL 内核分支，100%兼容原生 MySQL 版本，针对企业级的重要场景自研众多核心特性，如企业级透明数据加密、审计、线程池、热点更新保护、SQL 限流、快速加列等功能，大幅提升了云数据库的性能和稳定性，保证线上稳定性的同时，满足业务对数据库的各种需求。

TXSQL 的服务对象是公司内部用户和腾讯云上小至数G大至数百T的外部客户，是支撑这些业务平稳运行的关键基石，在服务用户的同时，也打造了腾讯自己的MySQL分支。

另外，MySQL 作为最受欢迎的开源数据库，也是云上使用最多的数据库，不同的业务场景对数据库有不同的功能需求与性能需求，这样就决定了数据库本身的多样化需求，同时 MySQL 在不同使用场景下所衍生出来的各种问题，也影响着线上的稳定性。
TXSQL内核研发主要包括以下工作：

数据库性能调优；
对内核进行深度改造，满足应用需要的性能要求，在活动促销时保证数据库的平稳运行；
满足业务需要的各种功能需求；
实现资源管理需要内核支持的功能；
MySQL DBA 在运维过程中需要的诊断相关的功能；
MySQL 在运行过程中存在的问题定位并修复影响系统运行的内核Bug；
保证数据库系统的安全，保证云上用户数据的安全；

作为云上客户的服务者，我们必须有及时响应用户并解决各种问题的能力，也应该满足用户的各种合理要求，对内支持业务的快速发展，满足业务要求；对外为腾讯云提供强有力的竞争力，这就是 TXSQL 内核存在与发展的目的。

TXSQL演进之路

& 整体架构

TXSQL的演进之路

最早的TXSQL是MySQL官方5.1版本，腾讯云数据库内核团队提供了简单的bugfix。
5.5版本到5.6版本，团队不光是做了适配云平台的工作，还开发了许多支持DBA运维方面的工具，包括读写方面的优化。
TXSQL5.7版本目前是整个腾讯云数据库服务用量最大的一个版本，加入了许多企业级的特性，比如审计、压缩，还有线程池等。同时在5.7版本之后，我们做了云原生数据库TDSQL-C（原CynosDB）的内核。
最新的TXSQL8.0版本，有了索引的列存引擎，还有AEP新硬件设备引擎优化以及更多的特性和优化。

TXSQL的整体架构
下图为TXSQL内核的整体架构。客户端进来之后通过线程池，Server层，然后会访问存储引擎层。

存储引擎层目前支持多种引擎，包括传统的InnoDB，自主研发的CStore列存引擎，还包括RocksDB，以及MySQL官方原来就内置的MyISAM之类的存储引擎，这是核心部分。
底下是独立的高性能SSD（本地存储磁盘）。审计系统，通过团队基于官方审计API 研发的审计插件提供审计服务；透明数据压缩插件，提供数据加密、解密的企业级特性；半同步复制插件，通过binlog把数据复制到从实例，然后会做一些备份或者是RO实例、只读实例。
TDSQL-C内核整体架构
云原生数据库 TDSQL-C（Cloud Native Database TDSQL-C，TDSQL-C）是腾讯云自研的新一代高性能高可用的企业级分布式云数据库。融合了传统数据库、云计算与新硬件技术的优势，100%兼容 MySQL ，实现超百万级 QPS 的高吞吐，128TB 海量分布式智能存储，保障数据安全可靠。其内核的主要特点是存储和计算分离，快速的弹性扩展能力等。

自研列存引擎

自研列存引擎，服务OLAP复杂场景
数据库中存在两种典型的业务访问场景，一种以在线事务处理为主，称为OLTP（On-Line Transaction Processing）；另一种以在线分析处理为主，称为OLAP（On-Line Analytical Processing）。OLAP业务的主要特点是有较多的查询操作，写操作占比很低，并且大多数写操作是数据的批量导入和数据的批量删除或更新。并发的事务数相对OLTP要少很多，而且事务的响应时间要求相对比较低。
腾讯自研列式引擎主要是为OLAP场景(数据分析场景)提供服务。列存引擎有以下特点：

列式存储：数据按列存储而不是按行存储；查询时无需访问无关列，减少大量 IO
高压缩比：压缩比平均在10比1，可以大大减少存储空间
快速加载：支持 MySQL 标准的 LOAD 语句；多核并行处理，加载速度可达 INNODB 的 10 倍
执行引擎：支持查询任意多列的组合；单节点可支持百亿行记录的秒级查询；支持多种JOIN算法，包括HASH JOIN
查询优化：查询时利用多种形式的稀疏索引过滤数据；维护数据的统计信息，聚合类查询预计算
MySQL兼容：SQL 语法全面兼容 MySQL 8.0；兼容 MySQL 工具和应用，例如phpMyADmin等；支持XtraBackup 物理备份和恢复。

业界首创秒改列

业界首创秒改列等更多企业级特性服务B端用户
大家都知道，Instant DDL这个patch也是由腾讯数据库团队进行研发并贡献给官方的，并且官方在8.0提供了这个特性。在腾讯云TXSQL内核里不仅支持了这个特性，而且在此基础上进行了进一步增强。
Instant DDL特性，可以快速增加字段。而修改列也是用户执行比较频繁的DDL之一，而且此操作会长时间阻塞用户的读写请求，对业务的影响非常大。TXSQL及TDSQL-C内核业界首创，支持了instant modify column功能，达到了秒级修改列的效果。
具体的实现方式是：

元数据多版本化, 表元数据保存列的多个版本信息，用户只能看到的总是最新的表元数据。
行记录增加版本信息对应到不同版本的表元数据上。
修改列只修改元数据，修改列的过程中不修改实际的行记录。
行记录读取时，老版本记录会自动转换为最新版本的记录。
行记录更新时，老版本记录会自动更新为最新版本的记录。

更多企业级特性服务B端用户
高可用-物理复制（TDSQL-C内核）：TDSQL-C内核实现了基于redo log的物理复制，同步主从的数据页面修改；复制速度快；主从数据保持物理一致。

高可用-秒级RTO：Buffer pool秒级初始化，20倍提升；Crash recovery秒级构建表锁；并行初始化回滚段（已贡献官方MySQL），9倍提升；秒级Shutdown。

弹性扩展-Btree一致性读优化（TDSQL-C内核）：InnoDB的数据以Btree方式来组织的，Btree在数据的更新过程中会发生SMO操作（即btree的分裂或合并），优化后备库读不会被主库更新产生的SMO操作所阻塞。

性能优化方面，面向非易失性存储进行写加速、线程绑核、兼容冷热日志分离管理。最终效果：单机场景，有redolog，性能提升15%；主备场景，有redolog&&binlog，性能提升50+%；同步场景，主机有redolog&&binlog，备机redolog&&relaylog，性能提升60+%近，在sync_relay_log为=1，强同步场景，性能提升2221%。这是基于新硬件的一种专门优化，极大提升整体数据库内核的性能。

热点更新：内核级解决秒杀场景下的热点数据更新问题；一键开启，用户无需修改任何应用层SQL。

功能发布层层把关，未来发展以稳定性为首
目前TXSQL系统内核的开发，已经逐步形成了一个比较完善的研发体系。体系里面包括需求评估、代码设计方案、设计方案的评审、代码开发、代码测试、上线之前的评审、灰度，还包括最终上线后的跟踪。在整体流程上做到了相对完善。
从需求来讲，目前大部分需求基本上是来自于用户在线上碰到的实际问题，腾讯云数据库内核团队进行有针对性的解决。需求到我们这边之后会进行评估，接着基于需求的优先级安排开发顺序以及设计方案的评审。设计方案的评审由资深的内核开发团队人员来进行。
开发完之后进行测试，测试是开发流程中非常重要的一环。目前一个需求的测试，会包括专有的、有针对性的专项功能测试；上线之前的通用测试；真实模拟云上环境的一些测试等等。
测试过后灰度上线，邀请客户来试用，验证功能的可用性是否符合需求，灰度完之后才会真正上线。上线之后会跟踪功能的实现情况，遇到bug及时响应解决。
这就是我们从需求到发布层层把关的整个过程。

数据库内核以稳定性为主，因为TXSQL目前线上的实例有超过十万，庞大的实例规模以及海量用户，一旦出现问题，后果是不堪设想，所以首先是要做到稳定性。在保证稳定性的前提下，再去进行特性的研发和性能优化，这样未来我想应该还是以三大方向为主：1. 保持稳定性，客户线上、线下碰到就是所有问题及时解决。2. 企业级特性的研发，解决DBA运维当中碰到的比较棘手的问题。3. 性能优化，数据库的内核性能做到更好更强。

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