MariaDB

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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));

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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.....

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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 max_threads= threadpool_max_threads;  func->max_connections= arg_max_connections;  func->connection_count= arg_connection_count;  scheduler_init();}

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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

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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;}

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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);

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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;}

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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;}

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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;    }    ...}

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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);}

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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);}

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