GPDB · 特性分析 · Segment事务一致性与异常处理

事务一致性

这篇月报Primary和Mirror同步机制讲了Primary和Mirror之间各种数据和文件的同步过程。这些数据和文件的同步，看似彼此独立。那么如何保证某个时间点Mirror的所有数据是一致的，即任何时间点发生HA切换，Mirror都能达到一致性状态并对外提供服务？正如我们前面提到的，这主要靠同步的顺序来保证：

1. AO表的同步是个强同步的过程，数据在更新发生时即同步到Mirror，Primary和Mirror时刻保持着数据一致性。另一方面，事务提交时会更新AO表文件的尾指针信息，并同步到备库。这样事务提交后，Mirror肯定可以看到所有已提交的数据。所以Primary failover切换后AO表数据不会丢失，不影响事务的一致性。

2. Heap表的数据的更新会写入相应的Xlog，同时确保Heap表数据页的同步必须在对应的Xlog同步完成后才能进行。

   你可能有疑问：Heap表的数据更新同步到Mirror是个异步的过程，那么会不会出现一个事务提交了，Heap表数据更新还没有来得及同步到Mirror，这时候Primary failover切换到Mirror，导致Heap表数据丢失？当然不会的，虽然Heap表数据同步是一个异步的过程，但是Xlog的同步却是一个强同步的过程。Primary failover切换到Mirror之后，Mirror上面的Xlog和Primary的Xlog完全一致，这时候Mirror会启动startup进程，进入Recovery模式，应用Xlog，所以即便Heap表数据没有同步过来，Mirror也会通过Xlog将这些没有过来的数据恢复。

3. 其他文件的更新，其实不需要实时同步。切换时Mirror会回放Xlog，恢复这些文件的内容。

这样，如果Primary与Mirror保持同步，上述顺序保证了任何时间点Mirror节点的数据都能达到一致。但是，假如出现了网络阻塞或者Mirror宕机的情况，数据就无法及时同步到Mirror。此时，如果Primary在更新数据时，等待数据被同步到Mirror，就会被阻塞，而无法继续提供服务。为解决这个问题，Greenplum提供了异常处理机制。

异常处理

此处所说的对网络阻塞或Mirror宕机异常情况的处理，其实就是Greenplum所谓的Change Tracking机制。在Primary向Mirror同步数据的时候，如果Mirror长时间没有回应Primary，那么Primary将会认为Mirror挂掉，这个时候Master将会把系统表gp_segment_configuration里面的Mirror状态(status)置为’d’，同时把Primary的模式(mode)置为’c’，而这个’c’模式就是ChangeTracing Mode。Primary进入Change Tracking状态后，不会再试图同步数据到Mirror（每次有数据更改时会调用FileRepPrimary_IsMirroringRequired进行检查是否需要同步）。

Primary进入ChangeTracing Mode之后，每次更新数据产生的Xlog，会被立即解析成数据更新记录，放入到Change log文件里面（参见ChangeTracking_AddRecordFromXlog函数）。Change log文件在pg_changetracking/目录下：

-rw------- 1 bgadmin bgadmin    196608 Apr 10 18:22 CT_LOG_FULL
-rw------- 1 bgadmin bgadmin    403991 Apr 10 18:22 FILEREP_CONFIG_LOG
-rw------- 1 bgadmin bgadmin 105119744 Apr 10 18:22 FILEREP_LOG

ChangeTracing信息具体记录在CT_LOG_FULL文件里面，文件记录的核心信息是当前的数据更新在Xlog中的位置，文件内容经过解析之后如下：

postgres=# select * from gp_changetracking_log(0) limit 3;
 segment_id | dbid | space |  db   | rel  |   xlogloc    | blocknum | persistent_tid | persistent_sn
------------+------+-------+-------+------+--------------+----------+----------------+---------------
          0 |    2 |  1663 | 10893 | 5043 | (0/40000160) |        0 | (2,36)         |           538
          0 |    2 |  1663 | 10893 | 5043 | (0/400001C0) |        0 | (2,36)         |           538
          0 |    2 |  1663 | 10893 | 5043 | (0/40000220) |        0 | (2,36)         |           538

Change log里面只存放Heap表的修改信息。AO表的更新信息存放在特定的表中，无需另外记录。而Xlog和普通文件，都完整保存在Primary的数据目录下，无需记录修改信息（具体原因在异常恢复的说明中有介绍）。

Change log其实是存放的Heap表更改页的元数据信息，并未存放更改的实际内容。所以它并不占用太多存储空间，另外它还可以对相同页上的修改进行合并，进一步压缩大小，减少恢复时间（参见FileRepPrimary_RunChangeTrackingCompacting函数）。

那么，Mirror在宕机后重启或网络拥塞发生后恢复正常了，重新连接到Primary后，如何通过Change log恢复同步呢？

• 异常恢复

  在异常情况消失后，需要通过执行gprecoverseg -a命令来恢复同步。下面我们还是把数据分成4类来说明这个过程总数据同步恢复的过程。

• Heap表恢复

  当我们执行gprecoverseg -a命令恢复Mirror时，Primary的Resync进程通过Change log信息，再结合Xlog，将积累的数据变更再次同步给Mirror。

  具体步骤如下：

  1. Resync manager进程通过调用一系列函数FileRepResyncManager_InResyncTransition->PersistentFileSysObj_MarkPageIncrementalFromChangeLog->PersistentFileSysObj_MarkPageIncremental->PersistentFileSysObj_UpdateTuplePageIncremental，将需要更新的Page的信息加入到ResyncEntry同步队列中。

  2. Resync worker进程从ResyncEntry队列中取出需要恢复到Mirror的任务，通过调用一系列函数FileRepPrimary_ResyncBufferPoolIncrementalWrite->smgrwrite将Page写到缓冲区中，再通过上面的方法构造消息发送到Mirror。

• AO表恢复

  因为AO表不写Xlog，所以Change log中并没有记录AO表更新操作。那么Mirror是如何将AO表恢复到和Primary数据一致呢？其实在GP catalog中有一张gp_persistent_relation_node表，里面记录了AO表同步到Mirror的最后一次文件位置(mirror_append_only_loss_eof)，以及当前文件位置(mirror_append_only_loss_eof)。AO表文件位置的更新是在FinishPreparedTransaction函数完成的(执行COMMIT PREPARED or ROLLBACK PREPARED)。最后Resync worker进程将会把未同步到Mirror的增量数据再次通过消息同步给它，最终达到Primary和Mirror的数据一致性。

    postgres=# select * from gp_persistent_relation_node where relfilenode_oid=25386;
    -[ RECORD 1 ]-------------------------------------+----------
    tablespace_oid                                    | 1663
    database_oid                                      | 10893
    relfilenode_oid                                   | 25386
    segment_file_num                                  | 1
    relation_storage_manager                          | 2
    persistent_state                                  | 2
    create_mirror_data_loss_tracking_session_num      | 0
    mirror_existence_state                            | 3
    mirror_data_synchronization_state                 | 1
    mirror_bufpool_marked_for_scan_incremental_resync | f
    mirror_bufpool_resync_changed_page_count          | 0
    mirror_bufpool_resync_ckpt_loc                    | (0/0)
    mirror_bufpool_resync_ckpt_block_num              | 0
    mirror_append_only_loss_eof                       | 301742600
    mirror_append_only_new_eof                        | 310752552
    relation_bufpool_kind                             | 0
    parent_xid                                        | 0
    persistent_serial_num                             | 754
    previous_free_tid                                 | (0,0)
  

• Xlog文件的恢复

  我们知道，Xlog文件其实都保存在Primary的pg_xlog目录下。在异常恢复时，把改目录下的文件直接发送到Mirror即可。需要注意的是，异常期间是可以正常删除或规定Xlog文件的，这是因为，所有的Heap表和AO表的修改都已经被保存下来了，无需另外保留一份Xlog来恢复数据。

• 其他文件的恢复

  其他文件（pg_control, pg_clog, pg_mutitrans等文件）也和Xlog文件一样，在恢复时直接全部发送到Mirror，具体参见FileRepResyncManager_ResyncFlatFiles函数。