MySQL的线程池原理学习教程

线程池是Mysql5.6的一个核心功能，对于服务器应用而言，无论是web应用服务还是DB服务，高并发请求始终是一个绕不开的话题。当有大量请求并发访问时，一定伴随着资源的不断创建和释放，导致资源利用率低，降低了服务质量。线程池是一种通用的技术，通过预先创建一定数量的线程，当有请求达到时，线程池分配一个线程提供服务，请求结束后，该线程又去服务其他请求。 通过这种方式，避免了线程和内存对象的频繁创建和释放，降低了服务端的并发度，减少了上下文切换和资源的竞争，提高资源利用效率。所有服务的线程池本质都是位了提高资源利用效率，并且实现方式也大体相同。本文主要说明Mysql线程池的实现原理。

在Mysql5.6出现以前，Mysql处理连接的方式是One-Connection-Per-Thread,即对于每一个数据库连接，Mysql-Server都会创建一个独立的线程服务，请求结束后，销毁线程。再来一个连接请求，则再创建一个连接，结束后再进行销毁。这种方式在高并发情况下，会导致线程的频繁创建和释放。当然，通过thread-cache，我们可以将线程缓存起来，以供下次使用，避免频繁创建和释放的问题，但是无法解决高连接数的问题。One-Connection-Per-Thread方式随着连接数暴增，导致需要创建同样多的服务线程，高并发线程意味着高的内存消耗，更多的上下文切换(cpu cache命中率降低)以及更多的资源竞争，导致服务出现抖动。相对于One-Thread-Per-Connection方式，一个线程对应一个连接，Thread-Pool实现方式中，线程处理的最小单位是statement(语句)，一个线程可以处理多个连接的请求。这样，在保证充分利用硬件资源情况下(合理设置线程池大小)，可以避免瞬间连接数暴增导致的服务器抖动。

调度方式实现

Mysql-Server同时支持3种连接管理方式，包括No-Threads，One-Thread-Per-Connection和Pool-Threads。No-Threads表示处理连接使用主线程处理，不额外创建线程，这种方式主要用于调试；One-Thread-Per-Connection是线程池出现以前最常用的方式，为每一个连接创建一个线程服务；Pool-Threads则是本文所讨论的线程池方式。Mysql-Server通过一组函数指针来同时支持3种连接管理方式，对于特定的方式，将函数指针设置成特定的回调函数，连接管理方式通过thread_handling参数控制，代码如下：

if (thread_handling <= SCHEDULER_ONE_THREAD_PER_CONNECTION)
 one_thread_per_connection_scheduler(thread_scheduler,
                   &max_connections,
                   &connection_count);
else if (thread_handling == SCHEDULER_NO_THREADS)
 one_thread_scheduler(thread_scheduler);
else
 pool_of_threads_scheduler(thread_scheduler, &max_connections,&connection_count);

连接管理流程

通过poll监听mysql端口的连接请求
收到连接后，调用accept接口，创建通信socket
初始化thd实例，vio对象等
根据thread_handling方式设置，初始化thd实例的scheduler函数指针
调用scheduler特定的add_connection函数新建连接
下面代码展示了scheduler_functions模板和线程池对模板回调函数的实现，这个是多种连接管理的核心。

struct scheduler_functions
{
uint max_threads;

uint *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 scheduler_functions tp_scheduler_functions=

{
0,
// max_threads
NULL,
NULL,
tp_init,
// init
NULL,
// init_new_connection_thread
tp_add_connection,
// add_connection
tp_wait_begin,
// thd_wait_begin
tp_wait_end,
// thd_wait_end
tp_post_kill_notification,
// post_kill_notification
NULL,
// end_thread
tp_end
// end

};

线程池的相关参数

• thread_handling:表示线程池模型。
• thread_pool_size:表示线程池的group个数，一般设置为当前CPU核心数目。理想情况下，一个group一个活跃的工作线程，达到充分利用CPU的目的。
• thread_pool_stall_limit:用于timer线程定期检查group是否“停滞”，参数表示检测的间隔。
• thread_pool_idle_timeout:当一个worker空闲一段时间后会自动退出，保证线程池中的工作线程在满足请求的情况下，保持比较低的水平。
• thread_pool_oversubscribe:该参数用于控制CPU核心上“超频”的线程数。这个参数设置值不含listen线程计数。
• threadpool_high_prio_mode:表示优先队列的模式。

线程池实现

上面描述了Mysql-Server如何管理连接，这节重点描述线程池的实现框架，以及关键接口。如图1

每一个绿色的方框代表一个group，group数目由thread_pool_size参数决定。每个group包含一个优先队列和普通队列，包含一个listener线程和若干个工作线程，listener线程和worker线程可以动态转换，worker线程数目由工作负载决定，同时受到thread_pool_oversubscribe设置影响。此外，整个线程池有一个timer线程监控group，防止group“停滞”。

关键接口

1. tp_add_connection[处理新连接]

1) 创建一个connection对象

2) 根据thread_id%group_count确定connection分配到哪个group

3) 将connection放进对应group的队列

4) 如果当前活跃线程数为0，则创建一个工作线程

2. worker_main[工作线程]

1) 调用get_event获取请求

2) 如果存在请求，则调用handle_event进行处理

3) 否则，表示队列中已经没有请求，退出结束。

3. get_event[获取请求]

1) 获取一个连接请求

2) 如果存在，则立即返回，结束

3) 若此时group内没有listener，则线程转换为listener线程，阻塞等待

4) 若存在listener，则将线程加入等待队列头部

5) 线程休眠指定的时间(thread_pool_idle_timeout)

6) 如果依然没有被唤醒，是超时，则线程结束，结束退出

7) 否则，表示队列里有连接请求到来，跳转1

备注：获取连接请求前，会判断当前的活跃线程数是否超过了

thread_pool_oversubscribe+1，若超过了，则将线程进入休眠状态。

4. handle_event[处理请求]

1) 判断连接是否进行登录验证，若没有，则进行登录验证

2) 关联thd实例信息

3) 获取网络数据包，分析请求

4) 调用do_command函数循环处理请求

5) 获取thd实例的套接字句柄，判断句柄是否在epoll的监听列表中

6) 若没有，调用epoll_ctl进行关联

7) 结束

5.listener[监听线程]

1) 调用epoll_wait进行对group关联的套接字监听，阻塞等待

2) 若请求到来，从阻塞中恢复

3) 根据连接的优先级别，确定是放入普通队列还是优先队列

4) 判断队列中任务是否为空

5) 若队列为空，则listener转换为worker线程

6) 若group内没有活跃线程，则唤醒一个线程

备注：这里epoll_wait监听group内所有连接的套接字，然后将监听到的连接

请求push到队列，worker线程从队列中获取任务，然后执行。

6. timer_thread[监控线程]

1) 若没有listener线程，并且最近没有io_event事件

2) 则创建一个唤醒或创建一个工作线程

3) 若group最近一段时间没有处理请求，并且队列里面有请求，则

4) 表示group已经stall，则唤醒或创建线程

5）检查是否有连接超时

备注：timer线程通过调用check_stall判断group是否处于stall状态，通过调用timeout_check检查客户端连接是否超时。

7.tp_wait_begin[进入等待状态流程]

1) active_thread_count减1，waiting_thread_count加1

2）设置connection->waiting= true

3) 若活跃线程数为0，并且任务队列不为空，或者没有监听线程，则

4) 唤醒或创建一个线程

8.tp_wait_end[结束等待状态流程]

1) 设置connection的waiting状态为false

2) active_thread_count加1，waiting_thread_count减1

备注：

1)waiting_threads这个list里面的线程是空闲线程，并非等待线程，所谓空闲线程是随时可以处理任务的线程，而等待线程则是因为等待锁，或等待io操作等无法处理任务的线程。

2)tp_wait_begin和tp_wait_end的主要作用是由于汇报状态，即使更新active_thread_count和waiting_thread_count的信息。

9. tp_init/tp_end

分别调用thread_group_init和thread_group_close来初始化和销毁线程池

线程池与连接池

连接池通常实现在Client端，是指应用(客户端)创建预先创建一定的连接，利用这些连接服务于客户端所有的DB请求。如果某一个时刻，空闲的连接数小于DB的请求数，则需要将请求排队，等待空闲连接处理。通过连接池可以复用连接，避免连接的频繁创建和释放，从而减少请求的平均响应时间，并且在请求繁忙时，通过请求排队，可以缓冲应用对DB的冲击。线程池实现在server端，通过创建一定数量的线程服务DB请求，相对于one-conection-per-thread的一个线程服务一个连接的方式，线程池服务的最小单位是语句，即一个线程可以对应多个活跃的连接。通过线程池，可以将server端的服务线程数控制在一定的范围，减少了系统资源的竞争和线程上下文切换带来的消耗，同时也避免出现高连接数导致的高并发问题。连接池和线程池相辅相成，通过连接池可以减少连接的创建和释放，提高请求的平均响应时间，并能很好地控制一个应用的DB连接数，但无法控制整个应用集群的连接数规模，从而导致高连接数，通过线程池则可以很好地应对高连接数，保证server端能提供稳定的服务。如图2所示，每个web-server端维护了3个连接的连接池，对于连接池的每个连接实际不是独占db-server的一个worker，而是可能与其他连接共享。这里假设db-server只有3个group，每个group只有一个worker，每个worker处理了2个连接的请求。

线程池优化

1.调度死锁解决

引入线程池解决了多线程高并发的问题，但也带来一个隐患。假设，A，B两个事务被分配到不同的group中执行，A事务已经开始，并且持有锁，但由于A所在的group比较繁忙，导致A执行一条语句后，不能立即获得调度执行；而B事务依赖A事务释放锁资源，虽然B事务可以被调度起来，但由于无法获得锁资源，导致仍然需要等待，这就是所谓的调度死锁。由于一个group会同时处理多个连接，但多个连接不是对等的。比如，有的连接是第一次发送请求；而有的连接对应的事务已经开启，并且持有了部分锁资源。为了减少锁资源争用，后者显然应该比前者优先处理，以达到尽早释放锁资源的目的。因此在group里面，可以添加一个优先级队列，将已经持有锁的连接，或者已经开启的事务的连接发起的请求放入优先队列，工作线程首先从优先队列获取任务执行。

2.大查询处理

假设一种场景，某个group里面的连接都是大查询，那么group里面的工作线程数很快就会达到thread_pool_oversubscribe参数设置值，对于后续的连接请求，则会响应不及时(没有更多的连接来处理)，这时候group就发生了stall。通过前面分析知道，timer线程会定期检查这种情况，并创建一个新的worker线程来处理请求。如果长查询来源于业务请求，则此时所有group都面临这种问题，此时主机可能会由于负载过大，导致hang住的情况。这种情况线程池本身无能为力，因为源头可能是烂SQL并发，或者SQL没有走对执行计划导致，通过其他方法，比如SQL高低水位限流或者SQL过滤手段可以应急处理。但是，还有另外一种情况，就是dump任务。很多下游依赖于数据库的原始数据，通常通过dump命令将数据拉到下游，而这种dump任务通常都是耗时比较长，所以也可以认为是大查询。如果dump任务集中在一个group内，并导致其他正常业务请求无法立即响应，这个是不能容忍的，因为此时数据库并没有压力，只是因为采用了线程池策略，才导致了请求响应不及时，为了解决这个问题，我们将group中处理dump任务的线程不计入thread_pool_oversubscribe累计值，避免上述问题。

one-connection-per-thread

根据scheduler_functions的模板，我们也可以列出one-connection-per-thread方式的几个关键函数。

static scheduler_functions con_per_functions=

{ max_connection+1, // max_threads

NULL,

NULL,

NULL, // init

Init_new_connection_handler_thread, // init_new_connection_thread

create_thread_to_handle_connection, // add_connection

NULL, // thd_wait_begin

NULL, // thd_wait_end

NULL, // post_kill_notification

one_thread_per_connection_end, // end_thread

NULL // end

};

1.init_new_connection_handler_thread

这个接口比较简单，主要是调用pthread_detach，将线程设置为detach状态，线程结束后自动释放所有资源。

2.create_thread_to_handle_connection

这个接口是处理新连接的接口，对于线程池而言，会从thread_id%group_size对应的group中获取一个线程来处理，而one-connection-per-thread方式则会判断是否有thread_cache可以使用，如果没有则新建线程来处理。具体逻辑如下：

(1).判断缓存的线程数是否使用完(比较blocked_pthread_count 和wake_pthread大小)

(2).若还有缓存线程，将thd加入waiting_thd_list的队列，唤醒一个等待COND_thread_cache的线程

(3).若没有，创建一个新的线程处理,线程的入口函数是do_handle_one_connection

(4).调用add_global_thread加入thd数组。

3.do_handle_one_connection

这个接口被create_thread_to_handle_connection调用，处理请求的主要实现接口。

(1).循环调用do_command，从socket中读取网络包，并且解析执行；

(2). 当远程客户端发送关闭连接COMMAND(比如COM_QUIT，COM_SHUTDOWN)时，退出循环

(3).调用close_connection关闭连接(thd->disconnect());

(4).调用one_thread_per_connection_end函数,确认是否可以复用线程

(5).根据返回结果，确定退出工作线程还是继续循环执行命令。

4.one_thread_per_connection_end

判断是否可以复用线程(thread_cache)的主要函数,逻辑如下：

(1).调用remove_global_thread，移除线程对应的thd实例

(2).调用block_until_new_connection判断是否可以重用thread

(3).判断缓存的线程是否超过阀值，若没有，则blocked_pthread_count++;

(4).阻塞等待条件变量COND_thread_cache

(5).被唤醒后，表示有新的thd需要重用线程，将thd从waiting_thd_list中移除，使用thd初始化线程的thd->thread_stack

(6).调用add_global_thread加入thd数组。

(7).如果可以重用，返回false，否则返回ture

线程池与epoll

在引入线程池之前，server层只有一个监听线程，负责监听mysql端口和本地unixsocket的请求，对于每个新的连接，都会分配一个独立线程来处理，因此监听线程的任务比较轻松，mysql通过poll或select方式来实现IO的多路复用。引入线程池后，除了server层的监听线程，每个group都有一个监听线程负责监听group内的所有连接socket的连接请求，工作线程不负责监听，只处理请求。对于overscribe为1000的线程池设置，每个监听线程需要监听1000个socket的请求，监听线程采用epoll方式来实现监听。

Select,poll,epoll都是IO多路复用机制，IO多路复用通过一种机制，可以监听多个fd(描述符)，比如socket，一旦某个fd就绪(读就绪或写就绪)，能够通知程序进行相应的读写操作。epoll相对于select和poll有了很大的改进，首先epoll通过epoll_ctl函数注册，注册时，将所有fd拷贝进内核，只拷贝一次不需要重复拷贝，而每次调用poll或select时，都需要将fd集合从用户空间拷贝到内核空间(epoll通过epoll_wait进行等待)；其次，epoll为每个描述符指定了一个回调函数，当设备就绪时，唤醒等待者，通过回调函数将描述符加入到就绪链表，无需像select，poll方式采用轮询方式；最后select默认只支持1024个fd，epoll则没有限制，具体数字可以参考cat /proc/sys/fs/file-max的设置。epoll贯穿在线程池使用的过程中，下面我就epoll的创建，使用和销毁生命周期来描述epoll在线程中是如何使用的。

线程池初始化，epoll通过epoll_create函数创建epoll文件描述符，实现函数是thread_group_init；
端口监听线程监听到请求后，创建socket，并创建THD和connection对象，放在对应的group队列中；
工作线程获取该connection对象时，若还未登录，则进行登录验证
若socket还未注册到epoll，则调用epoll_ctl进行注册,注册方式是EPOLL_CTL_ADD，并将connection对象放入epoll_event结构体中
若是老连接的请求，仍然需要调用epoll_ctl注册，注册方式是EPOLL_CTL_MOD
group内的监听线程调用epoll_wait来监听注册的fd，epoll是一种同步IO方式，所以会进行等待
请求到来时，获取epoll_event结构体中的connection，放入到group中的队列
线程池销毁时，调用thread_group_close将epoll关闭。
备注：

1.注册在epoll的fd，若请求就绪，则将对应的event放入到events数组，并将该fd的事务类型清空，因此对于老的连接请求，依然需要调用epoll_ctl(pollfd, EPOLL_CTL_MOD, fd, &ev)来注册。

线程池函数调用关系

(1)创建epoll

tp_init->thread_group_init->tp_set_threadpool_size->io_poll_create->epoll_create

(2)关闭epoll

tp_end->thread_group_close->thread_group_destroy->close(pollfd)

(3)关联socket描述符

handle_event->start_io->io_poll_associate_fd->io_poll_start_read->epoll_ctl

(4)处理连接请求

handle_event->threadpool_process_request->do_command->dispatch_command->mysql_parse->mysql_execute_command

(5)工作线程空闲时

worker_main->get_event->pthread_cond_timedwait

等待thread_pool_idle_timeout后，退出。

(6)监听epoll

worker_main->get_event->listener->io_poll_wait->epoll_wait

(7)端口监听线程

main->mysqld_main->handle_connections_sockets->poll

one-connection-per-thread函数调用关系

(1) 工作线程等待请求

handle_one_connection->do_handle_one_connection->do_command->
my_net_read->net_read_packet->net_read_packet_header->net_read_raw_loop->
vio_read->vio_socket_io_wait->vio_io_wait->poll

备注：与线程池的工作线程有监听线程帮助其监听请求不同，one-connection-per-thread方式的工作线程在空闲时，会调用poll阻塞等待网络包过来；

而线程池的工作线程只需要专心处理请求即可，所以使用也更充分。

(2)端口监听线程
与线程池的(7)相同