PointGet的一生

一、前言

        此前，作为 DBA 觉得能看源码是一件很牛的事情，花了大半年时间对 Golang 和 Rust 入了个门（可能入门都不算），并写了个 Rust 小工具: ​​TiHC(TiDB Healthy Check)​​ 有兴趣的小伙伴可以自取。      

期间，看过某些模块，如：​​PD 如何调度 Region​​，也只是窥探数据库的局部功能，总有一种 “根本不了解数据库逻辑概念和代码是怎样关联的！” 的感觉。因此借着 “点查” 避开大量复杂优化器代码的机会，尽己所能的串联一下点查在 TiDB 和 TiKV 间的执行流程。       

此后，越发觉得 “产研” 及 “交付” 价值的不同，比如：不能说看代码就很牛，在文档丰富、产品成熟的前提下，学习文档才是较快速、较全面、较有价值的方法，更多思考见总结部分。

Tips       

1.为防止后续代码重构影响，本次对 TiDB v5.3.0 tidb 和 tikv 进行断点调试。       

2.为便于读者理解，在本文首次出现的函数或方法均会给出 Github 锚点链接，重复出现将不再标记 URL 链接。 

二、摘要

        本文主要内容分布在 “三、点查流程”，所谓点查，即：执行计划的一种算子，如图所示，详见官网介绍 ​​Point_Get​​ 。“3.1 TiDB 部分”介绍了点查 SQL 在 TiDB 内部流转过程。“3.2 TiKV 部分”介绍了点查经由 TiDB 处理并请求给 TiKV 后，如何在 TiKV 内部流转、处理、返回的过程。“3.3 总结” 简要介绍了 tidb 点查快的原因。

        

        每个模块的 “Model Tips” 均会说明该模块在 TIDB 各所属组件中的作用。并且尽力采用分层描述的方式说明，所谓分层，比如：Executor 调用了 PD Client，那么只在 Executor 部分描述那个函数触发调用 PD Client 的逻辑，而不在这一层详述 PD Client 如何工作。        

        最后，在 “四、学习总结” 中，介绍了个人对 DBA 的看代码行为的价值的观点。

三、点查流程

3.1 TiDB

        下述 3.1 部分均为点查在 TiDB 组件中涉及处理流程介绍。大致如下图：

        1. 首先，客户端连接进入 MySQL Protocol Layer 接入 TiDB ，在获取 Token后，传送 SQL 执行；

        2. 其次，SQL 处理进入 Parser 层，解析成 AST（抽象语法树）；

        3. 再次，SQL 处理进入 Compile 层，选出 TSO 并将 AST 编译成执行计划；

        4. 然后，SQL 处理进入 Executor 层​​（可 “Batch 处理” 的火山模型）​​，将执行计划 Open、Next、Close 完成 TiKV 数据获取;

        5. 最后，SQL 处理回到 MySQL Protocol Layer 调用 writeChunks 将 MemBuffer 中数据导出成客户端所需形式返回；

       通过追溯 func (cc *clientConn) handleQuery(...) --> func (cc *clientConn) handleStmt(...) --> func (tc *TiDBContext) ExecuteStmt(...) 是串联点查，从解析、编译、执行、协议回显的方法，看懂此函数对于理解全文至关重要。

3.1.1 SQL Protol Deal

Model Tips:       

        TiDB SQL Protol 处理层仅是 TiDB 为实现 MySQL Protocol 兼容，所做的代码处理。 主要功能包含：监听客户端请求、分发不同 SQL 处理、调用 Parser、Compiler、Executor 完成 SQL 处理，回写结果集等功能。 

        1. 首先，启动 Server 时在 Struct clientConn 内部封装了 go 原生包 net 进行 TCP 通信，并在 for 循环起两个 Listener goroutine 处理客户端发过来的消息。

// Run runs the server.
func (s *Server) Run() error {
    go s.startNetworkListener(s.listener, false, errChan)
    go s.startNetworkListener(s.socket, true, errChan)
        ......
}

func (s *Server) startNetworkListener(listener net.Listener, isUnixSocket bool, errChan chan error) {
    for {
        conn, err := listener.Accept()
        ......
        go s.onConn(clientConn)
        }
}

        2. 其次，在 Dispatch 方法中会首先获取 ​​token​​​ ，用于限制单个 TiDB Instance 可处理的同时执行请求的 session 个数,详情见: ​​token-limit​​;        

        3. 再次，在  ​​Struct clientConn​​​ 实现了 Run、readPacket、writePacket、handshake、openSession、handleQuery、handleStmt 等等方法，用于实现 ​​MySQL Client/Server Protocol​​​。本例中，从 MySQL Client 发来的点查 SQL 通过 ​​dispatch 方法​​​ 遵照 MySQL Protocol 进入 ​​handleQuery​​ 分支处理；        

        4. 然后，handleQuery 会循环处理 Session 中每一个 SQL，在 handleStmt 中对每一条 SQL 进行解析、编译、执行；

        5. 最后，在 handleStmt 中调用 writeResultset 方法，触发组织好的 Executor 的 Next() 方法从 TiKV 获取数据； 

3.1.2 SQL Parser Deal

Model Tips:       SQL Parser 处理层通过封装 YACC 实现 MySQL 的词法解析，将 SQL 转化为 AST。 

        1. 首先，在 handleQuery 中，调用 ​​func (s *session) Parse(...)​​ 方法实现 AST 的转化与返回；        

        2. 其次，深入了解会发现，该 Parse 方法为调用 ​​func (s *session) ParseSQL(...)​​ 函数实现真正的词法解析动作，并记录解析 SQL 是否成功及解析耗费的时间。        

        3. 最后，进入 ​​func (s *session) Parse(...)​​ 首先封装一个 sync.Pool 作为 parserPool 减轻 GC struct 的压力，并 Copy AST 结果返回给上层调用，再深层 DEBUG 将会进入 Parser 模块。 

func (s *session) ParseSQL(ctx context.Context, sql string, params ...parser.ParseParam) ([]ast.StmtNode, []error, error) {
    ......
    p := parserPool.Get().(*parser.Parser)
    defer parserPool.Put(p)
    p.SetSQLMode(s.sessionVars.SQLMode)
    p.SetParserConfig(s.sessionVars.BuildParserConfig())
    tmp, warn, err := p.ParseSQL(sql, params...)
    res := make([]ast.StmtNode, len(tmp))
    copy(res, tmp)
    return res, warn, err
}

3.1.3 SQL Compile Deal

Model Tips:       

SQL Compiler 处理层完成 SQL 语意检查(Preprocess)、编译执行计划(Logical Optimize、Physical Optimize) 工作，将 SQL 编译成可执行的物理执行计划。 

        1. 首先，从 MySQL Protocol Layer 串联起 “解析”、“执行” 操作，并在 ​​func (s *session) ExecuteStmt(...)​​​ 中调用 ​​func (c *Compiler) Compile(...)​​ 进行真正的编译处理。        

2. 其次，在 Compile 内部调用 ​​func Preprocess(...)​​​，进行 Preprocess 完成前置检查，如：语义检查。具体实现流程为，通过 AST 的 ​​Accept 方法​​​, 构造一个 Vistor 实现对 AST 的遍历。 每个 Visitor 接口包含 Enter、Leave 方法，​​并在 Enter 或 Leave 时​​​，依据 SQL 类型进行判断。本例 point get 会跳到 ​​func (n *SelectStmt) Accept(v Visitor)​​​ 中，不断分支处理完成遍历。详情参考 ​​TiDB 源码阅读之 Compiler --> 进度 10min 左右​​。        

3. 最后，进入 Optimizer 处理，本例中因为是点查会越过大量优化器处理过程，直接进入 ​​func TryFastPlan(...)​​ 进行简单的 “权限检查” 及 “数据库名检查”。 

func TryFastPlan(ctx sessionctx.Context, node ast.Node) (p Plan) {
    ......
    case *ast.SelectStmt:
        if fp := tryPointGetPlan(ctx, x, isForUpdateReadSelectLock(x.LockInfo)); fp != nil {
            if checkFastPlanPrivilege(ctx, fp.dbName, fp.TblInfo.Name.L, mysql.SelectPriv) != nil {
                return nil
            }
            if tidbutil.IsMemDB(fp.dbName) {
                return nil
            }
            if fp.IsTableDual {
                return
            }
            p = fp
            return
        }
    }
    return nil
}

3.1.4 SQL Executor Deal

Model Tips:       

SQL Executor 通过接收经过 Optimizer 的 Plan，并构造、执行火山模型获取执行结果，火山模型详见 ​​知乎 -- SQL 优化之火山模型​​。 

        1. 首先，在 ​​func (s *session) ExecuteStmt(...)​​​ 中调用  ​​func (a *ExecStmt) Exec(...)​​​，调用 ​​Open()​​ 方法从而完成 Executor 变异版火山模型的构造，最后返回一个 RecordSet。        

2. 其次，ExecuteStmt 返回的 RecordSet 包含了 Executor 需要的所有信息，此时可以把 RecordSet 当成返回的结果集，但该执行流从未触发过 Next() 方法，即：没有真正的获取数据。        

3. 最后，实际上 Next（） 触发由 的 writeResultset 触发,详细流程如下：func (cc *clientConn) handleStmt(...) --> func (cc *clientConn) writeResultset(...) --> func (cc *clientConn) writeChunks(...) --> func (trs *tidbResultSet) Next(...) --> func (a *recordSet) Next(...) --> func Next(...) --> func (e *PointGetExecutor) Next(...) --> func (e *PointGetExecutor) Next(...) --> func (e *PointGetExecutor) getAndLock(...) --> func (e *PointGetExecutor) get(...) 层层调用，直至 Executor 完成所有数据的获取。        

4. 另外，值得一提的是在 func (a *ExecStmt) Exec(...) --> Build Executor 时，因为点查使用“主键”或“唯一索引”标定一行，不存在重复数据读，所以在 ​​autoCommit​​​ 情况下直接取 ​​MaxUint64​​​ 作为事务的 StartTS（该事务只有一个点查），即：无穷大 +∞。同时，还会赋予 ​​PriorityHigh​​​ 优先级进行处理，详情见 ​​force-priority​​。 

func (a *ExecStmt) buildExecutor() (Executor, error) {
        ...... 
        } else {
            // Do not sync transaction for Execute statement, because the real optimization work is done in
            // "ExecuteExec.Build".
            useMaxTS, err := plannercore.IsPointGetWithPKOrUniqueKeyByAutoCommit(ctx, a.Plan)
            if useMaxTS {
                if err := ctx.InitTxnWithStartTS(math.MaxUint64); err != nil {
                    return nil, err
                }
            }
            if stmtPri := stmtCtx.Priority; stmtPri == mysql.NoPriority {
                switch {
                case useMaxTS:
                    stmtCtx.Priority = kv.PriorityHigh
                case a.LowerPriority:
                    stmtCtx.Priority = kv.PriorityLow
                }
            }
        }
    }
    b := newExecutorBuilder(ctx, a.InfoSchema, a.Ti, a.SnapshotTS, a.IsStaleness, a.ReplicaReadScope)
    e := b.build(a.Plan)
    return e, nil
}

3.1.5 TiKV & PD Client Deal

Model Tips:      

 TiKV Client 被封装在 TiDB 侧，主要承担从 TiKV 获取 KV 数据的作用。 

        1. 首先，通过执行流追溯 func (s *tikvSnapshot) Get(...) --> func (i *TemporaryTableSnapshotInterceptor) OnGet(...) --> func (s *tikvSnapshot) Get(...) 会直接调用封装了 tikv client 的 tikvSnapshot 结构体的 ​​Get(...)​​ 方法，从 TiKV 获取 KV 数据。        

2. 其次，DEBUG 到 TiKV Client 内部细节会发现 TiKV Client 遵照本地缓存是否存在数据，如果不存在构造请求头，并在 for{} 循环中调用 GetRegionCache() 查询 PD Client 的 Region Cache 获取所要查询 Region 在 TiKV 中的位置，向 TiKV 发送请求获取数据。之所以使用 for 循环，是因为 Region Cache 信息从 PD 获取，所以并不一定是最新的、最准确的 Region Location 信息，包含一些错误重拾操作,如：EpochNotMatch 等等，详情见: ​​Region Cache 缓存和清理逻辑解释​​​ 或 ​​TiDB 源码阅读系列文章（十八）tikv-client（上）​​。 

func (s *KVSnapshot) get(ctx context.Context, bo *retry.Backoffer, k []byte) ([]byte, error) {
    // Check the cached values first.
    s.mu.RLock()
    if s.mu.cached != nil {
        if value, ok := s.mu.cached[string(k)]; ok {
            atomic.AddInt64(&s.mu.hitCnt, 1)
            s.mu.RUnlock()
            return value, nil
        }
    }
    s.mu.RUnlock()
    ......
    s.mu.RLock()
    req := tikvrpc.NewReplicaReadRequest(tikvrpc.CmdGet,
        &kvrpcpb.GetRequest{
            Key:     k,
            Version: s.version,
        }, s.mu.replicaRead, &s.replicaReadSeed, kvrpcpb.Context{
            Priority:         s.priority.ToPB(),
            NotFillCache:     s.notFillCache,
            TaskId:           s.mu.taskID,
            ResourceGroupTag: s.resourceGroupTag,
        })
    s.mu.RUnlock()

    for {
        loc, err := s.store.GetRegionCache().LocateKey(bo, k)
        resp, _, _, err := cli.SendReqCtx(bo, req, loc.Region, client.ReadTimeoutShort, tikvrpc.TiKV, "", ops...)
        regionErr, err := resp.GetRegionError()
        val := cmdGetResp.GetValue()
        return val, nil
    }
}

         3. 最后，在 ​​func (e *PointGetExecutor) Next(...)​​​ 处理中会通过 ​​isCommonHandleRead​​ 是普通查询还是点查，点查 executor 会直接 get 该 key 的 value。由于 TiDB KV 主要作用是对 TiKV 数据获取处理的封装，便不单独提取模块赘述。

func (e *PointGetExecutor) Next(ctx context.Context, req *chunk.Chunk) error {
    if e.idxInfo != nil {
        if isCommonHandleRead(e.tblInfo, e.idxInfo) {
            handleBytes, err := EncodeUniqueIndexValuesForKey(e.ctx, e.tblInfo, e.idxInfo, e.idxVals)
            e.handle, err = kv.NewCommonHandle(handleBytes)
        } else {
            e.idxKey, err = EncodeUniqueIndexKey(e.ctx, e.tblInfo, e.idxInfo, e.idxVals, tblID)
            e.handleVal, err = e.get(ctx, e.idxKey)
        }
    }
    ......
    return nil
}

3.2TiKV

  

      下述 3.2 部分均为点查在 TiKV 组件中涉及处理流程介绍。

3.2.1 KV Grpc & Service Deal

        1. 首先，TiKV 进程启动后，所有的 Grpc 请求处理都由 Service 层接管。位于 ​​src/server/service/kv.rs​​​ 文件中，例如本次的点查请求会由 ​​handle_request!(kv_get, future_get, GetRequest, GetResponse);​​ 这样一个声明宏处理，调用 future_get 异步处理。        

2. 其次，从 Grpc 的请求中解析出 key 等相关信息，作为参数传递调用存储引擎方法 ​​storage.get(...)​​ 进行实际的调用处理,包含构造 snapshot、获取 value 等。        

5. 最后，在 v(value) 异步结果获取后，构造 Grpc 返回给请求端。 

fn future_get<E: Engine, L: LockManager>(
    storage: &Storage<E, L>,
    mut req: GetRequest,
) -> impl Future<Output = ServerResult<GetResponse>> {

    let v = storage.get(
        req.take_context(),
        Key::from_raw(req.get_key()),
        req.get_version().into(),
    );

    async move {
        let mut resp = GetResponse::default();
            match v {
                Ok((val, stats)) => {
                    match val {
                        Some(val) => resp.set_value(val),
                        None => resp.set_not_found(true),
                    }
                }
                Err(e) => resp.set_error(extract_key_error(&e)),
            }
        Ok(resp)
    }
}

3.2.2 KV Storage ReadPool Deal

        1. 首先，该函数的作用是从 snapshot 中，搜寻满足 “数据行提交时间戳 < 本次数据行发起请求时间戳” 要求的，无锁的，且 MVCC 多版本数据中时间戳最新的请求行数据 。        

2. 其次，观察函数逻辑，先会对请求的优先级进行判断，然后从 read_pool 线程池中 spawn 一个 handle，并为该 handle 指定解析出来的 “优先级” 在存储层执行请求，关于 SQL 优先级详见 --> ​​force-priority 说明​​。        

3. 再次，prepare_snap_ctx(...) 会进行内存锁冲突检查，并基于 key、start_ts 等信息构造 snapshot context。        

4. 然后，通过传入 snap_ctx ,在 ​​let snapshot = Self::with_tls_engine(|engine| Self::snapshot(engine, snap_ctx)).await?;​​ 步构造出存储引擎的 snapshot。        

5. 最后，并在 ​​let result = snap_store.get(&key, &mut statistics)});​​ 中获取 result 结果。 

pub fn get(
        &self,
        mut ctx: Context,
        key: Key,
        start_ts: TimeStamp,
    ) -> impl Future<Output = Result<(Option<Value>, KvGetStatistics)>> {

        let priority = ctx.get_priority();

        let res = self.read_pool.spawn_handle(
            async move {

                let snap_ctx = prepare_snap_ctx(
                    &ctx,
                    iter::once(&key),
                    start_ts,
                    &bypass_locks,
                    &concurrency_manager,
                    CMD,
                )?;
                let snapshot = Self::with_tls_engine(|engine| Self::snapshot(engine, snap_ctx)).await?;
                {
                    let snap_store = SnapshotStore::new(
                        snapshot,
                        start_ts,
                        ctx.get_isolation_level(),
                        !ctx.get_not_fill_cache(),
                        bypass_locks,
                        access_locks,
                        false,
                    );
                    let result = snap_store.get(&key, &mut statistics)});

                    Ok((
                        result?,
                        KvGetStatistics {
                            stats: statistics,
                            perf_stats: delta,
                            latency_stats,
                        },
                    ))
                }
            }
            .in_resource_metering_tag(resource_tag),
            priority,
            thread_rng().next_u64(),
        );
    }

3.2.3 KV RocksDB Snapshot Deal

        1. 首先，从 3.2.2 第 4 步构造 snapshot 部分深入，仔细 DEBUG 会发现构造 snapshot 之前 ​​fn async_snapshot(...)​​​ 会发起 ReadIndex ，判断此时 leader 是否真的是 leader 。早期 Read Index 是通过发送一次心跳的方式实现的，​​关于 read index 详情参考 --> TiKV 功能介绍 - Lease Read​​​。随后 TiKV 引入 Lease Read 优化，​​具体概念及由来参考 --> read index 和 local read 情景分析​​​，关于本例点查 Lease Read 部分逻辑在 ​​pub fn propose_raft_command​​ 函数下。        

2. 其次，从 3.2.2 第 5 步构造 snap_store.get(...) 部分深入，对于点查会构造一个 point_getter ，再 get 对应 value,大概逻辑是通过事务的隔离级别分支处理（现阶段所有请求均是 SI 隔离界别）。在 SI 分支中，针对该 User Key 扫一遍 lock CF ,详情参见代码 --> ​​impl<S: Snapshot> PointGetter<S>​​； 因为自动提交的点查使用 max_ts，所以这一步会返回空，意味着查询最新的已提交的 Default CF 数据即可。        

3. 最后，排除锁信息后，进入 load_data(user_key) 会起一个 loop ，构造一个包含 cursor 的WriteRef 不断的扫 Write CF。因为事务提交后，会在 Write CF 中写一个 key 为 {user_key}{commit_ts}，value 为 {type}{start_ts} 的记录，所以扫 PUT 类型的 Write CF 意味着可以判断出：查询的数据是否存在 Write CF 中，因为 ​​MVCC 数据读取​​ 指出小于 64 字节的数据会直接内嵌在 Lock Info 或 Write Info，否则调用 load_data_from_default_cf(...) 从 Default CF 中获取查询的结果值。 

fn load_data(&mut self, user_key: &Key) -> Result<Option<Value>> {

        loop {
            let write = WriteRef::parse(self.write_cursor.value(&mut self.statistics.write))?;

            match write.write_type {
                WriteType::Put => {
                    match write.short_value {
                        Some(value) => {
                            // Value is carried in `write`.
                            self.statistics.processed_size += user_key.len() + value.len();
                            println!("-short-->{}<---",String::from_utf8_lossy(value));
                            return Ok(Some(value.to_vec()));
                        }
                        None => {
                            let start_ts = write.start_ts;
                            let value = self.load_data_from_default_cf(start_ts, user_key)?;
                            println!("-default-->{:?}<---",String::from_utf8_lossy(&value));
                            self.statistics.processed_size += user_key.len() + value.len();
                            return Ok(Some(value));
                        }
                    }
                }
            }

            if !self.write_cursor.next(&mut self.statistics.write) {
                return Ok(None);
            }
        }
    }

3.3 总结

        简单来说，主要是点查直接可基于唯一 Key 定位所需 value，查询数据较少，又不用走二级索引回表定位数据。其次 PointGet 跳过了大量优化器的规则优化，直接走了 FastPlan 节省了优化器部分的时间。最后，使得点查成为一个效率较高的执行计划。

四、学习总结

4.1 看源码条件

        首先，需要清楚看源码的目的，本人作为一个 DBA 出于想了解数据库产品的角度出发，觉得满足如下几点基本就可以开始看源码了。1、2 点是基础，3 点是保持看代码的动力源泉、高效方法。 

1. 了解基本编程语言语法、语言特性、周边组件，如：rust future、rust 所有权、go gpm、go mod、cargo、Makefile ...... 等等；
2. 掌握数据库组件功能、流程、概念，如：解析、编译、执行、火山模型、向量模型、存储模型 ...... 等等；
3. 保持持续探索的热情，多与社区及相关爱好者交流，终有一天不懂得模块会被看懂。

        最后，其实光看代码很多逻辑思想是看不出来的，需结合官网的文章、作者所讲述概念、行业经验才能看出来，否则代码之间跳来跳去很容易迷失方向。

4.2 看代码价值

        首先，个人觉得看代码的行为对不同角色带来的价值是不同的，比如： 

        1. 作为数据库内核开发角色，看数据库代码是基本技能，日常工作中了解不同产品特性 ...        2.作为 DBA 角色，可以看到更多逻辑概念下的细节,尤其是在产品较不成熟（文档好少、BUG 较多、最佳实践较少）的情况下，在遇到问题时，进一步深入细节发现解决问题的新思路 ...        3. 作为应用开发角色，可以发现代码实现手段上的“黑科技”，更好依据不同数据库特性、用好不同数据库产品 ... 

        其次，谈到价值，个人觉得不可忽略的是 “投入产出比”。增加这一衡量因素后，不禁如下疑问从脑中产生： 

        1. 该行为如果只是觉得很牛，这件事是否真的值得做？如果做了，可能只是为了满足内心对于某件事的好奇，说明是根本没有衡量该行为的价值,属于冲动行为的结果。当然结果可能是好的，也可能是坏的。        2. 该行为对 DBA 角色来讲，带来的收益到底有多大？代码看的多可能对逻辑概念、产品特性认知的更准确、牢固，可是这种老牢固与阅读故障案例相比，在同等时间投入下获得的收益 “谁胜谁负” 恐怕是个问号❓。再者，真出现了产品问题，没有产品作者的支持与确认我真的敢改代码、或者下定论吗？        3. 行业 或 企业对于 DBA 角色的阅读代码技能是怎样定位的？涉及代码问题处理的工作大可以由专业的人负责，专业的人做专业的事效率可能更高效些。如果假设该前提是正确的，那么 DBA 阅读代码无疑是一种低效的行为。        4. 如果为了构建自己写代码的能力，为什么不去做研发？哈哈哈哈哈 ...... 

        最后，上述种种问题现在我只能提出，而不能回答，也没有资格回答，本人也在不断探索、学习、抉择中 ... ，也可能这件事情没有一个绝对的答案。

        总结下来，本片文章在 TiDB 产品层面描述了数据库逻辑概念下，点查行为和代码实现的关联关系，可以进一步提高作者对产品的认知。在看代码学习行为层面，简述了个人对该行为所带来价值多少的衡量。也许，这是本文啰唆表达下所能带来的 2 点 “仅有的” 价值。

五、引用

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