OceanBase存储层代码解读（四）：宏块的垃圾回收和坏块检查

在上一篇文章，我们通过走读OceanBase宏块的代码，对其存储格式有了初步的了解，我们知道微块作为读I/O最小单元，宏块是写I/O的最小单元。那我要考考你了，OceanBase的垃圾回收（GC）和坏块检查是以微块还是宏块作为单位呢？答案很明显，就是宏块。因为既然是以宏块为单位写，所以肯定是以宏块为单位进行清理和检查的。和本专题前几篇文章类似，本文主要通过走读相关代码，了解宏块垃圾回收和坏块检查的原理。

注：本文所有的说明及代码都是基于v3.1.0_CE_BP1版本的OceanBase开源代码。

任务调度

OceanBase线程管理是封装好的，支持如下多种不同模式的线程管理：

// deps/oblib/src/lib/thread/thread_mgr.h
enum class TGType {
  INVALID,
  THREAD_POOL,		// 线程池
  OB_THREAD_POOL,	// OB线程池
  TIMER,			// 定时任务
  TIMER_GROUP,		// 定时任务组
  QUEUE_THREAD,		// 队列线程调度
  DEDUP_QUEUE,		// 去重队列调度
  ASYNC_TASK_QUEUE,	// 异步任务队列调度
};

OceanBase宏块的垃圾回收和坏块检查主要采用TIMER定时任务调度，TIMER的主要特点是启动一个后台线程，周期性的对任务进行调度。关于其他的调度方式，后续会单独介绍。

既然采用TIMER调度，那么其调度的时机也很明显，在启动OBServer进程时，就启动了一个后台线程，周期性的进行垃圾回收和坏块检查，代码如下（省略了部分和垃圾回收无关的代码）。

// src/storage/blocksstable/ob_store_file.cpp
int ObStoreFile::open(const bool is_physical_flashback)
{
  int ret = OB_SUCCESS;
  bool is_replay_old = false;

  // 打开StoreFile，并做相关初始化的动作
  ...
  // 执行首次GC
  enable_mark_sweep();
  mark_and_sweep();
  // 启动GC定时任务线程
  // 调度GC的任务
  // 调度坏块检查的任务
  if (OB_FAIL(TG_START(lib::TGDefIDs::StoreFileGC))) {
    STORAGE_LOG(WARN, "The timer has not been inited, ", K(ret));
  } else if (OB_FAIL(TG_SCHEDULE(lib::TGDefIDs::StoreFileGC, gc_task_, RECYCLE_DELAY_US, true))) {
    STORAGE_LOG(WARN, "Fail to schedule gc task, ", K(ret));
  } else if (OB_FAIL(TG_SCHEDULE(lib::TGDefIDs::StoreFileGC, inspect_bad_block_task_, INSPECT_DELAY_US, true))) {
    STORAGE_LOG(WARN, "Fail to schedule bad_block_inspect task, ", K(ret));
  } else {
  // ...
}

垃圾回收和坏块检查线程的生命周期和OBServer进程是一致的，它们都会在ObStoreFile::destroy中停止。

宏块的垃圾回收

宏块垃圾回收的任务定义如下：

// src/storage/blocksstable/ob_store_file.h
// ObTimerTask为定时任务的基类
class ObStoreFileGCTask : public common::ObTimerTask {
public:
  ObStoreFileGCTask();
  virtual ~ObStoreFileGCTask();
  // 继承至ObTimerTask，GC的主要执行函数在：ObStoreFile::mark_and_sweep()
  virtual void runTimerTask() 
  {
    OB_STORE_FILE.mark_and_sweep();
  }
};

ObStoreFile::mark_and_sweep主要逻辑是对所有在用的宏块进行打标，并检查未打标的宏块，将其中ref_cnt_为0的进行垃圾回收。

// src/storage/blocksstable/ob_store_file.cpp

void ObStoreFile::mark_and_sweep()
{
  int ret = OB_SUCCESS;
  MacroBlockId macro_id;
  bool is_freed = false;

  // 检查GC任务的开关
  if (!is_mark_sweep_enabled()) {
    STORAGE_LOG(INFO, "mark and sweep is disabled, do not mark and sweep this round");
  } else {
    // 标识开始进行gc
    set_mark_sweep_doing();

    // 1. 采用bitmap对所有在使用的宏块进行打标
    //   a. data块的打标是通过一个宏块迭代器实现的
    //   b. meta块的打标比较简单，因为可用的meta块是记录在一个数组中的
    // 经过打标之后我们就得到所有有效的宏块的bitmap
    if (OB_FAIL(mark_macro_blocks())) {
      STORAGE_LOG(WARN, "Fail to mark macro blocks, ", K(ret));
    } 

    // 2. 遍历所有的宏块，进行垃圾清理
    begin_time = end_time;
    if (OB_SUCC(ret)) {
      for (int64_t i = 0; i < store_file_system_->get_total_macro_block_count() && is_mark_sweep_enabled(); ++i) {
        if (bitmap_test(i)) {
          // 有效的宏块，做个二次检查
          if (macro_block_info_[i].is_free_) {
            // BUG, should not happen
            STORAGE_LOG(ERROR, "the macro block is freed, ", K(i));
          }
        } else {
          // 无用的宏块，进行GC
          if (0 == ATOMIC_LOAD(&(macro_block_info_[i].ref_cnt_))) {
            // ref为0，即可进行清理
            if (!macro_block_info_[i].is_free_) {
              // 释放宏块
              //   a. 将该宏块信息进行标注：is_free_=true
              //   b. 将该宏块id放入到free_block_array_中，后续进行二次重用
              free_block((uint32_t)i, is_freed);
              // ...
            }
          }
        }
      }
    }
    set_mark_sweep_done();
  }
}

坏块检查

坏块检查任务也会在StoreFileGC线程做，该任务也是一个定时任务，它的定义如下：

class ObFileSystemInspectBadBlockTask : public common::ObTimerTask {
public:
  // 继承至ObTimerTask，主要执行函数在inspect_bad_block
  virtual void runTimerTask()
  {
     inspect_bad_block();
  }
private:
  // 遍历所有的宏块，通过check_macro_block进行宏块检查
  // 由于坏块检查比较耗费资源，inspect_bad_block中也做一些流控逻辑
  void inspect_bad_block();
  // 对某1个宏块进行检查，检查的主要内容有：
  //   a. 宏块id、宏块元数据
  //   b. 通过check_data_block对宏块数据进行深度检查
  int check_macro_block(const ObMacroBlockInfoPair& pair, const storage::ObTenantFileKey& file_key);
  int check_data_block(const MacroBlockId& macro_id, const blocksstable::ObFullMacroBlockMeta& full_meta,
      const storage::ObTenantFileKey& file_key);
private:
  // 工具类，宏块检查主要函数，后面会详细分析
  ObSSTableMacroBlockChecker macro_checker_;
};

坏块检查的代价普遍较高，因为可能需要从磁盘读取所有宏块的内容，并进行checksum校验，会占用大量的CPU、I/O能力，进而影响业务流量。所以，OceanBase的坏块检查支持不同级别的检查，DBA可以根据系统自身的特点，比如磁盘、CPU的具体配置等，选取合适的级别进行坏块检查，支持级别具体如下。

// src/storage/blocksstable/ob_macro_block_checker.h
enum ObMacroBlockCheckLevel {
  CHECK_LEVEL_NOTHING = 0,// 不做坏块检查
  CHECK_LEVEL_MACRO,      // 检查宏块的checksum，如果宏块的checksum不存在直接返回成功
  CHECK_LEVEL_MICRO,      // 检查微块的checksum
  CHECK_LEVEL_ROW,        // 检查每个column的checksum，会遍历每一行的每一列
  CHECK_LEVEL_AUTO,       // 默认的检查级别，如果宏块的checksum存在，就检查宏块，如果宏块的checksum不存在，就检查微块
  CHECK_LEVEL_MAX
};

接下来我们看下ObSSTableMacroBlockChecker的主要内容：

// src/storage/blocksstable/ob_macro_block_checker.h
// note: 该class中的函数是线程不安全的
class ObSSTableMacroBlockChecker {
public:
  // check是宏块检查主要函数，会根据check_level进行不同级别的检查
  // 具体内容的检查见private中的函数
  int check(const char* macro_block_buf, const int64_t macro_block_buf_size, const ObFullMacroBlockMeta& meta,
      ObMacroBlockCheckLevel check_level = CHECK_LEVEL_AUTO);
private:
  // 检查宏块数据buffer的checksum，并和header中checksum中做比较
  int check_macro_buf(
      const ObMacroBlockCommonHeader& common_header, const char* macro_block_buf, const int64_t macro_block_buf_size);
  // 检查宏块数据的header，具体的检查内容包括：
  //   a. check_sstable_data_header：检查sstable数据的header
  //   b. check_lob_data_header：检查log数据的header
  //   c. check_bloomfilter_data_header：检查header中的bloomfilter
  int check_data_header(const ObMacroBlockCommonHeader& common_header, const char* macro_block_buf,
      const int64_t macro_block_buf_size, const ObFullMacroBlockMeta& meta);
  // 检查普通宏块的具体数据，遍历宏块中每一个微块，微块的检查见下面的check_micro_data
  int check_data_block(const char* macro_block_buf, const int64_t macro_block_buf_size,
      const ObFullMacroBlockMeta& meta, const bool need_check_row);
  // 检查LOB宏块的具体数据，包括其中所有的微块
  int check_lob_block(
      const char* macro_block_buf, const int64_t macro_block_buf_size, const ObFullMacroBlockMeta& meta);
  // 检查微块的具体数据，包括其中每一行的每一列的checksum
  int check_micro_data(
      const char* micro_buf, const int64_t micro_buf_size, const ObFullMacroBlockMeta& meta, int64_t* checksum);
  // 检查sstable宏块header
  int check_sstable_data_header(
      const ObMacroBlockCommonHeader& common_header, const char* macro_block_buf, const ObFullMacroBlockMeta& meta);
  // 检查LOB宏块header
  int check_lob_data_header(
      const ObMacroBlockCommonHeader& common_header, const char* macro_block_buf, const ObFullMacroBlockMeta& meta);
  // 检查bloomfilter中的header
  int check_bloomfilter_data_header(
      const ObMacroBlockCommonHeader& common_header, const char* macro_block_buf, const ObFullMacroBlockMeta& meta);
};

总结

相较于宏块、微块的编码来说，宏块的垃圾回收和坏块检查的代码大致逻辑简单易懂，但其中也不乏精巧的细节，比如，垃圾回收中的bitmap的使用和坏块检查中的流控，如果你有兴趣的话可以详细阅读上述代码。我们在下一篇文章会继续阅读sstable的合并、dag的调度等代码，和你一起交流存储技术。