Percona XtraBackup 备份原理

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，并且全部开源，真可谓是业界良心。我们 RDS MySQL 的物理备份就是基于这个工具做的。

项目的 blueprint 和 bug 讨论放在 Launchpad，代码之前也放在 Launchpad，现在已经迁移到 Github 啦，项目更新发布非常快，感兴趣的可以关注 :-)

本文会介绍下备份工具的工作原理，希望对大家有所帮助。

工具集

软件包安装完后一共有4个可执行文件，如下：

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。简单来说，innobackupex 在 xtrabackup 之上做了一层封装。

一般情况下，我们是希望能备份 MyISAM 表的，虽然我们可能自己不用 MyISAM 表，但是 mysql 库下的系统表是 MyISAM 的，因此备份基本都通过 innobackupex 命令进行；另外一个原因是我们可能需要保存位点信息。

另外2个工具相对小众些，xbcrypt 是加解密用的；xbstream 类似于tar，是 Percona 自己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（如果备份用了加密和并发）。

本文的介绍的主角是 innobackupex 和 xtrabackup。

原理

通信方式

2个工具之间的交互和协调是通过控制文件的创建和删除来实现的，主要文件有：

xtrabackup_suspended_1
xtrabackup_suspended_2
xtrabackup_log_copied

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

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 这个文件被创建出来；
xtrabackup 在备完 InnoDB 数据后，就在指定目录下创建出这个文件，然后等这个文件被 innobackupex 删除；
innobackupex 检测到文件 xtrabackup_suspended_2 被创建出来后，就继续往下走；
innobackupex 在备份完非 InnoDB 表后，删除 xtrabackup_suspended_2 这个文件，这样就通知 xtrabackup可以继续了，然后等 xtrabackup_log_copied 被创建；
xtrabackup 检测到 xtrabackup_suspended_2 文件删除后，就可以继续往下了。

是不是感觉有点不可思议，通过文件是否存在来控制进程，这种方式非常的不靠谱，因为非常容易被外部干扰，比如文件被别人误删掉，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，但是 Percona 就是这么干的。（原来大神们也有过这个时候^0^）

之所以这么搞，估计主要是因为 perl 和 C 二进制2个进程，没有既好用又方便的通信方式，搞个协议啥的太麻烦了。但是官方也觉得这种方式不靠谱，11年就搞了个 blueprint 要用C重写 innobackupex，终于在2.3 版本实现了，innobackupex 功能全部集成到 xtrabackup 里面，只有一个 binary，另外为了使用上的兼容考虑，innobackupex作为 xtrabackup 的一个软链。对于二次开发来说，2.3 摆脱了之前2个进程协作的负担，架构上明显要好于之前版本。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之前版本，本文的介绍也是基于老的架构（2.2版本），但是原理和2.3是一样的，只是实现上的差别。

备份过程

整个备份过程如下图：

PXB 备份过程

innobackupex 在启动后，会先 fork 一个进程，启动 xtrabackup进程，然后就等待 xtrabackup 备份完 ibd 数据文件；
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 拷贝线程之前启动，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；然后再启动 ibd 数据拷贝线程，在 xtrabackup 拷贝 ibd 过程中，innobackupex 进程一直处于等待状态（等待文件被创建）。
xtrabackup 拷贝完成idb后，通知 innobackupex（通过创建文件），同时自己进入等待（redo 线程仍然继续拷贝）;
innobackupex 收到 xtrabackup 通知后，执行FLUSH TABLES WITH READ LOCK (FTWRL)，取得一致性位点，然后开始备份非 InnoDB 文件（包括 frm、MYD、MYI、CSV、opt、par等）。拷贝非 InnoDB 文件过程中，因为数据库处于全局只读状态，如果在业务的主库备份的话，要特别小心，非 InnoDB 表（主要是MyISAM）比较多的话整库只读时间就会比较长，这个影响一定要评估到。
当 innobackupex 拷贝完所有非 InnoDB 表文件后，通知 xtrabackup（通过删文件），同时自己进入等待（等待另一个文件被创建）；
xtrabackup 收到 innobackupex 备份完非 InnoDB 通知后，就停止 redo 拷贝线程，然后通知 innobackupexredo log 拷贝完成（通过创建文件）；
innobackupex 收到 redo 备份完成通知后，就开始解锁，执行 UNLOCK TABLES；
最后 innobackupex 和 xtrabackup 进程各自完成收尾工作，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，都是备份进程直接通过操作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（如果没有MyISAM表的话，只读时间在几秒左右），在备份 InnoDB 数据文件时，对数据库完全没有影响，是真正的热备。

InnoDB 和非 InnoDB 文件的备份都是通过拷贝文件来做的，但是实现的方式不同，前者是以page为粒度做的(xtrabackup)，后者是 cp 或者 tar 命令(innobackupex)，xtrabackup 在读取每个page时会校验 checksum 值，保证数据块是一致的，而 innobackupex 在 cp MyISAM 文件时已经做了flush（FTWRL），磁盘上的文件也是完整的，所以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，但是只能对 InnoDB 做增量，InnoDB 每个 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，每次增量备份都是全部拷贝的。

增量备份过程和全量备份一样，只是在 ibd 文件拷贝上有不同。

恢复过程

如果看恢复备份集的日志，会发现和 mysqld 启动时非常相似，其实备份集的恢复就是类似 mysqld crash后，做一次 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，比如 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。

因为备份时 FTWRL 后，数据库是处于只读的，非 InnoDB 数据是在持有全局读锁情况下拷贝的，所以非 InnoDB 数据本身就对应 FTWRL 时间点；InnoDB 的 ibd 文件拷贝是在 FTWRL 前做的，拷贝出来的不同 ibd 文件最后更新时间点是不一样的，这种状态的 ibd 文件是不能直接用的，但是 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，所以最终通过 redo 应用后的 ibd 数据时间点也是和 FTWRL 一致的。

所以恢复过程只涉及 InnoDB 文件的恢复，非 InnoDB 数据是不动的。备份恢复完成后，就可以把数据文件拷贝到对应的目录，然后通过mysqld来启动了。

文章内容转载自淘宝数据库内核日报：http://mysql.taobao.org/monthly/2016/03/