MySQL删除表时I/O错误的原因分析与解决
问题现象
最近使用sysbench测试MySQL，由于测试时间较长，写了一个脚本按prepare->run->cleanup的顺序在后台跑着。跑完后察看日志发现一个问题，MySQL服务的错误日志中出现多条类似以下信息的报错：
[ERROR] InnoDB: Trying to do I/O to a tablespace which does not exist. I/O type: read, page: [page id: space=32, page number=57890], I/O length: 16384 bytes。
看起来是I/O出现了错误，但MySQL进程并未崩溃，sysbench客户端也没有报错。
发现问题过程
根据报错的时间记录以及脚本输出的各个阶段的时间点对比，确定了当时脚本正在执行的命令为：
sysbench --tables=100 --table-size=4000000 --threads=50 --mysql-db=sbtest --time=300 oltp_delete cleanup
重新手动执行一遍这个用例，却没有再出现同样的情况。但是用脚本执行却依然能够发现这个错误信息。初步怀疑是run和cleanup之间不能间隔太久才会触发这个问题。由于执行一遍100G数据量的时间较长，重现代价较大，先尝试缩减用例数据量。将—table-size=4000000修改为2000000，此时执行脚本，又不会触发这个问题了，最后将—table-size=3000000可以稳定触发又能减少部分重现时间。为了确认是否间隔太长会导致不能复现，修改脚本在run和cleanup两个阶段之间sleep 10秒，果然不会触发这个错误信息。修改为sleep 5秒则还能触发，不过报错条数已有所减少。
问题调查
察看对应版本mysql5.7.22的代码，发现这个报错只有一个位置：fil0fil.cc文件的第5578行fil_io()函数内。 直接使用gdb调试，在这个位置加上断点，并执行可复现的脚本，得到以下堆栈：
(gdb) bt #0 fil_io (type=..., sync=sync@entry=false, page_id=..., page_size=..., byte_offset=byte_offset@entry=0, len=16384, buf=0x7f9ead544000, message=message@entry=0x7f9ea8ce9c78) at mysql-5.7.22/storage/innobase/fil/fil0fil.cc:5580 #1 0x00000000010f99fa in buf_read_page_low (err=0x7f9ddaffc72c, sync=<optimized out>, type=0, mode=<optimized out>, page_id=..., page_size=..., unzip=true) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0rea.cc:195 #2 0x00000000010fc5fa in buf_read_ibuf_merge_pages (sync=sync@entry=false, space_ids=space_ids@entry=0x7f9ddaffc7e0, page_nos=page_nos@entry=0x7f9ddaffc7a0, n_stored=2) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0rea.cc:834 #3 0x0000000000f3a86c in ibuf_merge_pages (n_pages=n_pages@entry=0x7f9ddaffce30, sync=sync@entry=false) at mysql-5.7.22/storage/innobase/ibuf/ibuf0ibuf.cc:2552 #4 0x0000000000f3a94a in ibuf_merge (sync=false, sync=false, n_pages=0x7f9ddaffce30) at mysql-5.7.22/storage/innobase/ibuf/ibuf0ibuf.cc:2656 #5 ibuf_merge_in_background (full=full@entry=false) at mysql-5.7.22/storage/innobase/ibuf/ibuf0ibuf.cc:2721 #6 0x000000000102bcf4 in srv_master_do_active_tasks () at mysql-5.7.22/storage/innobase/srv/srv0srv.cc:2132 #7 srv_master_thread (arg=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/srv/srv0srv.cc:2383 #8 0x00007fa003eeddc5 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0 #9 0x00007fa002aab74d in clone () from /lib64/libc.so.6
很明显这是后台线程在做insert buffer merge操作。此时发现space->stop_new_ops为true，也就是要处理的页面所属的space正在被删除。为什么会去操作正在被删除的space呢？这需要调查下insert buffer功能、insert buffer merge的流程以及删除表的流程。
insert buffer背景知识
insert buffer是一种特殊的数据结构（B+ tree），当辅助索引页面不在缓冲池中时，它会将更改缓存起来，稍后在页面被其他读取操作加载到缓冲池中时合并。MySQL最初引进这个功能的时候只能缓存insert操作，所以叫做insert buffer，现在这些操作可以是 INSERT, UPDATE, or DELETE(DML)，所以改叫做change buffer了（本文依然以insert buffer描述），但源码中依然以ibuf作为标识。这个功能把若干对同一页面的更新缓存起来，合并为一次性更新操作，减少了IO，并转化随机IO为顺序IO,这样可以避免随机IO带来性能损耗，提高数据库的写性能。
相关insert buffer merge逻辑
当buffer page读入buffer pool时，就会进行insert buffer merge。主要有几个场景会出现merge过程：
- 当页面被读入缓冲池时，读取完成后先进行ibuf的merge，然后页面才可用；
- merge操作作为后台任务执行。 innodb_io_capacity参数可设置InnoDB后台任务每次merge过程的页面数上限；
- 在崩溃恢复期间，当索引页被读入缓冲池时，将执行对应页的insert buffer merge；
- insert buffer具有持久性，系统崩溃不会导致它失效。重启后，insert buffer merge操作将恢复正常；
- 服务器关闭时可使用—innodb-fast-shutdown = 0强制进行ibuf的完全合并。
我们这次的问题很明显属于第二种情况。innodb主线程(svr_master_thread）会每隔一秒主动进行一次insert buffer的merge操作。先判断过去1s之内服务器是否发生过活动（插入元组到页面、undo表上的行操作等），如果发生过，则merge的最大页面数为innodb_io_capacity设定的5%。如果没有则merge的最大页面数为innodb_io_capacity设定的值。
innodb主线程(svr_master_thread）merge的主流程如下：
- 主线程从ibuf树的叶子节点读取页号和space号，并记录到一个二元数组中（未加锁）；
- 主线程对二元组中space进行检测是否在表空间缓存中，如不在，说明已经被删除了，删除对应ibuf的记录；
- 主线程判断是否对一个正在删除的space进行异步读取操作，如果是，报错，并删除对应ibuf的记录，转到过程2继续下一个数组元素的判断；
- 如果一切判断正常，主线程发出async io请求，async读取需要被merge的索引页面；
- I/O handler 线程，在接受到完成的async I/O之后，进行merge操作；
- 进行merge的时候调用fil_space_acquire对space->n_pending_ops进行自增。避免删除操作并发；
- 执行完毕后调用fil_space_release对space->n_pending_ops进行自减。
相关删除表的逻辑
- 对fil_system->mutex加锁，设置sp->stop_new_ops = true，标记space正在删除，不允许对它进行新操作，然后对fil_system->mutex解锁；
- 对fil_system->mutex加锁，检测space->n_pending_ops，对fil_system->mutex解锁。如果检测到大于0，意味着还有依赖的操作未完成，睡眠20ms后重试；
- 对fil_system->mutex加锁，检测space->n_pending_flushes和(*node)->n_pending ，对fil_system->mutex解锁。如果检测到大于0，意味着还有依赖的I/O未完成，睡眠20ms后重试；
- 此时认为已经没有冲突的操作了，刷出所有脏页面或删除所有给定的表空间的页面；
- 从表空间缓存删除指定space的记录；
- 删除对应数据文件。
问题结论
情况很明确了，主线程获取ibuf的（space，page）的过程与删除操作执行的过程并没有锁保证互斥，只有async I/O完成之后的merge操作与删除操作才有互斥。如果后台线程开始ibuf merge并已经执行过了第2步的检测，但还没有执行到第3步检测，此时用户线程开始做删除表的操作，并设置好stop_new_ops标记但还没有执行到第5步删除表空间缓存，就会出现这个错误信息。两线程的交互如下图所示：
不出意外的话，在打中断点时必然有线程在执行对应表的删除操作。果然我们可以发现如下堆栈：
Thread 118 (Thread 0x7f9de0111700 (LWP 5234)): #0 0x00007fa003ef1e8e in pthread_cond_broadcast@@GLIBC_2.3.2 () from /lib64/libpthread.so.0 #1 0x0000000000f82f41 in broadcast (this=0xd452ef8) at mysql-5.7.22/storage/innobase/os/os0event.cc:184 #2 set (this=0xd452ef8) at mysql-5.7.22/storage/innobase/os/os0event.cc:75 #3 os_event_set (event=0xd452ef8) at mysql-5.7.22/storage/innobase/os/os0event.cc:483 #4 0x00000000010ec8a4 in signal (this=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/include/ut0mutex.ic:105 #5 exit (this=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/include/ib0mutex.h:690 #6 exit (this=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/include/ib0mutex.h:961 #7 buf_flush_yield (bpage=<optimized out>, buf_pool=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0lru.cc:405 #8 buf_flush_try_yield (processed=<optimized out>, bpage=<optimized out>, buf_pool=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0lru.cc:449 #9 buf_flush_or_remove_pages (trx=<optimized out>, flush=<optimized out>, observer=<optimized out>, id=<optimized out>, buf_pool=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0lru.cc:632 #10 buf_flush_dirty_pages (buf_pool=<optimized out>, id=<optimized out>, observer=<optimized out>, flush=<optimized out>, trx=<optimized out>) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0lru.cc:693 #11 0x00000000010f6de7 in buf_LRU_remove_pages (trx=0x0, buf_remove=BUF_REMOVE_FLUSH_NO_WRITE, id=55, buf_pool=0x31e55e8) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0lru.cc:893 #12 buf_LRU_flush_or_remove_pages (id=id@entry=55, buf_remove=buf_remove@entry=BUF_REMOVE_FLUSH_NO_WRITE, trx=trx@entry=0x0) at mysql-5.7.22/storage/innobase/buf/buf0lru.cc:951 #13 0x000000000114e488 in fil_delete_tablespace (id=id@entry=55, buf_remove=buf_remove@entry=BUF_REMOVE_FLUSH_NO_WRITE) at mysql-5.7.22/storage/innobase/fil/fil0fil.cc:2800 #14 0x0000000000fe77bd in row_drop_single_table_tablespace (trx=0x0, is_encrypted=false, is_temp=false, filepath=0x7f9d7c209f38 "./sbtest/sbtest25.ibd", tablename=0x7f9d7c209dc8 "sbtest/sbtest25", space_id=55) at mysql-5.7.22/storage/innobase/row/row0mysql.cc:4189 #15 row_drop_table_for_mysql (name=name@entry=0x7f9de010e020 "sbtest/sbtest25", trx=trx@entry=0x7f9ff9515750, drop_db=<optimized out>, nonatomic=<optimized out>, nonatomic@entry=true, handler=handler@entry=0x0) at mysql-5.7.22/storage/innobase/row/row0mysql.cc:4741 #16 0x0000000000f092f3 in ha_innobase::delete_table (this=<optimized out>, name=0x7f9de010f5e0 "./sbtest/sbtest25") at mysql-5.7.22/storage/innobase/handler/ha_innodb.cc:12539 #17 0x0000000000801a30 in ha_delete_table (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910, table_type=table_type@entry=0x2ebd100, path=path@entry=0x7f9de010f5e0 "./sbtest/sbtest25", db=db@entry=0x7f9d7c00e560 "sbtest", alias=0x7f9d7c00df98 "sbtest25", generate_warning=generate_warning@entry=true) at mysql-5.7.22/sql/handler.cc:2586 #18 0x0000000000d0a6af in mysql_rm_table_no_locks (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910, tables=tables@entry=0x7f9d7c00dfe0, if_exists=true, drop_temporary=false, drop_view=drop_view@entry=false, dont_log_query=dont_log_query@entry=false) at mysql-5.7.22/sql/sql_table.cc:2546 #19 0x0000000000d0ba58 in mysql_rm_table (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910, tables=tables@entry=0x7f9d7c00dfe0, if_exists=<optimized out>, drop_temporary=<optimized out>) at mysql-5.7.22/sql/sql_table.cc:2196 #20 0x0000000000c9d90b in mysql_execute_command (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910, first_level=first_level@entry=true) at mysql-5.7.22/sql/sql_parse.cc:3589 #21 0x0000000000ca1edd in mysql_parse (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910, parser_state=parser_state@entry=0x7f9de01107a0) at mysql-5.7.22/sql/sql_parse.cc:5582 #22 0x0000000000ca2a20 in dispatch_command (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910, com_data=com_data@entry=0x7f9de0110e00, command=COM_QUERY) at mysql-5.7.22/sql/sql_parse.cc:1458 #23 0x0000000000ca4377 in do_command (thd=thd@entry=0x7f9d7c1f6910) at mysql-5.7.22/sql/sql_parse.cc:999 #24 0x0000000000d5ed00 in handle_connection (arg=arg@entry=0x10b8e910) at mysql-5.7.22/sql/conn_handler/connection_handler_per_thread.cc:300 #25 0x0000000001223d74 in pfs_spawn_thread (arg=0x10c48f40) at mysql-5.7.22/storage/perfschema/pfs.cc:2190 #26 0x00007fa003eeddc5 in start_thread () from /lib64/libpthread.so.0 #27 0x00007fa002aab74d in clone () from /lib64/libc.so.6
解决办法
为buf_read_ibuf_merge_pages、buf_read_page_low、fil_io新增一个参数ignore_missing_space。表示忽略正在删除的space，默认为false，当ibuf_merge_pages调用的时候置为true。在fil_io报错处额外判断该参数是否为true，是则不报错，继续其他流程。
或者直接在buf_read_ibuf_merge_pages调用buf_read_page_low时传入IORequest::IGNORE_MISSING参数。
具体代码参考MariaDB commit：8edbb1117a9e1fd81fbd08b8f1d06c72efe38f44
影响版本
察看相关信息，这个问题是修改Bug#19710564时删除表空间版本引入的。
- MySQL Community Server 5.7.6引入，版本5.7.22尚未修复，版本8.0.0已修复。
- MariaDB Server 10.2受影响。MariaDB Server 10.2.9, 10.3.2已修复
优化建议
可优化一下性能：在buf_read_ibuf_merge_pages中记录下出错的space id，循环的时候判断下一个page的space id，如果space id是相同的，直接删除对应ibuf的记录（当前分配的最大space id记录在系统表空间，space id占4个字节，低于0xFFFFFFF0UL，分配时读取系统表空间保存的值，然后加一，具有唯一性）。
总结
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