Percona XtraBackup 备份原理说明【转】

本文来自：http://mysql.taobao.org/monthly/2016/03/07/

前言

Percona XtraBackup（简称PXB）是 Percona 公司开发的一个用于 MySQL 数据库物理热备的备份工具，支持 MySQL（Oracle）、Percona Server 和 MariaDB，而且所有开源，真可谓是业界良心。咱们 RDS MySQL 的物理备份就是基于这个工具作的。

项目的 blueprint 和 bug 讨论放在 Launchpad，代码以前也放在 Launchpad，如今已经迁移到 Github 啦，项目更新发布很是快，感兴趣的能够关注 :-)

本文会介绍下备份工具的工做原理，但愿对你们有所帮助。

工具集

软件包安装完后一共有4个可执行文件，以下：

usr ├── bin │ ├── innobackupex │ ├── xbcrypt │ ├── xbstream │ └── xtrabackup 

其中最主要的是 innobackupex 和 xtrabackup，前者是一个 perl 脚本，后者是 C/C++ 编译的二进制。

xtrabackup 是用来备份 InnoDB 表的，不能备份非 InnoDB 表，和 mysqld server 没有交互；innobackupex 脚本用来备份非 InnoDB 表，同时会调用 xtrabackup 命令来备份 InnoDB 表，还会和 mysqld server 发送命令进行交互，如加读锁（FTWRL）、获取位点（SHOW SLAVE STATUS）等。简单来讲，innobackupex 在 xtrabackup 之上作了一层封装。

通常状况下，咱们是但愿能备份 MyISAM 表的，虽然咱们可能本身不用 MyISAM 表，可是 mysql 库下的系统表是 MyISAM 的，所以备份基本都经过 innobackupex 命令进行；另一个缘由是咱们可能须要保存位点信息。

另外2个工具相对小众些，xbcrypt 是加解密用的；xbstream 相似于tar，是 Percona 本身实现的一种支持并发写的流文件格式。两都在备份和解压时都会用到（若是备份用了加密和并发）。

本文的介绍的主角是 innobackupex 和 xtrabackup。

原理

通讯方式

2个工具之间的交互和协调是经过控制文件的建立和删除来实现的，主要文件有：

• xtrabackup_suspended_1
• xtrabackup_suspended_2
• xtrabackup_log_copied

举个栗子，咱们来看备份时 xtrabackup_suspended_2 是怎么来协调2个工具进程的

1. innobackupex 在启动 xtrabackup 进程后，会一直等 xtrabackup 备份完 InnoDB 文件，方式就是等待 xtrabackup_suspended_2 这个文件被建立出来；
2. xtrabackup 在备完 InnoDB 数据后，就在指定目录下建立出这个文件，而后等这个文件被 innobackupex 删除；
3. innobackupex 检测到文件 xtrabackup_suspended_2 被建立出来后，就继续往下走；
4. innobackupex 在备份完非 InnoDB 表后，删除 xtrabackup_suspended_2 这个文件，这样就通知 xtrabackup 能够继续了，而后等 xtrabackup_log_copied 被建立；
5. xtrabackup 检测到 xtrabackup_suspended_2 文件删除后，就能够继续往下了。

是否是感受有点难以想象，经过文件是否存在来控制进程，这种方式很是的不靠谱，由于很是容易被外部干扰，好比文件被别人误删掉，或者2个正在跑的备份控制文件误放在同一个目录下，就等着备份乱掉吧，可是 Percona 就是这么干的。

之因此这么搞，估计主要是由于 perl 和 C 二进制2个进程，没有既好用又方便的通讯方式，搞个协议啥的太麻烦了。可是官方也以为这种方式不靠谱，11年就搞了个 blueprint 要用C重写 innobackupex，终于在2.3 版本实现了，innobackupex 功能所有集成到 xtrabackup 里面，只有一个 binary，另外为了使用上的兼容考虑，innobackupex做为 xtrabackup 的一个软链。对于二次开发来讲，2.3 摆脱了以前2个进程协做的负担，架构上明显要好于以前版本。考虑到 perl + C 这种架构的长期存在，大多数读者朋友也基本用的2.3以前版本，本文的介绍也是基于老的架构（2.2版本），可是原理和2.3是同样的，只是实现上的差异。

备份过程

整个备份过程以下图：

PXB 备份过程

1. innobackupex 在启动后，会先 fork 一个进程，启动 xtrabackup进程，而后就等待 xtrabackup 备份完 ibd 数据文件；
2. xtrabackup 在备份 InnoDB 相关数据时，是有2种线程的，1种是 redo 拷贝线程，负责拷贝 redo 文件，1种是 ibd 拷贝线程，负责拷贝 ibd 文件；redo 拷贝线程只有一个，在 ibd 拷贝线程以前启动，在 ibd 线程结束后结束。xtrabackup 进程开始执行后，先启动 redo 拷贝线程，从最新的 checkpoint 点开始顺序拷贝 redo 日志；而后再启动 ibd 数据拷贝线程，在 xtrabackup 拷贝 ibd 过程当中，innobackupex 进程一直处于等待状态（等待文件被建立）。
3. xtrabackup 拷贝完成idb后，通知 innobackupex（经过建立文件），同时本身进入等待（redo 线程仍然继续拷贝）;
4. innobackupex 收到 xtrabackup 通知后，执行FLUSH TABLES WITH READ LOCK (FTWRL)，取得一致性位点，而后开始备份非 InnoDB 文件（包括 frm、MYD、MYI、CSV、opt、par等）。拷贝非 InnoDB 文件过程当中，由于数据库处于全局只读状态，若是在业务的主库备份的话，要特别当心，非 InnoDB 表（主要是MyISAM）比较多的话整库只读时间就会比较长，这个影响必定要评估到。
5. 当 innobackupex 拷贝完全部非 InnoDB 表文件后，通知 xtrabackup（经过删文件） ，同时本身进入等待（等待另外一个文件被建立）；
6. xtrabackup 收到 innobackupex 备份完非 InnoDB 通知后，就中止 redo 拷贝线程，而后通知 innobackupexredo log 拷贝完成（经过建立文件）；
7. innobackupex 收到 redo 备份完成通知后，就开始解锁，执行 UNLOCK TABLES；
8. 最后 innobackupex 和 xtrabackup 进程各自完成收尾工做，如资源的释放、写备份元数据信息等，innobackupex 等待 xtrabackup 子进程结束后退出。

在上面描述的文件拷贝，都是备份进程直接经过操做系统读取数据文件的，只在执行 SQL 命令时和数据库有交互，基本不影响数据库的运行，在备份非 InnoDB 时会有一段时间只读（若是没有MyISAM表的话，只读时间在几秒左右），在备份 InnoDB 数据文件时，对数据库彻底没有影响，是真正的热备。

InnoDB 和非 InnoDB 文件的备份都是经过拷贝文件来作的，可是实现的方式不一样，前者是以page为粒度作的(xtrabackup)，后者是 cp 或者 tar 命令(innobackupex)，xtrabackup 在读取每一个page时会校验 checksum 值，保证数据块是一致的，而 innobackupex 在 cp MyISAM 文件时已经作了flush（FTWRL），磁盘上的文件也是完整的，因此最终备份集里的数据文件都是写入完整的。

增量备份

PXB 是支持增量备份的，可是只能对 InnoDB 作增量，InnoDB 每一个 page 有个 LSN 号，LSN 是全局递增的，page 被更改时会记录当前的 LSN 号，page中的 LSN 越大，说明当前page越新（最近被更新）。每次备份会记录当前备份到的LSN（xtrabackup_checkpoints 文件中），增量备份就是只拷贝LSN大于上次备份的page，比上次备份小的跳过，每一个 ibd 文件最终备份出来的是增量 delta 文件。

MyISAM 是没有增量的机制的，每次增量备份都是所有拷贝的。

增量备份过程和全量备份同样，只是在 ibd 文件拷贝上有不一样。

恢复过程

若是看恢复备份集的日志，会发现和 mysqld 启动时很是类似，其实备份集的恢复就是相似 mysqld crash后，作一次 crash recover。

恢复的目的是把备份集中的数据恢复到一个一致性位点，所谓一致就是指原数据库某一时间点各引擎数据的状态，好比 MyISAM 中的数据对应的是 15:00 时间点的，InnoDB 中的数据对应的是 15:20 的，这种状态的数据就是不一致的。PXB 备份集对应的一致点，就是备份时FTWRL的时间点，恢复出来的数据，就对应原数据库FTWRL时的状态。

由于备份时 FTWRL 后，数据库是处于只读的，非 InnoDB 数据是在持有全局读锁状况下拷贝的，因此非 InnoDB 数据自己就对应 FTWRL 时间点；InnoDB 的 ibd 文件拷贝是在 FTWRL 前作的，拷贝出来的不一样 ibd 文件最后更新时间点是不同的，这种状态的 ibd 文件是不能直接用的，可是 redo log 是从备份开始一直持续拷贝的，最后的 redo 日志点是在持有 FTWRL 后取得的，因此最终经过 redo 应用后的 ibd 数据时间点也是和 FTWRL 一致的。

因此恢复过程只涉及 InnoDB 文件的恢复，非 InnoDB 数据是不动的。备份恢复完成后，就能够把数据文件拷贝到对应的目录，而后经过mysqld来启动了。