mongodb内核源码实现、性能调优、最佳运维实践系列-Mongodb write写(增、删、改)模块设计与实现
Mongodb write写(增、删、改)模块源码实现
前面的《transport_layer网络传输层模块源码实现》和《command命令处理模块源码实现》详细的分析了mongodb内核网络数据收发过程以及命令解析处理的整个过程，本文将继续分析该系列的第三个子模块-《write写(增、删、改)模块源码实现》。
关于作者
前滴滴出行技术专家，现任OPPO文档数据库mongodb负责人，负责数万亿级数据量文档数据库mongodb内核研发、性能优化及运维工作，一直专注于分布式缓存、高性能服务端、数据库、中间件等相关研发。后续持续分享《MongoDB内核源码设计、性能优化、最佳运维实践》，Github账号地址:https://github.com/y123456yz
序言
本文是oschina专栏《mongodb 源码实现、调优、最佳实践系列》的第19篇文章，其他文章可以参考如下链接：
Qcon-万亿级数据库 MongoDB 集群性能数十倍提升及机房多活容灾实践
Qcon 现代数据架构 -《万亿级数据库 MongoDB 集群性能数十倍提升优化实践》核心 17 问详细解答
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[图、文、码配合分析]-Mongodb write 写 (增、删、改) 模块设计与实现
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- write写模块与command命令处理模块衔接回顾
上面两图是command命令处理模块的大体流程，最终经过command模块处理后，会执行对应的命令run接口，本文要分析的write模块也将从本入口入手。增、删、改三个最基本的写操作对应的命令入口如下表：
mongodb内核write模块主要由如下目录代码实现：
下面章节将分析增删改操作的详细内核实现流程，注意包括请求序列化解析存储、insert写入流程、update更新计划执行器、delete删除计划执行器等。
2. 增、删、改序列化解析及结构化统一存储
本章节详细分析增、删、改三个操作的序列化解析及结构化统一存储核心实现过程。
2.1 增删改写入操作语法及其主要含义说明
- insert插入语法及说明
insert主要完成数据的写入操作，其命令语法如下：
1.{
2. insert: <collection>,
3. documents: [ <document>, <document>, <document>, ... ],
4. ordered: <boolean>,
5. writeConcern: { <write concern> },
6. bypassDocumentValidation: <boolean>
7.}
insert操作主要由五个字段类型组成，具体字段功能说明如下：
- update更新语法及说明
update操作实现数据更新操作，其命令语法如下：
1.{
2. update: <collection>,
3. updates: [
4. { q: <query>, u: <update>, upsert: <boolean>, multi: <boolean>,
5. collation: <document>, arrayFilters: <array> },
6. { q: <query>, u: <update>, upsert: <boolean>, multi: <boolean>,
7. collation: <document>, arrayFilters: <array> },
8. { q: <query>, u: <update>, upsert: <boolean>, multi: <boolean>,
9. collation: <document>, arrayFilters: <array> },
10. ...
11. ],
12. ordered: <boolean>,
13. writeConcern: { <write concern> },
14. bypassDocumentValidation: <boolean>
15.}
上述语法各字段功能说明如表：
- delete更新语法及说明
delete删除操作对应语法如下：
1.{
2. delete: <collection>,
3. deletes: [
4. { q : <query>, limit : <integer>, collation: <document> },
5. { q : <query>, limit : <integer>, collation: <document> },
6. { q : <query>, limit : <integer>, collation: <document> },
7. ...
8. ],
9. ordered: <boolean>,
10. writeConcern: { <write concern> }
11.}
如上，delete语法各个字段功能说明如下：
2.2 增、删、改序列化解析
2.2.1 增、删、改核心数据结构
从上面的insert、delete、update语法可以看出，这三个操作有一部分字段名是一样的，内核在代码实现的时候也重复利用了这一特定，把这部分成员抽象为公共类，不同的字段则在各自操作类中封装。
最终，三个操作的字段信息通过公用类WriteCommandBase和各自私有类Insert、Update、Delete保持及解析封装。如下图所示：
公共基类由WriteCommandBase类实现，如下：
1.class WriteCommandBase {
2.public:
3. //基类接口
4. ......
5. //mongodb字段验证规则（schema validation）
6. bool _bypassDocumentValidation{false};
7. //一次对多条数据进行插入或者删除或者更新的时候，前面的数据操作失败，是否继续后面的操作
8. bool _ordered{true};
9. //事务相关，等4.2版本回头分析
10. boost::optional<std::vector<std::int32_t>> _stmtIds;
11.}
Insert类包含WriteCommandBase类成员，同时包括Insert操作对应的私有成员信息，如下：
1.class Insert {
2.public:
3. ......
4. //也就是db.collection
5. NamespaceString _nss;
6. //公共结构信息
7. WriteCommandBase _writeCommandBase;
8. //真正的文档在这里documents
9. std::vector<mongo::BSONObj> _documents;
10. //库信息
11. std::string _dbName;
12. //是否有documents
13.}
delete删除操作对应Delete类核心成员信息如下：
1.class Delete {
2.public:
3. ......
4. //DB.COLLECTION信息
5. NamespaceString _nss;
6. WriteCommandBase _writeCommandBase;
7. //具体的delete内容在这里
8. std::vector<DeleteOpEntry> _deletes;
9.}
update更新操作对应的Update类核心成员信息如下:
1.class Update {
2.public:
3. ......
4. //db.collection信息，也就是库.表信息
5. NamespaceString _nss;
6. WriteCommandBase _writeCommandBase;
7. //需要更新的具体内容在该成员中
8. std::vector<UpdateOpEntry> _updates;
}
上面的类结构中，_documents、_deletes、_updates三个成员分别对应增、删、改操作的集体操作信息，都是数组类型，可以一次进行多条数据操作。
2.2.2 增、删、改解析过程
增删改三个操作对应三个不同的类，由这三个类来完成各自操作的协议解析及封装，整体代码实现大同小异，本文只分析insert解析及封装过程，主要代码实现如下:
1.Insert Insert::parse(const IDLParserErrorContext& ctxt, const BSONObj& bsonObject) {
2. ......
3. //调用Insert::parseProtected
4. object.parseProtected(ctxt, bsonObject);
5. return object;
6.}
7.
8.void Insert::parseProtected(...)
9.{
10. //解析出insert类的对应成员信息
11. for (const auto& element :request.body) {
12. const auto fieldName = element.fieldNameStringData();
13.
14. //解析bypassDocumentValidation信息
15. if (fieldName == kBypassDocumentValidationFieldName) {
16. ......
17. }
18. //解析ordered信息
19. else if (fieldName == kOrderedFieldName) {
20. ......
21. }
22. //解析stmtIds信息
23. else if (fieldName == kStmtIdsFieldName) {
24. ......
25. }
26. //解析需要插入的文档信息
27. else if (fieldName == kDocumentsFieldName) {
28. //解析的文档保持到_documents数组
29. _documents = std::move(values);
30. }
31. //解析db名
32. else if (fieldName == kDbNameFieldName) {
33. ......
34. }
35. ......
36. }
37. //从request中解析出_writeCommandBase基础成员内容
38. _writeCommandBase = WriteCommandBase::parse(ctxt, request.body);
39.
40. ......
41. //根据db+collection构造出db.collection字符串
42. _nss = ctxt.parseNSCollectionRequired(_dbName, commandElement);
43.}
和insert操作类似，update和delete操作的解析过程与insert流程一样比较简单，因此不在分析。
最终，所有解析出的数据保存到各自类中，总结如下图所示：
此外，增删改操作的序列化封装由write_ops_gen.cpp中的Insert::serialize()、Update::serialize()、Delete::serialize()完成，主要根据各自类完成Bson统一封装，整个实现过程比较简单，这里不在详细分析。
增删改接口解析及序列化相关几个核心接口功能说明如下：
注意：在insert、update、delete中还有如下一个细节，为何不见writeConcern相关成员存储？原因是writeConcern解析放到了外层runCommandImpl中通过setWriteConcern()保持到该请求对应得opCtx操作上下文中。
3. Insert数据写操作核心实现
insert处理和command命令处理模块通过CmdInsert::runImpl()衔接，该接口代码实现如下：
1.//插入文档会走这里面 CmdInsert::runImpl
2.void runImpl(...) final {
3. //从request中解析出write_ops::Insert类成员信息
4. const auto batch = InsertOp::parse(request);
5. const auto reply = performInserts(opCtx, batch);
6. ......
7.}
InsertOp::parse()在前面章节已经分析，主要完成数据的统一解析存储。insert请求解析存储到write_ops::Insert类后，开始调用performInserts(...)处理。在该接口中完成如下流程：分批数据组装、批量数据写入、事务封装、写入存储引擎等。
3.1 数据分批组装
由于inset一次可以插入多条数据，为了最大化满足性能要求，当写入数据很多的时候，mongodb内核通过把这些数据按照指定规则拆分到多个batch中，这样每个batch代表一批数据，然后进行统一处理。分批数据组装拆分过程核心代码实现如下:
1.//数据分批写入核心代码实现
2.WriteResult performInserts(OperationContext* opCtx, const write_ops::Insert& wholeOp) {
3. .......
4. //写入数据成功后的会掉处理
5. //主要完成表级tps及时延统计
6. ON_BLOCK_EXIT([&] {
7. //performInserts执行完成后调用，记录执行结束时间
8. curOp.done();
9. //表级tps及时延统计
10. Top::get(opCtx->getServiceContext())
11. .record(...);
12.
13. });
14.
15. ......
16. size_t bytesInBatch = 0;
17. //batch数组
18. std::vector<InsertStatement> batch;
19. //默认64,可以通过db.adminCommand( { setParameter: 1, internalInsertMaxBatchSize:xx } )配置
20. const size_t maxBatchSize = internalInsertMaxBatchSize.load();
21. //当写入的数据小于64时，也就是一个batch即可一起处理
22. //batch最大限制为写入数据大于64或者batch中总字节数超过256K
23. batch.reserve(std::min(wholeOp.getDocuments().size(), maxBatchSize));
24. for (auto&& doc : wholeOp.getDocuments()) {
25. ......
26. //doc检查，例如是否嵌套过多，是否一个doc带有多个_id等
27. auto fixedDoc = fixDocumentForInsert(opCtx->getServiceContext(), doc);
28. //如果这个文档检测有异常，则跳过这个文档，进行下一个文档操作
29. if (!fixedDoc.isOK()) {
30. //啥也不做，直接忽略该doc
31. } else {
32. //事务相关，先忽略，以后会回头专门分析事务
33. const auto stmtId = getStmtIdForWriteOp(opCtx, wholeOp, stmtIdIndex++);
34. ......
35. //把文档插入到batch数组
36. BSONObj toInsert = fixedDoc.getValue().isEmpty() ? doc : std::move(fixedDoc.getValue());
37. batch.emplace_back(stmtId, toInsert);
38. bytesInBatch += batch.back().doc.objsize();
39. //这里continue，就是为了把批量插入的文档组成到一个batch数组中，到达一定量一次性插入
40. //batch里面一次最多插入64个文档或者总字节数256K，则后续的数据拆分到下一个batch
41. if (!isLastDoc && batch.size() < maxBatchSize && bytesInBatch < insertVectorMaxBytes)
42. continue; // Add more to batch before inserting.
43. }
44.
45. //把本batch中的数据交由该接口统一处理
46. bool canContinue = insertBatchAndHandleErrors(opCtx, wholeOp, batch, &lastOpFixer, &out);
47. //清空batch，开始下一轮处理
48. batch.clear();
49. bytesInBatch = 0;
50. ......
51.}
上面的代码可以总结为以下图形：
说明，上面假设64条数据总大小不超过256KB的batch图，如果64条doc文档数据总大小超过256kb，这时候阀值则以总数据256K为限制。单个batch最大上限限制条件如下：
- 最多64个doc文档数据。
- 单个batch总数据长度不超过256Kb。
3.2 batch数据事务写入流程及其异常补偿机制
一批数据通过分批拆分存入多个batch后，调用insertBatchAndHandleErrors()接口来完成单个batch的数据写入。整个batch数据写入可以在一个transaction事务完成，也可以一条数据一个事务来完成写入，具体核心代码实现如下:
1.bool insertBatchAndHandleErrors(...) {
2. ......
3. try {
4. //如果对应collection不存在则创建
5. acquireCollection(); //执行上面定义的函数
6. //如果collection不是固定capped集合，并且batch中数据大于一条
7. //则试着在一个事务中一次性写入所有的数据
8. if (!collection->getCollection()->isCapped() && batch.size() > 1) {
9. ......
10. //为什么这里没有检查返回值？默认全部成功？ 实际上通过try catch获取到异常后，再后续改为一条一条插入
11. insertDocuments(opCtx, collection->getCollection(), batch.begin(), batch.end());
12. //insert统计计数及返回值赋值
13. globalOpCounters.gotInserts(batch.size());
14. ......
15. std::fill_n(std::back_inserter(out->results), batch.size(), std::move(result));
16. curOp.debug().ninserted += batch.size();
17. //一个事务写入多个doc成功，直接返回
18. return true;
19. }
20. } catch (const DBException&) { //批量写入失败，则后面一条一条的写
21. collection.reset();
22. //注意这里没有return，在后续一条一个事务写入
23. }
24.
25. //这里循环解析batch，实现一条数据一个在一个事务中处理
26. for (auto it = batch.begin(); it != batch.end(); ++it) {
27. globalOpCounters.gotInsert(); //insert操作计数
28. try {
29. //log() << "yang test ............getNamespace().ns():" << wholeOp.getNamespace().ns();
30. //writeConflictRetry里面会执行{}中的函数体
31. writeConflictRetry(opCtx, "insert", wholeOp.getNamespace().ns(), [&] {
32. try {
33. ......
34. //把该条文档插入
35. insertDocuments(opCtx, collection->getCollection(), it, it + 1);
36. //统计计数处理
37. SingleWriteResult result;
38. result.setN(1);
39. out->results.emplace_back(std::move(result));
40. curOp.debug().ninserted++;
41. } catch (...) {
42. ......
43. }
44. });
45. } catch (const DBException& ex) {//写入异常
46. //注意这里，如果失败是否还可以继续后续数据的写入
47. bool canContinue =
48. handleError(opCtx, ex, wholeOp.getNamespace(), wholeOp.getWriteCommandBase(), out);
49. if (!canContinue)
50. return false; //注意这里直接退出循环，也就是本批次数据后续数据没有写入了
51. }
52. }
53.
54. return true;
55.}
一批batch数据(假设64条)写入过程，如果不是capped固定集合，则这64条数据首先放入一个transaction事务中完成写入。如果写入异常，则继续一个事务一条数据写入。数据放入事务执行流程如下:
1.void insertDocuments(OperationContext* opCtx,
2. Collection* collection,
3. std::vector<InsertStatement>::iterator begin,
4. std::vector<InsertStatement>::iterator end)
5. //事务开始
6. WriteUnitOfWork wuow(opCtx);
7. ......
8. //把数组begin到end之间的所有doc文档数据放入该事务中
9. uassertStatusOK(collection->insertDocuments(
10. opCtx, begin, end, &CurOp::get(opCtx)->debug(), /*enforceQuota*/ true));
11. //事务结束
12. wuow.commit(); //WriteUnitOfWork::commit
13.}
到这里后，insert操作在write模块中的流程就结束了，后续的doc写入流程存储引擎将交由storage模块实现。
上面的核心代码分析可以总结为如下总结：
当这个batch中的数据放入同一个事务执行失败后，则改为一条一个事务循环处理，如下图所示：
3.3 中间数据写入异常如何处理
假设一个batch数据64条数据，如果第23条数据写入失败了，后续的第24-64条数据是否需要继续写入，这就是本章节需要分析的问题。mongodb内核实现的时候通过handleError()接口判断是否需要继续写入，该接口代码如下：
1.//前面数据写入失败，是否可以继续后续数据写入
2.bool handleError(...) {
3. ......
4.
5. //判断是什么原因引起的异常，从而返回不同的值
6. //如果是isInterruption错误，直接返回true,意思是不需要后续数据写入
7. if (ErrorCodes::isInterruption(ex.code())) {
8. //如果是interrupt异常，则整批数据写失败，也就是不进行后续数据写入
9. throw; // These have always failed the whole batch.
10. }
11.
12. ......
13. //如果ordered为false则忽略这条写入失败的数据，继续后续数据写入
14. return !wholeOp.getOrdered();
15.}
从上面的代码可以看出，只要出现以下异常情况，就不可继续后续数据insert写入操作了，如下：
- Interruption错误：包括Interrupted、InterruptedAtShutdown、ExceededTimeLimit、InterruptedDueToReplStateChange四种异常，其他异常情况可以继续写入。
- ordered参数配置为false: 如果该配置为false则遇到异常不继续处理后续doc写入。
写入异常后是否继续写总结如下图所示：
3.4 后续
通过前面的分析可以得出，mongodb内核把多条doc文档按照指定限制把文档封装到不同batch中，然后一个batch一个batch分批处理。最终，这些batch对应数据将会通过mongodb内核的storage存储模块来完成insert事务处理，最终在CollectionImpl::insertDocuments()实现。
Insert写入流程核心接口调用关系图如下：
说明：数据如何组装存入wiredtiger存储引擎将在后续《storage存储模块源码实现》中详细分析。
4. delete删除操作核心实现
delete数据删除通过命令处理模块中的CmdDelete::runImpl(...) ->performDeletes接口完成和write写模块delete操作对接，下面我们分析该接口核心代码实现，如下：
1.WriteResult performDeletes(...)
2.{
3. ......
4.
5. //singleOp类型为DeleteOpEntry write_ops::Delete::getDeletes
6. for (auto&& singleOp : wholeOp.getDeletes()) {
7. //事务相关，先跳过，以后相关章节专门分析
8. const auto stmtId = getStmtIdForWriteOp(opCtx, wholeOp, stmtIdIndex++);
9. ......
10.
11. //该函数接口执行完后执行该finishCurOp
12. //finishCurOp实现表级QPS及时延统计 本op操作的慢日志记录等
13. ON_BLOCK_EXIT([&] { finishCurOp(opCtx, &curOp); });
14. try {
15. lastOpFixer.startingOp();
16. out.results.emplace_back(
17. //该delete op操作真正执行在这里，singleOp类型为DeleteOpEntry
18. performSingleDeleteOp(opCtx, wholeOp.getNamespace(), stmtId, singleOp));
19. lastOpFixer.finishedOpSuccessfully();
20. } catch (const DBException& ex) {
21. ......
22. }
23.
24. return out;
}
从上面代码分析可以看出，如果wholeOp携带有多个DeleteOpEntry(也就是singleOp )操作，则循环对singleOp 进行处理，这个处理过程由performSingleDeleteOp(...)接口实现，具体如下:
performSingleDeleteOp(...)接口核心代码实现如下：
1.static SingleWriteResult performSingleDeleteOp(...) {
2. ......
3.
4. //根据ns构造DeleteReques
5. //根据请求相关信息初始化赋值DeleteRequest
6. DeleteRequest request(ns);
7. request.setQuery(op.getQ());
8. request.setCollation(write_ops::collationOf(op));
9. request.setMulti(op.getMulti());
10. request.setYieldPolicy(PlanExecutor::YIELD_AUTO); // ParsedDelete overrides this for $isolated.
11. request.setStmtId(stmtId);
12.
13. //根据DeleteRequest构造ParsedDelete
14. ParsedDelete parsedDelete(opCtx, &request);
15. //从request解析出对应成员存入parsedDelete
16. uassertStatusOK(parsedDelete.parseRequest());
17. //检查该请求是否已经被kill掉了
18. opCtx->checkForInterrupt();
19.
20. ......
21. //写必须走主节点判断及版本判断
22. assertCanWrite_inlock(opCtx, ns);
23.
24. //从查询引擎中获取delete执行器
25. auto exec = uassertStatusOK(
26. getExecutorDelete(opCtx, &curOp.debug(), collection.getCollection(), &parsedDelete));
27.
28. {
29. stdx::lock_guard<Client> lk(*opCtx->getClient());
30. CurOp::get(opCtx)->setPlanSummary_inlock(Explain::getPlanSummary(exec.get()));
31. }
32.
33. //运行该执行器
34. uassertStatusOK(exec->executePlan());
35.
36. //下面流程是记录各种统计信息
37. long long n = DeleteStage::getNumDeleted(*exec);
38. curOp.debug().ndeleted = n;
39.
40. PlanSummaryStats summary;
41. //获取执行器运行过程中的各种统计信息
42. Explain::getSummaryStats(*exec, &summary);
43. if (collection.getCollection()) {
44. collection.getCollection()->infoCache()->notifyOfQuery(opCtx, summary.indexesUsed);
45. }
46. curOp.debug().setPlanSummaryMetrics(summary);
47. //统计信息序列化
48. if (curOp.shouldDBProfile()) {
49. BSONObjBuilder execStatsBob;
50. Explain::getWinningPlanStats(exec.get(), &execStatsBob);
51. curOp.debug().execStats = execStatsBob.obj();
52. }
53.
54. ......
55. return result;
56.}
该接口最核心的部分为获取delete执行器并运行，执行器由query查询引擎模块实现，因此getExecutorDelete(...)获取delete执行器及其运行过程具体实现流程将在后续《query查询引擎模块实现原理》章节详细分析，这里暂时跳过这一逻辑。write模块中delete操作主要接口调用流程如下：
5. update更新操作核心实现
update数据更新操作过程和delete操作过程类似，这里不在累述，其核心接口调用流程如下图所示：
6. 下期预告
下期将分析《storage存储模块源码实现》，storage模块分析完成后将分析mongodb最复杂的《query查询引擎源码实现》，敬请关注。
