Amazon Aurora: Fast DDLの詳細

Anurag GuptaはAmazon Auroraを含む彼がデザインに参加した、いくつかのAWSデータベースサービスに携わっています。 Under the Hoodシリーズでは、Auroraを支える技術や設計について説明します。

Amazon Auroraはオープンソースデータベースのシンプルさとコスト効率とハイエンドなコマーシャルデータベースの可用性と性能を兼ね備えたMySQL互換のデータベースです。この投稿では、Amazon Auroraが一般的な、完了までMySQLでは数時間かかるようなDDL文をほぼ即座に実行出来る仕組みを見ていこうと思います。

Fast DDLとは？なぜ考慮するのか

アプリケーションを変更すると、それに付随するデータベースのスキーマを変更する必要があるケースがあります。クエリのワークロードが変わると、インデックスの追加や削除を行う必要があります。データのフォーマットが変更になると、既存のカラムのデータタイプを変更する必要があります。そして、このような変更は頻繁に起こりえます。Ruby on Railsアプリケーションをサポートする一部のDBAは、週に数十回スキーマを変更すると話しています。

多くのMySQLのDBAはご存知のように、このようなスキーマの変更はプロダクションシステムの中断が発生する可能性があります。変更に時間がかかるからです。場合によっては、完了まで数時間から数日かかることもあります。システムのリソースも奪われるため、アプリケーションのスループットも低下します。また、長時間のオペレーションは長時間のクラッシュリカバリが発生する可能性があります。DDL操作の一部は書き込みロックが必要なため、アプリケーションの一部が使用できなくなります。加えて一時的なスペースを多く必要とする可能性があり、小規模のインスタンスではディスクが不足する可能性もあります。

私たちはこのような点を取り除けるように改善を行っており、良く見る一般的なDDL操作(nullableカラムをテーブルの最後に追加)から改善を始めました。

なぜ既存の方法では問題が起こるのか？

MySQLがどの様にnullableカラムをテーブルの最後に追加する実装になっているか見ていきましょう。

MySQLは以下のような処理を行っています:

1. データベースはトランザクションのprepareフェーズでオリジナルテーブルに対して排他ロックを取得します
2. 変更後のスキーマで新しい空のテーブルを作成します
3. 1行ずつコピーを行ない、インデックスをその後作成する。同時に実行されたデータ操作(DML)文は、一時ファイルに記録されます
4. 再度、排他ロックを取得し一時ファイルから新しく作成したテーブルへDML文を適用します。適用すべき操作が多くある場合、この処理に時間を要します
5. オリジナルテーブルをdropし、テーブルをリネームします

これらの処理には多くのロックが必要になり、データのコピーやインデックスの作成にオーバヘッドが必要になります。そして、I/Oが多く発生し、一時領域も消費します。

もっと良い方法はないのでしょうか？

これについてはないと思うかもしれません。各行のデータ形式は変更する必要があります。しかし、この変更をテーブル上で実行されている他のDML(および関連するI/O)操作の上にのせることで、多くのことが実行できます。

完全なアプローチは、ブログポストではやや複雑すぎるので、ここでは簡単に説明します。

Auroraでは、DDLをユーザが実行すると

1. データベースがINFORMATION_SCHEMAのシステムテーブルを新しいスキーマで更新します。加えて、各操作に対してタイムスタンプを付与し変更をリードレプリカに伝搬します。古いスキーマ情報は新しいシステムテーブル(Schema Version Table)内に格納されます

同期的に行う操作はこれだけで完了です。

そして、その後のDML文は、影響のうけるデータページがスキーマの変更を待っている状態か監視します。この操作は、各ページのlog sequence number (LSN)タイムスタンプとスキーマ変更のLSNタイムスタンプを比べるだけで簡単に行なえます。必要に応じて、DML文を適用する前に新しいスキーマにページを更新します。この操作は、redo-undoレコードページの更新と同じ更新プロセスで実行されます。そして、I/Oはユーザの実行するクエリと同様に扱います。

DML操作では、ページ分割が発生する可能性があるため、ページの変更に注意する必要があります。変更はAuroraのレプリカノードでも同様に扱う必要があります。そして、リードレプリカではどのデータへの変更も許可されていません。SELECT文のために、MySQLに戻されるメモリ上のバッファ内のイメージ変更します。この方法では、ストレージ内で新旧のスキーマが混在していたとしても常に最新のスキーマを参照出来ます。

もし、皆さんがAuroraがどのようにストレージからの読み込みとログの適用を行っているかご存知の場合、このアプローチが似ていると感じると思います。しかし、このアプローチではredo logのセグメントではなく、変更を記録するためにテーブルを使用します。

パフォーマンス比較は以下のようになっています。Auroraは Schema Version Tableを変更するために一定の時間で処理が完了しているのがおわかりになると思います。しかし、MySQLではテーブルサイズにほぼ比例して線形に処理時間が増加しています。

明らかに私達が改善すべき多くのDDL文があります。しかし、殆どの物は同様のアプローチで対処可能と考えています。

このことは重要です。たとえデータベースが通常の可用性で稼働していても、これらの長い操作ではアプリケーションへ影響が発生します。それらを並列、バックグラウンド、非同期処理に移すことで違いが出てきます。

質問やフィードバックはありますか？aurora-pm@amazon.comへ是非お寄せ下さい。皆さんの考えや提案を私たちは非常に大切にしています。

注: こちらの機能は2017年4月6日現在Lab modeにてご提供しております。

翻訳は星野が担当しました。原文はこちら。