1 引言

大家好，今天与大家一起分享一下 mysql DDL 执行方式。

一般来说 MySQL 分为 DDL（定义）和 DML（操作）。

• DDL：Data Definition Language，即数据定义语言，那相关的定义操作就是 DDL，包括：新建、修改、删除等；相关的命令有：CREATE，ALTER，DROP，TRUNCATE 截断表内容（开发期，还是挺常用的），COMMENT 为数据字典添加备注。

• DML：Data Manipulation Language，即数据操作语言，即处理数据库中数据的操作就是 DML，包括：选取，插入，更新，删除等；相关的命令有：SELECT,INSERT,UPDATE,DELETE，还有 LOCK TABLE，以及不常用的 CALL – 调用一个 PL/SQL 或 Java 子程序，EXPLAIN PLAN – 解析分析数据访问路径。

我们可以认为：

• CREATE，ALTER ，DROP，TRUNCATE，定义相关的命令就是 DDL;

• SELECT，INSERT，UPDATE，DELETE，操作处理数据的命令就是 DML；

DDL、DML 区别：

• DML 操作是可以手动控制事务的开启、提交和回滚的。

• DDL 操作是隐性提交的，不能 rollback，一定要谨慎哦！

日常开发我们对一条 DML 语句较为熟悉，很多开发人员都了解 sql 的执行过程，比较熟悉，但是 DDL 是如何执行的呢，大部分开发人员可能不太关心，也认为没必要了解，都交给 DBA 吧。 其实不然，了解一些能尽量避开一些 ddl 的坑，那么下面带大家一起了解一下 DDL 执行的方式，也算抛砖引玉吧。如有错误，还请各位大佬们指正。

2 概述

在 MySQL 使用过程中，根据业务的需求对表结构进行变更是个普遍的运维操作，这些称为 DDL 操作。常见的 DDL 操作有在表上增加新列或给某个列添加索引。

我们常用的易维平台提供了两种方式可执行 DDL，包括 MySQL 原生在线 DDL（online DDL）以及一种第三方工具 pt-osc。

下图是执行方式的性能对比及说明：

本文将对 DDL 的执行工具之 Online DDL 进行简要介绍及分析，pt-osc 会专门再进行介绍。

3 介绍

MySQL Online DDL 功能从 5.6 版本开始正式引入，发展到现在的 8.0 版本，经历了多次的调整和完善。其实早在 MySQL 5.5 版本中就加入了 INPLACE DDL 方式，但是因为实现的问题，依然会阻塞 INSERT、UPDATE、DELETE 操作，这也是 MySQL 早期版本长期被吐槽的原因之一。

在 MySQL 5.6 版本以前，最昂贵的数据库操作之一就是执行 DDL 语句，特别是 ALTER 语句，因为在修改表时，MySQL 会阻塞整个表的读写操作。例如，对表 A 进行 DDL 的具体过程如下：

1. 按照表 A 的定义新建一个表 B

2. 对表 A 加写锁

3. 在表 B 上执行 DDL 指定的操作

4. 将 A 中的数据拷贝到 B

5. 释放 A 的写锁

6. 删除表 A

7. 将表 B 重命名为 A

在以上 2-4 的过程中，如果表 A 数据量比较大，拷贝到表 B 的过程会消耗大量时间，并占用额外的存储空间。此外，由于 DDL 操作占用了表 A 的写锁，所以表 A 上的 DDL 和 DML 都将阻塞无法提供服务。

如果遇到巨大的表，可能需要几个小时才能执行完成，势必会影响应用程序，因此需要对这些操作进行良好的规划，以避免在高峰时段执行这些更改。对于那些要提供全天候服务（24*7）或维护时间有限的人来说，在大表上执行 DDL 无疑是一场真正的噩梦。

因此，MySQL 官方不断对 DDL 语句进行增强，自 MySQL 5.6 起，开始支持更多的 ALTER TABLE 类型操作来避免数据拷贝，同时支持了在线上 DDL 的过程中不阻塞 DML 操作，真正意义上的实现了 Online DDL，即在执行 DDL 期间允许在不中断数据库服务的情况下执行 DML(insert、update、delete)。然而并不是所有的 DDL 操作都支持在线操作。到了 MySQL 5.7，在 5.6 的基础上又增加了一些新的特性，比如：增加了重命名索引支持，支持了数值类型长度的增大和减小，支持了 VARCHAR 类型的在线增大等。但是基本的实现逻辑和限制条件相比 5.6 并没有大的变化。

4 用法

ALTER TABLE tbl_name ADD PRIMARY KEY (column), ALGORITHM=INPLACE, LOCK=NONE;

ALTER 语句中可以指定参数 ALGORITHM 和 LOCK 分别指定 DDL 执行的算法模式和 DDL 期间 DML 的锁控制模式。

• ALGORITHM=INPLACE 表示执行 DDL 的过程中不发生表拷贝，过程中允许并发执行 DML（INPLACE 不需要像 COPY 一样占用大量的磁盘 I/O 和 CPU，减少了数据库负载。同时减少了 buffer pool 的使用，避免 buffer pool 中原有的查询缓存被大量删除而导致的性能问题）。

• 如果设置 ALGORITHM=COPY，DDL 就会按 MySQL 5.6 之前的方式，采用表拷贝的方式进行，过程中会阻塞所有的 DML。另外也可以设置 ALGORITHEM=DAFAULT，让 MySQL 以尽量保证 DML 并发操作的原则选择执行方式。

• LOCK=NONE 表示对 DML 操作不加锁，DDL 过程中允许所有的 DML 操作。此外还有 EXCLUSIVE（持有排它锁，阻塞所有的请求，适用于需要尽快完成 DDL 或者服务库空闲的场景）、SHARED（允许 SELECT，但是阻塞 INSERT UPDATE DELETE，适用于数据仓库等可以允许数据写入延迟的场景）和 DEFAULT（根据 DDL 的类型，在保证最大并发的原则下来选择 LOCK 的取值）。

5 两种算法

第一种 Copy：

1. 按照原表定义创建一个新的临时表；

2. 对原表加写锁（禁止 DML，允许 select）；

3. 在步骤 1 建立的临时表执行 DDL；

4. 将原表中的数据 copy 到临时表；

5. 释放原表的写锁；

6. 将原表删除，并将临时表重命名为原表。

7. 从上可见，采用 copy 方式期间需要锁表，禁止 DML，因此是非 Online 的。比如：删除主键、修改列类型、修改字符集，这些操作会导致行记录格式发生变化（无法通过全量 + 增量实现 Online）。

第二种 Inplace：

在原表上进行更改，不需要生成临时表，不需要进行数据 copy 的过程。根据是否行记录格式，又可分为两类：

• rebuild：需要重建表（重新组织聚簇索引）。比如 optimize table、添加索引、添加/删除列、修改列 NULL/NOT NULL 属性等；

• no-rebuild：不需要重建表，只需要修改表的元数据，比如删除索引、修改列名、修改列默认值、修改列自增值等。

对于 rebuild 方式实现 Online 是通过缓存 DDL 期间的 DML，待 DDL 完成之后，将 DML 应用到表上来实现的。例如，执行一个 alter table A engine=InnoDB; 重建表的 DDL 其大致流程如下：

1. 建立一个临时文件，扫描表 A 主键的所有数据页；

2. 用数据页中表 A 的记录生成 B+ 树，存储到临时文件中；

3. 生成临时文件的过程中，将所有对 A 的操作记录在一个日志文件（row log）中；

4. 临时文件生成后，将日志文件中的操作应用到临时文件，得到一个逻辑数据上与表 A 相同的数据文件；

5. 用临时文件替换表 A 的数据文件。

说明：

1. 在 copy 数据到新表期间，在原表上是加的 MDL 读锁（允许 DML，禁止 DDL）；

2. 在应用增量期间对原表加 MDL 写锁（禁止 DML 和 DDL）；

3. 根据表 A 重建出来的数据是放在 tmp_file 里的，这个临时文件是 InnoDB 在内部创建出来的，整个 DDL 过程都在 InnoDB 内部完成。对于 server 层来说，没有把数据挪动到临时表，是一个原地操作，这就是”inplace”名称的来源。

使用 Inplace 方式执行的 DDL，发生错误或被 kill 时，需要一定时间的回滚期，执行时间越长，回滚时间越长。

使用 Copy 方式执行的 DDL，需要记录过程中的 undo 和 redo 日志，同时会消耗 buffer pool 的资源，效率较低，优点是可以快速停止。

不过并不是所有的 DDL 操作都能用 INPLACE 的方式执行，具体的支持情况可以在（在线 DDL 操作) 中查看。

以下是常见 DDL 操作：

官网支持列表：

6 执行过程

Online DDL 主要包括 3 个阶段，prepare 阶段，ddl 执行阶段，commit 阶段。下面将主要介绍 ddl 执行过程中三个阶段的流程。

1）Prepare 阶段：初始化阶段会根据存储引擎、用户指定的操作、用户指定的 ALGORITHM 和 LOCK 计算 DDL 过程中允许的并发量，这个过程中会获取一个 shared metadata lock，用来保护表的结构定义。

• 创建新的临时 frm 文件(与 InnoDB 无关)。

• 持有 EXCLUSIVE-MDL 锁，禁止读写。

• 根据 alter 类型，确定执行方式(copy,online-rebuild,online-norebuild)。假如是 Add Index，则选择 online-norebuild 即 INPLACE 方式。

• 更新数据字典的内存对象。

• 分配 row_log 对象来记录增量(仅 rebuild 类型需要)。

• 生成新的临时 ibd 文件(仅 rebuild 类型需要) 。

• 数据字典上提交事务、释放锁。

注：Row log 是一种独占结构，它不是 redo log。它以 Block 的方式管理 DML 记录的存放，一个 Block 的大小为由参数 innodb_sort_buffer_size 控制，默认大小为 1M，初始化阶段会申请两个 Block。

2）DDL 执行阶段：执行期间的 shared metadata lock 保证了不会同时执行其他的 DDL，但 DML 能可以正常执行。

• 降级 EXCLUSIVE-MDL 锁，允许读写（copy 不可写）。

• 扫描 old_table 的聚集索引每一条记录 rec。

• 遍历新表的聚集索引和二级索引，逐一处理。

• 根据 rec 构造对应的索引项

• 将构造索引项插入 sort_buffer 块排序。

• 将 sort_buffer 块更新到新的索引上。

• 记录 ddl 执行过程中产生的增量(仅 rebuild 类型需要)

• 重放 row_log 中的操作到新索引上(no-rebuild 数据是在原表上更新的)。

• 重放 row_log 间产生 dml 操作 append 到 row_log 最后一个 Block。

3）Commit 阶段：将 shared metadata lock 升级为 exclusive metadata lock，禁止 DML，然后删除旧的表定义，提交新的表定义。

• 当前 Block 为 row_log 最后一个时，禁止读写，升级到 EXCLUSIVE-MDL 锁。

• 重做 row_log 中最后一部分增量。

• 更新 innodb 的数据字典表。

• 提交事务(刷事务的 redo 日志)。

• 修改统计信息。

• rename 临时 idb 文件，frm 文件。

• 变更完成。

Online DDL 过程中占用 exclusive MDL 的步骤执行很快，所以几乎不会阻塞 DML 语句。不过，在 DDL 执行前或执行时，其他事务可以获取 MDL。由于需要用到 exclusive MDL，所以必须要等到其他占有 metadata lock 的事务提交或回滚后才能执行上面两个涉及到 MDL 的地方。

7 踩坑

前面提到 Online DDL 执行过程中需要获取 MDL，MDL (metadata lock) 是 MySQL 5.5 引入的表级锁，在访问一个表的时候会被自动加上，以保证读写的正确性。当对一个表做 DML 操作的时候，加 MDL 读锁；当做 DDL 操作时候，加 MDL 写锁。

为了在大表执行 DDL 的过程中同时保证 DML 能并发执行，前面使用了 ALGORITHM=INPLACE 的 Online DDL，但这里仍然存在死锁的风险，问题就出在 Online DDL 过程中需要 exclusive MDL 的地方。

例如，Session 1 在事务中执行 SELECT 操作，此时会获取 shared MDL。由于是在事务中执行，所以这个 shared MDL 只有在事务结束后才会被释放。

# Session 1> START TRANSACTION;> SELECT * FROM tbl_name;# 正常执行

这时 Session 2 想要执行 DML 操作也只需要获取 shared MDL，仍然可以正常执行。

# Session 2> SELECT * FROM tbl_name;# 正常执行

但如果 Session 3 想执行 DDL 操作就会阻塞，因为此时 Session 1 已经占用了 shared MDL，而 DDL 的执行需要先获取 exclusive MDL，因此无法正常执行。

# Session 3> ALTER TABLE tbl_name ADD COLUMN n INT;# 阻塞

通过 show processlist 可以看到 ALTER 操作正在等待 MDL。

+----+-----------------+------------------+------+---------+------+---------------------------------+-----------------+| Id | User            | Host             | db   | Command | Time | State                           | Info            |│----+-----------------+------------------+------+---------+------+---------------------------------+-----------------+| 11 | root            | 172.17.0.1:53048 | demo | Query   |    3 | Waiting for table metadata lock | alter table ... |+----+-----------------+------------------+------+---------+------+---------------------------------+-----------------+

由于 exclusive MDL 的获取优先于 shared MDL，后续尝试获取 shared MDL 的操作也将会全部阻塞

# Session 4> SELECT * FROM tbl_name;# 阻塞

到这一步，后续无论是 DML 和 DDL 都将阻塞，直到 Session 1 提交或者回滚，Session 1 占用的 shared MDL 被释放，后面的操作才能继续执行。

上面这个问题主要有两个原因：

1. Session 1 中的事务没有及时提交，因此阻塞了 Session 3 的 DDL

2. Session 3 Online DDL 阻塞了后续的 DML 和 DDL

对于问题 1，有些 ORM 框架默认将用户语句封装成事务执行，如果客户端程序中断退出，还没来得及提交或者回滚事务，就会出现 Session 1 中的情况。那么此时可以在 infomation_schema.innodb_trx 中找出未完成的事务对应的线程，并强制退出。

> SELECT * FROM information_schema.innodb_trx\G*************************** 1. row ***************************trx_id: 421564480355704trx_state: RUNNINGtrx_started: 2022-05-01 014:49:41trx_requested_lock_id: NULLtrx_wait_started: NULLtrx_weight: 0trx_mysql_thread_id: 9trx_query: NULLtrx_operation_state: NULLtrx_tables_in_use: 0trx_tables_locked: 0trx_lock_structs: 0trx_lock_memory_bytes: 1136trx_rows_locked: 0trx_rows_modified: 0trx_concurrency_tickets: 0trx_isolation_level: REPEATABLE READtrx_unique_checks: 1trx_foreign_key_checks: 1trx_last_foreign_key_error: NULLtrx_adaptive_hash_latched: 0trx_adaptive_hash_timeout: 0trx_is_read_only: 0trx_autocommit_non_locking: 0trx_schedule_weight: NULL1 row in set (0.0025 sec)

可以看到 Session 1 正在执行的事务对应的 trx_mysql_thread_id 为 9，然后执行 KILL 9 即可中断 Session 1 中的事务。对于问题 2，在查询很多的情况下，会导致阻塞的 session 迅速增多，对于这种情况，可以先中断 DDL 操作，防止对服务造成过大的影响。也可以尝试在从库上修改表结构后进行主从切换或者使用 pt-osc 等第三方工具。

8 限制

• 仅适用于 InnoDB（语法上它可以与其他存储引擎一起使用，如 MyISAM，但 MyISAM 只允许 algorithm = copy，与传统方法相同）；

• 无论使用何种锁（NONE，共享或排它），在开始和结束时都需要一个短暂的时间来锁表（排它锁）；

• 在添加/删除外键时，应该禁用 foreign_key_checks 以避免表复制；

• 仍然有一些 alter 操作需要 copy 或 lock 表（老方法），有关哪些表更改需要表复制或表锁定，请查看官网；

• 如果在表上有 ON … CASCADE 或 ON … SET NULL 约束，则在 alter table 语句中不允许 LOCK = NONE；

• Online DDL 会被复制到从库（同主库一样，如果 LOCK = NONE，从库也不会加锁），但复制本身将被阻止，因为 alter 在从库以单线程执行，这将导致主从延迟问题。

官方参考资料：https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-online-ddl-limitations.html

9 总结

本次和大家一起了解 SQL 的 DDL、DML 及区别，也介绍了 Online DDL 的执行方式。

目前可用的 DDL 操作工具包括 pt-osc，github 的 gh-ost，以及 MySQL 提供的在线修改表结构命令 Online DDL。pt-osc 和 gh-ost 均采用拷表方式实现，即创建个空的新表，通过 select+insert 将旧表中的记录逐次读取并插入到新表中，不同之处在于处理 DDL 期间业务对表的 DML 操作。

到了 MySQL 8.0 官方也对 DDL 的实现重新进行了设计，其中一个最大的改进是 DDL 操作支持了原子特性。另外，Online DDL 的 ALGORITHM 参数增加了一个新的选项：INSTANT，只需修改数据字典中的元数据，无需拷贝数据也无需重建表，同样也无需加排他 MDL 锁，原表数据也不受影响。整个 DDL 过程几乎是瞬间完成的，也不会阻塞 DML，不过目前 8.0 的 INSTANT 使用范围较小，后续再对 8.0 的 INSTANT 做详细介绍吧。

另外，易维平台也提供了 pt-osc 的执行方式，下次再与大家一起分享 pt-osc 的执行方式吧，敬请期待！

作者：刘邓忠