MySQL又双叒崩了——记beego的stmt优化

问题抛出

近来 beego 收到用户反馈，有时候 MySQL 数据库会出现：

Error 1461: Can't create more than max_prepared_stmt_count statements (current value: 16382)

而且这个只会出现在 1.12.x 的版本，早期的 1.11.x 版本并不会出现。

这个错误是因为 MySQL 缓存的 ​​Prepare Statement​​​ 超出了上限，无法再创建新的 ​​Prepare Statement​​ 了。

而 beego 内部的所有的SQL查询，基本上都是通过 ​​Prepare Statement​​​ 来执行的，这主要是因为 ​​Prepare Statement​​ 可以性能和安全方面的优势：

• 性能优势：​​Prepare Statement​​ 会被预编译，执行计划也会被缓存；
• 安全：因为​​Prepare Statement​​ 在执行的时候是绑定参数的，也就是它不会把参数视为指令的一部分。这可以防范大多数的 SQL 注入攻击。

beego 所有的 SQL 执行都是通过 ​​Prepare Statement​​ 来实现的。

但是问题来了，为什么会创建这么多的 ​​Prepare Statement​​ 呢？

问题分析

按照我们的分析，如果使用 beego 的 ​​orm​​​ 的话，是不会生成太多的 ​​Prepare Statement​​​ 的。我们假设说一个模型增删改查加起来有十个 ​​Prepare Statement​​ 语句，那么 100 个模型也才 1000 个。

所以我们的分析比较可能的原因是：

1. beego 内部每次查询都创建了​​Prepare Statement​​ ，没有复用，也没有关闭；
2. 用户绕开了标准`orm`，使用了我们提供的执行原始 SQL 的功能；
3. 用户部署了非常多的实例 beego 实例；

第三条是比较难处理的，只能是每次创建 ​​Prepare Statement​​ 之后都关闭，不考虑复用任何的`Prepare Statement`。而按照我们的计算，这也得有几十个实例共享一个 MySQL 实例才有可能导致 MySQL 出现这种问题。

通过跟用户的交流，确定了用户的确使用到了我们执行原始 SQL 的功能。而且他们犯了一个很严重的错误：即直接拼接 SQL 参数，而不是通过绑定参数来执行。

我举个例子。比如说我们想要查询一个用户，一般的 SQL 都是：

select * from User where id = ?

而后通过参数绑定，将用户的 id 绑定。而这个用户则是直接使用字符串拼接，将 SQL 拼接成了：

select * from User where id = 1

这很显然，每次来一个用户，在 beego 都会创建一个 ​​Prepare Statement​​ 并且缓存起来。当然用户的真实例子要复杂多了，但是原理是一致的。

这里提到，我们 beego 是会缓存创建出来的 ​​Prepare Statement​​ 。虽然用户用法不太对，但是我们未能考虑周详也是事实。毕竟作为基础框架，你不兜底谁来兜底？

我们根据提交记录，很快定位到了那一段代码：

//git hash:cc0eacbe023b95f74c240b35419c14722df45041
//orm/db_alias.go
type DB struct {
    *sync.RWMutex
    DB    *sql.DB
    //此处没有对 stmts 的 size进行限制
    stmts map[string]*sql.Stmt
}

func (d *DB) getStmt(query string) (*sql.Stmt, error) {
    d.RLock()
    if stmt, ok := d.stmts[query]; ok {
        d.RUnlock()
        return stmt, nil
    }

    stmt, err := d.Prepare(query)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    d.Lock()
    d.stmts[query] = stmt
    d.Unlock()
    return stmt, nil
}

问题就出在这 ​​getStmt​​ 方法之内。

乍一看，这代码看起来毫无破绽。但是实际上，它有两个问题：

1. ​​stmts​​​ 变量是简单的​​map​​ 结构，并不存在数量限制；
2. 在 17-23 行之间有并发问题。

一般人可能会觉得，怎么会有并发问题呢？往 ​​map​​​ 里面塞进去东西的确没有并发问题。问题出在 ​​d.Prepare(query)​​ 这一句。

当多个 ​​goroutine​​​ 发现 ​​stmts​​​ 里面并没有缓存当前 ​​query​​​ 的时候，就会同时创建出来新的`stmt`，但是最终都会试图放进去 ​​map​​ 里面，加锁只会让他们排好队一个个放，但是后面的会覆盖前面的。而被覆盖的，却没有被关闭掉。

解决方案

从前面分析，我们实际上要解决两个问题：

1. 设置缓存的`Prepare Statement`的数量的上限；
2. 在缓存不命中的时候，有且只有一个​​Prepare Statement​​ 被创建出来；

设置上限

第一个问题，要解决很简单，比如说我们维护一个缓存上限的值，而后再往 ​​map​​ 里面塞值之前先判断一下有没有超出上限。

这种方案的缺点就是谁先被缓存了，就永远占了位置，后面的 SQL 将无法享受到缓存`Prepare Statement`的优势。

那么很显然，我们可以考虑是用 LRU 来解决上限的问题。很显然，根据程序运行的特征，LRU 缓存局部热点更加契合局部性原理。我们只需要在 LRU 淘汰一个 ​​Prepare Statement​​ 的时候，关闭它就可以。

但是难点在于，这个被淘汰的 ​​Prepare Statement​​ 可能还在被使用中。毕竟 golang 并没有类似于 Java 软引用之类的东西。

所以我们只能考虑说维持一个计数，如果有人使用，就 +1，使用完了就 -1。

因此我们使用了 ​​Decorator​​​ 设计模式，封装了一下 ​​Stmt​​ ：

type stmtDecorator struct {
    //借助 waitGroup 进行引用计数
    wg sync.WaitGroup
    lastUse int64
    stmt *sql.Stmt
}

func (s *stmtDecorator) acquire() {
    //返回描述符前，执行引用计数 +1
    s.wg.Add(1)
    s.lastUse = time.Now().Unix()
}

func (s *stmtDecorator) release() {
    //调用者完成操作后，释放引用计数
    s.wg.Done()
}

当我们在 LRU 淘汰的时候，利用 ​​WaitGroup​​​ 的特性来等待所有的使用者释放 ​​stmt​​ ：

func newStmtDecoratorLruWithEvict() *lru.Cache {
    cache, _ := lru.NewWithEvict(1000, func(key interface{}, value interface{}) {
        value.(*stmtDecorator).destroy()
    })
    return cache
}

func (s *stmtDecorator) destroy() {
    go func() {
        //等待所有资源释放，进行stmt关闭
        s.wg.Wait()
        _ = s.stmt.Close()
    }()
}

double-check

之前提到的并发问题，其实根源在于没有正确使用 ​​double-check​​​ 。当我们加了写锁以后，需要进一步判断，有没有因为并发，而其它的 ​​goroutine​​​ 刚才先获得了写锁，创建出来了 ​​Prepare Statement​​ 。

最终经过修改的 ​​getStmt​​ 如下：

type DB struct {
    *sync.RWMutex
    DB             *sql.DB
    stmtDecorators *lru.Cache
}
func (d *DB) getStmtDecorator(query string) (*stmtDecorator, error) {
    d.RLock()
    c, ok := d.stmtDecorators.Get(query)
    if ok {
        // 计数 + 1.
        // 这一步必须在这个方法内完成。
        // 否则可能在LRU淘汰之后，执行Close之前，用户误+1，而stmt又被随后Close了
        c.(*stmtDecorator).acquire()
        d.RUnlock()
        return c.(*stmtDecorator), nil
    }
    d.RUnlock()

    d.Lock()
    //double check
    // 再一次检测，看有没有别的goroutine刚才先拿到了写锁，并且创建成功了
    c, ok = d.stmtDecorators.Get(query)
    if ok {
        c.(*stmtDecorator).acquire()
        d.Unlock()
        return c.(*stmtDecorator), nil
    }

    stmt, err := d.Prepare(query)
    if err != nil {
        d.Unlock()
        return nil, err
    }
    sd := newStmtDecorator(stmt)
    sd.acquire()
    d.stmtDecorators.Add(query, sd)
    d.Unlock()

    return sd, nil
}

总结

经过我们前面的分析，可以看到，这个问题的根源在于我们设计这个`Prepare Statement`的时候，并没有做好兜底的准备，从而导致了用户 MySQL的崩溃。

另外一方面，我们也发现，在 golang 里面，类似于这种资源的关闭都不是很好处理，至少代码不会简洁。当某一个资源被暴露出去之后，在我们框架层面上要释放资源的时候，最重要的问题就是，这个东西到底还有没有人用。

所以我们只能依赖于通过使用一种计数的形式，来迫使使用者加减计数来暴露使用情况。它带来的问题就是，用户可能会遗忘，无论是遗忘增加计数，还是遗忘减少计数，最终都会出问题。这种用法体验并不太好，不知道有没有人有更好的方案。

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原作者：简公介@beego-dev