摘要： MySQL8.0对json进行了比较完善的支持, 我们知道json具有比较特殊的存储格式，通常存在多个key value键值对，对于类似更新操作通常不会更新整个json列，而是某些键值。 对于某些复杂的应用，json列的数据可能会变的非常庞大，这时候一个突出的问题是：innodb并不识别json类型，对它而言这些存储统一都是LOB类型，而在之前的版本中Innodb处理LOB更新的方式是标记删除旧记录，并插入新记录，显然这会带来一些存储上的开销（尽管Purge线程会去后台清理），而写入的redo log和Binlog的量也会偏高，对于超大列，可能会严重影响到性能。
MySQL8.0对json进行了比较完善的支持, 我们知道json具有比较特殊的存储格式，通常存在多个key value键值对，对于类似更新操作通常不会更新整个json列，而是某些键值。
对于某些复杂的应用，json列的数据可能会变的非常庞大，这时候一个突出的问题是：innodb并不识别json类型，对它而言这些存储统一都是LOB类型，而在之前的版本中Innodb处理LOB更新的方式是标记删除旧记录，并插入新记录，显然这会带来一些存储上的开销（尽管Purge线程会去后台清理），而写入的redo log和Binlog的量也会偏高，对于超大列，可能会严重影响到性能。为了解决这个问题，MySQL8.0引入了LOB列部分更新的策略。
官方博客有几篇文章介绍的非常清楚，感兴趣的可以直接跳过本文，直接阅读官方博客：
1: partial update of json values
2: introduces lob index for faster update
3: MVCC of Large Objects
以及相关的开发worklog：
WL#8963: Support for partial update of JSON in the optimizer
WL#8985: InnoDB: Refactor compressed BLOB code to facilitate partial fetch/update
WL#9141: InnoDB: Refactor uncompressed BLOB code to facilitate partial fetch/update
WL#9263: InnoDB: Enable partial access of LOB using multiple zlib streams
WL#8960: InnoDB: Partial Fetch and Update of BLOB
WL#10570: Provide logical diffs for partial update of JSON values
WL#2955: RBR replication of partial JSON updates
本文仅仅是笔者在理解该特性时做的一些简单的笔记，，记录的主要目的是用于以后如果涉及到相关的工作可以快速展开，因此比较凌乱
目前partial update需要通过JSON_SET, 或者JSON_REPLACE等特定接口来进行json列的更新，并且不是所有的更新都能够满足条件：
- 没有增加新的元素
- 空间足够大，可以容纳替换的新值
- 但类似数据长度(10 =>更新成7=>更新成9)是允许的
下面以json_set更新json列为例来看看相关的关键堆栈
检查是否支持partial update
如上所述，需要指定的json函数接口才能进行partial update
mysql_execute_command |--> Sql_cmd_dml::execute |--> Sql_cmd_dml::prepare |--> Sql_cmd_update::prepare_inner |---> prepare_partial_update |-->Item_json_func::supports_partial_update
这里只是做预检查，对于json列的更新如果全部是通过json_set/replace/remove进行的，则将其标记为候选partial update的列(TABLE::mark_column_for_partial_update)， 存储在bitmap结构TABLE::m_partial_update_columns
设置partial update
入口函数：TABLE::setup_partial_update()
在满足某些条件时，需要设置logical diff(用于记录partial update列的binlog，降低binlog存储开销):
- binlog_row_value_options设置为"partial_json"
- binlog 打开
- log_bin_use_v1_row_events关闭
- 使用row format
然后创建Partial_update_info对象（Table::m_partial_update_info)， 用于存储partial update执行过程中的状态
- Table::m_enabled_logical_diff_columns
- TABLE::m_binary_diff_vectors
- TABLE::m_logical_diff_vectors
创建更新向量
当读入一行记录后，就需要根据sql语句来构建后镜像，而对于partial update所涉及的json列，会做特殊处理：
Sql_cmd_update::update_single_table |--> fill_record_n_invoke_before_triggers |-->fill_record |--> Item::save_in_field |--> Item_func::save_possibly_as_json |--> Item_func_json_set_replace::val_json |--> Json_wrapper::attempt_binary_update |--> json_binary::Value::update_in_shadow |--> TABLE::add_binary_diff
json_wrapper::attempt_binary_update ： 做必要的数据类型检查（是否符合partial update的条件）后，计算需要的空间，检查是否有足够的空闲空间Value::has_space()来替换成新值。Value::update_in_shadow: 进一步将变化的数据存储到binary diff对象中(TABLE::add_binary_diff)，每个Binary_diff对象包含了要修改对象的偏移量，长度以及一个指向新数据的const指针
如下例，摘自函数Value::update_in_shadow的注释，这里提取出来，以便于理解json binary的格式，以及如何产生Binary Diff
创建测试表：
[email protected] 10:00:45>create table t (a int primary key, b json); Query OK, 0 rows affected (0.02 sec) [email protected] 10:01:06>insert into t values (1, '[ "abc", "def" ]'); Query OK, 1 row affected (0.07 sec)
json数据的存储格式如下：
0x02 - type: small JSON array 0x02 - number of elements (low byte) 0x00 - number of elements (high byte) 0x12 - number of bytes (low byte) 0x00 - number of bytes (high byte) 0x0C - type of element 0 (string) 0x0A - offset of element 0 (low byte) 0x00 - offset of element 0 (high byte) 0x0C - type of element 1 (string) 0x0E - offset of element 1 (low byte) 0x00 - offset of element 1 (high byte) 0x03 - length of element 0 'a' 'b' - content of element 0 'c' 0x03 - length of element 1 'd' 'e' - content of element 1 'f'
更新json列的'abc'为'XY', 则空出一个字节出来:
[email protected] 10:01:39>UPDATE t SET b = JSON_SET(b, '$[0]', 'XY'); Query OK, 1 row affected (0.01 sec) Rows matched: 1 Changed: 1 Warnings: 0
此时的存储格式为：
0x02 - type: small JSON array 0x02 - number of elements (low byte) 0x00 - number of elements (high byte) 0x12 - number of bytes (low byte) 0x00 - number of bytes (high byte) 0x0C - type of element 0 (string) 0x0A - offset of element 0 (low byte) 0x00 - offset of element 0 (high byte) 0x0C - type of element 1 (string) 0x0E - offset of element 1 (low byte) 0x00 - offset of element 1 (high byte) CHANGED 0x02 - length of element 0 CHANGED 'X' CHANGED 'Y' - content of element 0 (free) 'c' 0x03 - length of element 1 'd' 'e' - content of element 1 'f'
此处只影响到一个element，因此 只有一个binary diff
再执行更新：
UPDATE t SET j = JSON_SET(j, '$[1]', 'XYZW')
第二个element从3个字节更新成4个字节，显然原地没有足够的空间，但可以利用其一个element的剩余空间
0x02 - type: small JSON array 0x02 - number of elements (low byte) 0x00 - number of elements (high byte) 0x12 - number of bytes (low byte) 0x00 - number of bytes (high byte) 0x0C - type of element 0 (string) 0x0A - offset of element 0 (low byte) 0x00 - offset of element 0 (high byte) 0x0C - type of element 1 (string) CHANGED 0x0D - offset of element 1 (low byte) 0x00 - offset of element 1 (high byte) 0x02 - length of element 0 'X' - content of element 0 'Y' - content of element 0 CHANGED 0x04 - length of element 1 CHANGED 'X' CHANGED 'Y' CHANGED 'Z' - content of element 1 CHANGED 'W'
这里会产生两个binary diff，一个更新offset， 一个更新数据
我们再执行一条update，将字符串修改成整数，这种情况下，原来存储字符串offset的位置被更改成了整数，而原来字符串占用的空间变成Unused状态。这里只
UPDATE t SET b= JSON_SET(b, '$[1]', 456)
0x02 - type: small JSON array 0x02 - number of elements (low byte) 0x00 - number of elements (high byte) 0x12 - number of bytes (low byte) 0x00 - number of bytes (high byte) 0x0C - type of element 0 (string) 0x0A - offset of element 0 (low byte) 0x00 - offset of element 0 (high byte) CHANGED 0x05 - type of element 1 (int16) CHANGED 0xC8 - value of element 1 (low byte) CHANGED 0x01 - value of element 1 (high byte) 0x02 - length of element 0 'X' - content of element 0 'Y' - content of element 0 (free) 0x04 - length of element 1 (free) 'X' (free) 'Y' (free) 'Z' - content of element 1 (free) 'W
类型从string变成int16，使用之前offset的字段记录int值，而原来string的空间则变成空闲状态， 这里产生一个binary diff。
我们再来看看另外一个相似的函数Value::remove_in_shadow，即通过json_remove从列上移除一个字段，以下样例同样摘自函数的注释：
json列的值为
{ "a": "x", "b": "y", "c": "z" }
存储格式：
0x00 - type: JSONB_TYPE_SMALL_OBJECT
0x03 - number of elements (low byte)
0x00 - number of elements (high byte)
0x22 - number of bytes (low byte)
0x00 - number of bytes (high byte)
0x19 - offset of key "a" (high byte)
0x00 - offset of key "a" (low byte)
0x01 - length of key "a" (high byte)
0x00 - length of key "a" (low byte)
0x1a - offset of key "b" (high byte)
0x00 - offset of key "b" (low byte)
0x01 - length of key "b" (high byte)
0x00 - length of key "b" (low byte)
0x1b - offset of key "c" (high byte)
0x00 - offset of key "c" (low byte)
0x01 - length of key "c" (high byte)
0x00 - length of key "c" (low byte)
0x0c - type of value "a": JSONB_TYPE_STRING
0x1c - offset of value "a" (high byte)
0x00 - offset of value "a" (low byte)
0x0c - type of value "b": JSONB_TYPE_STRING
0x1e - offset of value "b" (high byte)
0x00 - offset of value "b" (low byte)
0x0c - type of value "c": JSONB_TYPE_STRING
0x20 - offset of value "c" (high byte)
0x00 - offset of value "c" (low byte)
0x61 - first key ('a')
0x62 - second key ('b')
0x63 - third key ('c')
0x01 - length of value "a"
0x78 - contents of value "a" ('x')
0x01 - length of value "b"
0x79 - contents of value "b" ('y')
0x01 - length of value "c"
0x7a - contents of value "c" ('z')
将其中的成员$.b移除掉：
UPDATE t SET j = JSON_REMOVE(j, '$.b');
格式为：
0x00 - type: JSONB_TYPE_SMALL_OBJECT
CHANGED 0x02 - number of elements (low byte)
0x00 - number of elements (high byte)
0x22 - number of bytes (low byte)
0x00 - number of bytes (high byte)
0x19 - offset of key "a" (high byte)
0x00 - offset of key "a" (low byte)
0x01 - length of key "a" (high byte)
0x00 - length of key "a" (low byte)
CHANGED 0x1b - offset of key "c" (high byte)
CHANGED 0x00 - offset of key "c" (low byte)
CHANGED 0x01 - length of key "c" (high byte)
CHANGED 0x00 - length of key "c" (low byte)
CHANGED 0x0c - type of value "a": JSONB_TYPE_STRING
CHANGED 0x1c - offset of value "a" (high byte)
CHANGED 0x00 - offset of value "a" (low byte)
CHANGED 0x0c - type of value "c": JSONB_TYPE_STRING
CHANGED 0x20 - offset of value "c" (high byte)
CHANGED 0x00 - offset of value "c" (low byte)
(free) 0x00
(free) 0x0c
(free) 0x1e
(free) 0x00
(free) 0x0c
(free) 0x20
(free) 0x00
0x61 - first key ('a')
(free) 0x62
0x63 - third key ('c')
0x01 - length of value "a"
0x78 - contents of value "a" ('x')
(free) 0x01
(free) 0x79
0x01 - length of value "c"
0x7a - contents of value "c" ('z')
这里会产生两个binary diff，一个用于更新element个数，一个用于更新offset。
从上面的例子可以看到，每个Binary diff表示了一段连续更新的数据，有几段连续更新的数据，就有几个binary diff。 binary diff存储到TABLE::m_partial_update_info->m_binary_diff_vectors中，
写入logical diff
logical diff 主要用于优化写binlog
Sql_cmd_update::update_single_table |--> fill_record_n_invoke_before_triggers |-->fill_record |--> Item::save_in_field |--> Item_func::save_possibly_as_json |--> Item_func_json_set_replace::val_json |-->TABLE::add_logical_diff
新的LOB存储格式
相关代码：
storage/innobase/lob/*, 所有的类和函数定义在namesapce lob下面
从上面的分析可以看到，Server层已经提供了所有修改的偏移量，新数据长度，已经判断好了数据能够原地存储，对于innodb，则须要利用这些信息来实现partial update 。
在展开这个问题之前，我们先来看下innodb针对json列的新格式。从代码中可以看到，为了实现partial update, innodb增加了几种新的数据页格式：
压缩表： FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FIRST FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_DATA FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_INDEX FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FRAG FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FRAG_ENTRY 普通表： FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA FIL_PAGE_TYPE_LOB_FIRST
我们知道，传统的LOB列通常是在聚集索引记录内留一个外部存储指针，指向lob存储的page，如果一个page存储不下，就会产生lob page链表。而新的存储格式，则引入了lob index的概念，也就是为所有的lob page建立索引，格式如下：
ref pointer in cluster record ------- | FIL_PAGE_TYPE_LOG_FIRST | FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX -----------> FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA | FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX -------------> FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA | ... ....
Note: 本文只讨论非压缩表的场景， 对于压缩表引入了更加复杂的数据类型，以后有空再在本文补上。
ref Pointer格式如下（和之前相比，增加了版本号）
| 字段 | 字节数 | 描述 |
|---|---|---|
| BTR_EXTERN_SPACE_ID | 4 | space id |
| BTR_EXTERN_PAGE_NO | 4 | 第一个 lob page的no |
| BTR_EXTERN_OFFSET/BTR_EXTERN_VERSION | 4 | 新的格式记录version号 |
第一个FIL_PAGE_TYPE_LOG_FIRST页面的操作定义在 lob::first_page_t类中格式如下(参考文件: include/lob0first.h lob/lob0first.cc)：
| 字段 | 字节数 | 描述 |
|---|---|---|
| OFFSET_VERSION | 1 | 表示lob的版本号，当前为0，用于以后lob格式改变做版本区分 |
| OFFSET_FLAGS | 1 | 目前只使用第一个bit，被设置时表示无法做partial update， 用于通知purge线程某个更新操作产生的老版本LOB可以被完全释放掉 |
| OFFSET_LOB_VERSION | 4 | 每个lob page都有个版本号，初始为1，每次更新后递增 |
| OFFSET_LAST_TRX_ID | 6 | |
| OFFSET_LAST_UNDO_NO | 4 | |
| OFFSET_DATA_LEN | 4 | 存储在该page上的数据长度 |
| OFFSET_TRX_ID | 6 | 创建存储在该page上的事务id |
| OFFSET_INDEX_LIST | 16 | 维护lob page链表 |
| OFFSET_INDEX_FREE_NODES | 16 | 维护空闲节点 |
| LOB_PAGE_DATA | 存储数据的起始位置，注意第一个page同时包含了lob index 和lob data，但在第一个lob page中只包含了10个lob index记录，每个lob index大小为60字节 | |
除了第一个lob page外，其他所有的lob page都是通过lob index记录来指向的，lob index之间链接成链表，每个index entry指向一个lob page，
普通Lob Page的格式如下
| 字段 | 字节数 | 描述 |
|---|---|---|
| OFFSET_VERSION | 1 | lob data version，当前为0 |
| OFFSET_DATA_LEN | 4 | 数据长度 |
| OFFSET_TRX_ID | 6 | 创建该lob page的事务Id |
| LOB_PAGE_DATA | lob data开始的位置 |
lob index entry的大小为60字节，主要包含如下内容(include/lob0index.h lob/lob0index.cc):
| 偏移量 | 字节数 | 描述 |
|---|---|---|
| OFFSET_PREV | 6 | Pointer to the previous index entry |
| OFFSET_NEXT | 6 | Pointer to the next index entry |
| OFFSET_VERSIONS | 16 | Pointer to the list of old versions for this index entry |
| OFFSET_TRXID | 6 | The creator transaction identifier. |
| OFFSET_TRXID_MODIFIER | 6 | The modifier transaction identifier |
| OFFSET_TRX_UNDO_NO | 4 | the undo number of creator transaction. |
| OFFSET_TRX_UNDO_NO_MODIFIER | 4 | The undo number of modifier transaction. |
| OFFSET_PAGE_NO | 4 | The page number of LOB data page |
| OFFSET_DATA_LEN | 4 | The amount of LOB data it contains in bytes. |
| OFFSET_LOB_VERSION | 4 | The LOB version number to which this index entry belongs. |
从index entry的记录格式我们可以看到 两个关键信息：
- 对lob page的修改会产生新的lob page（“lob::replace()”） 和新的lob index entry
- lob page no及其数据长度，据此我们可以根据修改的数据在json column里的offset，通过lob index快速的定位到其所在的lob page
- 每个lob page的版本号: 为了实现mvcc多版本，用户线程先从undo log中找到对应版本的clust record，找出其中存储的版本号v1，然后在扫描lob index时，如index entry中记录的版本号<= v1，则是可见的，如果> v1, 那么就需要根据OFFSET_VERSIONS链表，找到对应版本的index entry，并
根据这个老的Index entry找到对应的lob page, 如下所示：
EXTERN REF (v2) | LOB IDX ENTRY (v1) | LOB IDX ENTRY(v2) -----> LOB IDX ENTRY(v1) | LOG IDX ...(v1)
多版本读判断参考函数 'lob::read'
lob更新lob::update: 根据binary diff，依次replace
Note： 不是所有的lob数据都需要partial update, 额外的lob index同样会带来存储开销，因此定义了一个threshold（ref_t::LOB_BIG_THRESHOLD_SIZE），超过2个page才去做partial update; 另外row_format也要确保lob列不存储列前缀到clust index ( ref btr_store_big_rec_extern_fields)
写入binlog
在更新完一行后，对应的变更需要打包到线程的cache中(THD::binlog_write_row() --> pack_row())， 这时候要对partial update进行特殊处理，需要设置特定选项:
- binlog_row_image = MINIMAL;
- binlog_row_value_options=PARTIAL_JSON
如上例第一个update产生的binlog如下：
UPDATE t SET b = JSON_SET(b, '$[0]', 'XY'); binlog: '/*!*/; ### UPDATE `test`.`t` ### WHERE ### @1=1 /* INT meta=0 nullable=0 is_null=0 */ ### SET ### @2=JSON_REPLACE(@2, '$[0]', 'XY') /* JSON meta=4 nullable=1 is_null=0 */
由于存在主键，因此前镜像只记录了主键值，而后镜像也只记录了需要更新的列的内容，对于超大Json列，binlog上的开销也是极小的，考虑到binlog通常会成为性能瓶颈点，预计这一特性会带来不错的吞吐量提升
原文地址：http://blog.51cto.com/13679539/2128211