摘要： MySQL到ClickHouse数据同步原理及实践
引言
熟悉MySQL的朋友应该都知道，MySQL集群主从间数据同步机制十分完善。令人惊喜的是，ClickHouse作为近年来炙手可热的大数据分析引擎也可以挂载为MySQL的从库，作为MySQL的 "协处理器" 面向OLAP场景提供高效数据分析能力。早先的方案比较直截了当，通过第三方插件将所有MySQL上执行的操作进行转化，然后在ClickHouse端逐一回放达到数据同步。终于在2020年下半年，Yandex 公司在 ClickHouse 社区发布了MaterializeMySQL引擎，支持从MySQL全量及增量实时数据同步。MaterializeMySQL引擎目前支持 MySQL 5.6/5.7/8.0 版本，兼容 Delete/Update 语句，及大部分常用的 DDL 操作。
基础概念
- MySQL & ClickHouse
MySQL一般特指完整的MySQL RDBMS，是开源的关系型数据库管理系统，目前属于Oracle公司。MySQL凭借不断完善的功能以及活跃的开源社区，吸引了越来越多的企业和个人用户。
ClickHouse是由Yandex公司开源的面向OLAP场景的分布式列式数据库。ClickHouse具有实时查询，完整的DBMS及高效数据压缩，支持批量更新及高可用。此外，ClickHouse还较好地兼容SQL语法并拥有开箱即用等诸多优点。
- Row Store & Column Store
MySQL存储采用的是Row Store，表中数据按照 Row 为逻辑存储单元在存储介质中连续存储。这种存储方式适合随机的增删改查操作，对于按行查询较为友好。但如果选择查询的目标只涉及一行中少数几个属性，Row 存储方式也不得不将所有行全部遍历再筛选出目标属性，当表属性较多时查询效率通常较低。尽管索引以及缓存等优化方案在 OLTP 场景中能够提升一定的效率，但在面对海量数据背景的 OLAP 场景就显得有些力不从心了。
ClickHouse 则采用的是 Column Store，表中数据按照Column为逻辑存储单元在存储介质中连续存储。这种存储方式适合采用 SIMD (Single Instruction Multiple Data) 并发处理数据，尤其在表属性较多时查询效率明显提升。列存方式中物理相邻的数据类型通常相同，因此天然适合数据压缩从而达到极致的数据压缩比。
使用方法
- 部署Master-MySQL
开启BinLog功能：ROW模式
开启GTID模式：解决位点同步时MySQL主从切换问题（BinLog reset导致位点失效）
- 部署Slave-ClickHouse
获取 ClickHouse/Master 代码编译安装
推荐使用GCC-10.2.0，CMake 3.15，ninja1.9.0及以上
- 创建Master-MySQL中database及table
- 创建 Slave-ClickHouse 中 MaterializeMySQL database
此时可以看到ClickHouse中已经有从MySQL中同步的数据了：
工作原理
- BinLog Event
MySQL中BinLog Event主要包含以下几类：
事务提交后，MySQL 将执行过的 SQL 处理 BinLog Event，并持久化到 BinLog 文件
ClickHouse通过消费BinLog达到数据同步，过程中主要考虑３个方面问题：
1、DDL兼容：由于ClickHouse和MySQL的数据类型定义有区别，DDL语句需要做相应转换
2、Delete/Update 支持：引入_version字段，控制版本信息
3、Query 过滤：引入_sign字段，标记数据有效性
- DDL操作
对比一下MySQL的DDL语句以及在ClickHouse端执行的DDL语句：
可以看到：
1、在DDL转化时默认增加了2个隐藏字段：_sign(-1删除, 1写入) 和 _version(数据版本)
2、默认将表引擎设置为 ReplacingMergeTree，以 _version 作为 column version
3、原DDL主键字段 runoob_id 作为ClickHouse排序键和分区键
此外还有许多DDL处理，比如增加列、索引等，相应代码在Parsers/MySQL 目录下。
- Delete/Update操作
Update：
可以看到，ClickHouse数据也实时同步了更新操作。
- Delete:
可以看到，删除id为2的行只是额外插入了_sign == -1的一行记录，并没有真正删掉。
- 日志回放
MySQL 主从间数据同步时Slave节点将 BinLog Event 转换成相应的SQL语句，Slave 模拟 Master 写入。类似地，传统第三方插件沿用了MySQL主从模式的BinLog消费方案，即将 Event 解析后转换成 ClickHouse 兼容的 SQL 语句，然后在 ClickHouse 上执行（回放），但整个执行链路较长，通常性能损耗较大。不同的是，MaterializeMySQL 引擎提供的内部数据解析以及回写方案隐去了三方插件的复杂链路。回放时将 BinLog Event 转换成底层 Block 结构，然后直接写入底层存储引擎，接近于物理复制。此方案可以类比于将 BinLog Event 直接回放到 InnoDB 的 Page 中。
同步策略
- 日志回放
v20.9.1版本前是基于位点同步的，ClickHouse每消费完一批 BinLog Event，就会记录 Event 的位点信息到 .metadata 文件:
这样当 ClickHouse 再次启动时，它会把 {‘mysql-bin.000003’, 355005999} 二元组通过协议告知 MySQL Server，MySQL 从这个位点开始发送数据：
存在问题：
如果MySQL Server是一个集群，通过VIP对外服务，MaterializeMySQL创建 database 时 host 指向的是VIP，当集群主从发生切换后，{Binlog File, Binlog Position} 二元组不一定是准确的，因为BinLog可以做reset操作。
为了解决这个问题，v20.9.1版本后上线了 GTID 同步模式，废弃了不安全的位点同步模式。
- GTID同步
GTID模式为每个 event 分配一个全局唯一ID和序号，直接告知 MySQL 这个 GTID 即可，于是.metadata变为:
其中 0857c24e-4755-11eb-888c-00155dfbdec7 是生成 Event的主机UUID，1-783是已经同步的event区间
于是流程变为:
源码分析
- 概述
在最新源码 (v20.13.1.1) 中，ClickHouse 官方对 DatabaseMaterializeMySQL 引擎的相关源码进行了重构，并适配了 GTID 同步模式。ClickHouse 整个项目的入口 main 函数在 /ClickHouse/programs/main.cpp 文件中，主程序会根据接收指令将任务分发到 ClickHouse/programs 目录下的子程序中处理。本次分析主要关注 Server 端 MaterializeMySQL 引擎的工作流程。
- 源码目录
与 MaterializeMySQL 相关的主要源码路径：
- 服务端主要流程
ClickHouse 使用 POCO 网络库处理网络请求，Client连接的处理逻辑在 ClickHouse/src/Server/*Handler.cpp 的 hander方法里。以TCP为例，除去握手，初始化上下文以及异常处理等相关代码，主要逻辑可以抽象成:
- 数据同步预处理
Client发送的SQL在executeQuery函数处理，主要逻辑简化如下：
主要有三点：
1、解析SQL语句并生成语法树 AST
2、InterpreterFactory 工厂类根据 AST 生成执行器
3、interpreter->execute()
跟进第三点，看看 InterpreterCreateQuery 的 excute() 做了什么：
这里注释很明显，主要执行 CREATE 或 ATTACH DATABASE，继续跟进 createDatabase() 函数：
到这里，相当于将任务分发给DatabaseMaterializeMySQL处理，接着跟踪 loadStoredObjects 函数：
跟进startSynchronization() 绑定的执行函数：
- 全量同步
MaterializeMySQLSyncThread::prepareSynchronized 负责DDL和全量同步，主要流程简化如下：
ClickHouse作为MySQL从节点，在MaterializeMetadata构造函数中对MySQL端进行了一系列预处理：
1、将打开的表关闭，同时对表加上读锁并启动事务
2、TablesCreateQuery通过SHOW CREATE TABLE 语句获取MySQL端的建表语句
3、获取到建表语句后释放表锁
继续往下走，执行到 metadata.transaction() 函数，该调用传入了匿名函数作为参数，一直跟进该函数会发现最终会执行匿名函数，也就是cleanOutdatedTables以及dumpDataForTables函数，主要看一下 dumpDataForTables 函数：
继续跟踪 tryToExecuteQuery 函数，会调用到 executeQueryImpl() 函数，上文提到过这个函数，但这次我们的上下文信息变了，生成的执行器发生变化，此时会进行 DDL 转化以及 dump table 等操作：
此时 InterpreterFactory 返回 InterpreterExternalDDLQuery，跟进去看 execute 函数做了什么：
继续跟进去看看 getIdentifierName(arguments[1])).execute() 做了什么事情：
进一步看 InterpreterImpl::getRewrittenQueries 是怎么转化 DDL 的：
完成DDL转换之后就会去执行新的DDL语句，完成建表操作，再回到 dumpDataForTables：
- 增量同步
还记得startSynchronization() 绑定的执行函数吗？全量同步分析都是在 prepareSynchronized()进行的，那增量更新呢？
可以看到，while 语句里有一个 binlog_event 的侦听函数，用来侦听 MySQL 端 BinLog 日志变化，一旦 MySQL 端执行相关操作，其 BinLog 日志会更新并触发 binlog_event，增量更新主要在这里进行。
小结
MaterializeMySQL 引擎是 ClickHouse 官方2020年主推的特性，由于该特性在生产环境中属于刚需且目前刚上线不久，整个模块处于高速迭代的状态，因此有许多待完善的功能。例如复制过程状态查看以及数据的一致性校验等。感兴趣的话可参考Github上的2021-Roadmap，里面会更新一些社区最近得计划。以上内容如有理解错误还请指正。
引用
ClickHouse社区文档
MySQL实时复制与实现
本文分享自华为云社区《MySQL到ClickHouse的高速公路-MaterializeMySQL引擎》，原文作者：FavonianKong 。