摘要： MySQL8.0对json进行了比较完善的支持, 我们知道json具有比较特殊的存储格式，通常存在多个key value键值对，对于类似更新操作通常不会更新整个json列，而是某些键值。 对于某些复杂的应用，json列的数据可能会变的非常庞大，这时候一个突出的问题是：innodb并不识别json类型，对它而言这些存储统一都是LOB类型，而在之前的版本中Innodb处理LOB更新的方式是标记删除旧记录，并插入新记录，显然这会带来一些存储上的开销(尽管Purge线程会去后台清理)，而写入的redo log和Binlog的量也会偏高，对于超大列，可能会严重影响到性能。

MySQL8.0对json进行了比较完善的支持, 我们知道json具有比较特殊的存储格式，通常存在多个key value键值对，对于类似更新操作通常不会更新整个json列，而是某些键值。

对于某些复杂的应用，json列的数据可能会变的非常庞大，这时候一个突出的问题是：innodb并不识别json类型，对它而言这些存储统一都是LOB类型，而在之前的版本中Innodb处理LOB更新的方式是标记删除旧记录，并插入新记录，显然这会带来一些存储上的开销(尽管Purge线程会去后台清理)，而写入的redo log和Binlog的量也会偏高，对于超大列，可能会严重影响到性能。为了解决这个问题，MySQL8.0引入了LOB列部分更新的策略。

本文仅仅是笔者在理解该特性时做的一些简单的笔记，，记录的主要目的是用于以后如果涉及到相关的工作可以快速展开，因此比较凌乱

目前partial update需要通过JSON_SET, 或者JSON_REPLACE等特定接口来进行json列的更新，并且不是所有的更新都能够满足条件：

没有增加新的元素

空间足够大，可以容纳替换的新值

但类似数据长度(10 =>更新成7=>更新成9)是允许的

下面以json_set更新json列为例来看看相关的关键堆栈

检查是否支持partial update

如上所述，需要指定的json函数接口才能进行partial update

mysql_execute_command

|--> Sql_cmd_dml::execute

|--> Sql_cmd_dml::prepare

|--> Sql_cmd_update::prepare_inner

|---> prepare_partial_update

|-->Item_json_func::supports_partial_update

这里只是做预检查，对于json列的更新如果全部是通过json_set/replace/remove进行的，则将其标记为候选partial update的列(TABLE::mark_column_for_partial_update)， 存储在bitmap结构TABLE::m_partial_update_columns

设置partial update

入口函数：TABLE::setup_partial_update()

在满足某些条件时，需要设置logical diff(用于记录partial update列的binlog，降低binlog存储开销):

binlog_row_value_options设置为"partial_json"

binlog 打开

log_bin_use_v1_row_events关闭

使用row format

然后创建Partial_update_info对象(Table::m_partial_update_info)， 用于存储partial update执行过程中的状态

Table::m_enabled_logical_diff_columns

TABLE::m_binary_diff_vectors

TABLE::m_logical_diff_vectors

创建更新向量

当读入一行记录后，就需要根据sql语句来构建后镜像，而对于partial update所涉及的json列，会做特殊处理：

Sql_cmd_update::update_single_table

|--> fill_record_n_invoke_before_triggers

|-->fill_record

|--> Item::save_in_field

|--> Item_func::save_possibly_as_json

|--> Item_func_json_set_replace::val_json

|--> Json_wrapper::attempt_binary_update

|--> json_binary::Value::update_in_shadow

|--> TABLE::add_binary_diff

json_wrapper::attempt_binary_update ： 做必要的数据类型检查(是否符合partial update的条件)后，计算需要的空间，检查是否有足够的空闲空间Value::has_space()来替换成新值。

Value::update_in_shadow: 进一步将变化的数据存储到binary diff对象中(TABLE::add_binary_diff)，每个Binary_diff对象包含了要修改对象的偏移量，长度以及一个指向新数据的const指针

如下例，摘自函数Value::update_in_shadow的注释，这里提取出来，以便于理解json binary的格式，以及如何产生Binary Diff

创建测试表：

root@test 10:00:45>create table t (a int primary key, b json);

Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

root@test 10:01:06>insert into t values (1, '[ "abc", "def" ]');

Query OK, 1 row affected (0.07 sec)

json数据的存储格式如下：

0x02 - type: small JSON array

0x02 - number of elements (low byte)

0x00 - number of elements (high byte)

0x12 - number of bytes (low byte)

0x00 - number of bytes (high byte)

0x0C - type of element 0 (string)

0x0A - offset of element 0 (low byte)

0x00 - offset of element 0 (high byte)

0x0C - type of element 1 (string)

0x0E - offset of element 1 (low byte)

0x00 - offset of element 1 (high byte)

0x03 - length of element 0

'a'

'b' - content of element 0

'c'

0x03 - length of element 1

'd'

'e' - content of element 1

'f'

更新json列的'abc'为'XY', 则空出一个字节出来:

root@test 10:01:39>UPDATE t SET b = JSON_SET(b, '$[0]', 'XY');

Query OK, 1 row affected (0.01 sec)

Rows matched: 1 Changed: 1 Warnings: 0

此时的存储格式为：

0x02 - type: small JSON array

0x02 - number of elements (low byte)

0x00 - number of elements (high byte)

0x12 - number of bytes (low byte)

0x00 - number of bytes (high byte)

0x0C - type of element 0 (string)

0x0A - offset of element 0 (low byte)

0x00 - offset of element 0 (high byte)

0x0C - type of element 1 (string)

0x0E - offset of element 1 (low byte)

0x00 - offset of element 1 (high byte)

CHANGED 0x02 - length of element 0

CHANGED 'X'

CHANGED 'Y' - content of element 0

(free) 'c'

0x03 - length of element 1

'd'

'e' - content of element 1

'f'

此处只影响到一个element，因此 只有一个binary diff

再执行更新：

UPDATE t SET j = JSON_SET(j, '$[1]', 'XYZW')

第二个element从3个字节更新成4个字节，显然原地没有足够的空间，但可以利用其一个element的剩余空间

0x02 - type: small JSON array

0x02 - number of elements (low byte)

0x00 - number of elements (high byte)

0x12 - number of bytes (low byte)

0x00 - number of bytes (high byte)

0x0C - type of element 0 (string)

0x0A - offset of element 0 (low byte)

0x00 - offset of element 0 (high byte)

0x0C - type of element 1 (string)

CHANGED 0x0D - offset of element 1 (low byte)

0x00 - offset of element 1 (high byte)

0x02 - length of element 0

'X' - content of element 0

'Y' - content of element 0

CHANGED 0x04 - length of element 1

CHANGED 'X'

CHANGED 'Y'

CHANGED 'Z' - content of element 1

CHANGED 'W'

这里会产生两个binary diff，一个更新offset， 一个更新数据

我们再执行一条update，将字符串修改成整数，这种情况下，原来存储字符串offset的位置被更改成了整数，而原来字符串占用的空间变成Unused状态。这里只

UPDATE t SET b= JSON_SET(b, '$[1]', 456)

0x02 - type: small JSON array

0x02 - number of elements (low byte)

0x00 - number of elements (high byte)

0x12 - number of bytes (low byte)

0x00 - number of bytes (high byte)

0x0C - type of element 0 (string)

0x0A - offset of element 0 (low byte)

0x00 - offset of element 0 (high byte)

CHANGED 0x05 - type of element 1 (int16)

CHANGED 0xC8 - value of element 1 (low byte)

CHANGED 0x01 - value of element 1 (high byte)

0x02 - length of element 0

'X' - content of element 0

'Y' - content of element 0

(free) 0x04 - length of element 1

(free) 'X'

(free) 'Y'

(free) 'Z' - content of element 1

(free) 'W

类型从string变成int16，使用之前offset的字段记录int值，而原来string的空间则变成空闲状态， 这里产生一个binary diff。

我们再来看看另外一个相似的函数Value::remove_in_shadow，即通过json_remove从列上移除一个字段，以下样例同样摘自函数的注释：

json列的值为

{ "a": "x", "b": "y", "c": "z" }

存储格式：

0x00 - type: JSONB_TYPE_SMALL_OBJECT

0x03 - number of elements (low byte)

0x00 - number of elements (high byte)

0x22 - number of bytes (low byte)

0x00 - number of bytes (high byte)

0x19 - offset of key "a" (high byte)

0x00 - offset of key "a" (low byte)

0x01 - length of key "a" (high byte)

0x00 - length of key "a" (low byte)

0x1a - offset of key "b" (high byte)

0x00 - offset of key "b" (low byte)

0x01 - length of key "b" (high byte)

0x00 - length of key "b" (low byte)

0x1b - offset of key "c" (high byte)

0x00 - offset of key "c" (low byte)

0x01 - length of key "c" (high byte)

0x00 - length of key "c" (low byte)

0x0c - type of value "a": JSONB_TYPE_STRING

0x1c - offset of value "a" (high byte)

0x00 - offset of value "a" (low byte)

0x0c - type of value "b": JSONB_TYPE_STRING

0x1e - offset of value "b" (high byte)

0x00 - offset of value "b" (low byte)

0x0c - type of value "c": JSONB_TYPE_STRING

0x20 - offset of value "c" (high byte)

0x00 - offset of value "c" (low byte)

0x61 - first key ('a')

0x62 - second key ('b')

0x63 - third key ('c')

0x01 - length of value "a"

0x78 - contents of value "a" ('x')

0x01 - length of value "b"

0x79 - contents of value "b" ('y')

0x01 - length of value "c"

0x7a - contents of value "c" ('z')

将其中的成员$.b移除掉：

UPDATE t SET j = JSON_REMOVE(j, '$.b');

格式为：

0x00 - type: JSONB_TYPE_SMALL_OBJECT

CHANGED 0x02 - number of elements (low byte)

0x00 - number of elements (high byte)

0x22 - number of bytes (low byte)

0x00 - number of bytes (high byte)

0x19 - offset of key "a" (high byte)

0x00 - offset of key "a" (low byte)

0x01 - length of key "a" (high byte)

0x00 - length of key "a" (low byte)

CHANGED 0x1b - offset of key "c" (high byte)

CHANGED 0x00 - offset of key "c" (low byte)

CHANGED 0x01 - length of key "c" (high byte)

CHANGED 0x00 - length of key "c" (low byte)

CHANGED 0x0c - type of value "a": JSONB_TYPE_STRING

CHANGED 0x1c - offset of value "a" (high byte)

CHANGED 0x00 - offset of value "a" (low byte)

CHANGED 0x0c - type of value "c": JSONB_TYPE_STRING

CHANGED 0x20 - offset of value "c" (high byte)

CHANGED 0x00 - offset of value "c" (low byte)

(free) 0x00

(free) 0x0c

(free) 0x1e

(free) 0x00

(free) 0x0c

(free) 0x20

(free) 0x00

0x61 - first key ('a')

(free) 0x62

0x63 - third key ('c')

0x01 - length of value "a"

0x78 - contents of value "a" ('x')

(free) 0x01

(free) 0x79

0x01 - length of value "c"

0x7a - contents of value "c" ('z')

这里会产生两个binary diff，一个用于更新element个数，一个用于更新offset。

从上面的例子可以看到，每个Binary diff表示了一段连续更新的数据，有几段连续更新的数据，就有几个binary diff。 binary diff存储到TABLE::m_partial_update_info->m_binary_diff_vectors中，

写入logical diff

logical diff 主要用于优化写binlog

Sql_cmd_update::update_single_table

|--> fill_record_n_invoke_before_triggers

|-->fill_record

|--> Item::save_in_field

|--> Item_func::save_possibly_as_json

|--> Item_func_json_set_replace::val_json

|-->TABLE::add_logical_diff

新的LOB存储格式

相关代码：

storage/innobase/lob/*, 所有的类和函数定义在namesapce lob下面

从上面的分析可以看到，Server层已经提供了所有修改的偏移量，新数据长度，已经判断好了数据能够原地存储，对于innodb，则须要利用这些信息来实现partial update 。

在展开这个问题之前，我们先来看下innodb针对json列的新格式。从代码中可以看到，为了实现partial update, innodb增加了几种新的数据页格式：

压缩表：

FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FIRST

FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_DATA

FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_INDEX

FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FRAG

FIL_PAGE_TYPE_ZLOB_FRAG_ENTRY

普通表：

FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX

FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA

FIL_PAGE_TYPE_LOB_FIRST

我们知道，传统的LOB列通常是在聚集索引记录内留一个外部存储指针，指向lob存储的page，如果一个page存储不下，就会产生lob page链表。而新的存储格式，则引入了lob index的概念，也就是为所有的lob page建立索引，格式如下：

ref pointer in cluster record

-------

|

FIL_PAGE_TYPE_LOG_FIRST

|

FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX -----------> FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA

|

FIL_PAGE_TYPE_LOB_INDEX -------------> FIL_PAGE_TYPE_LOB_DATA

|

... ....

Note: 本文只讨论非压缩表的场景， 对于压缩表引入了更加复杂的数据类型，以后有空再在本文补上。

ref Pointer格式如下(和之前相比，增加了版本号)

字段 字节数 描述

BTR_EXTERN_SPACE_ID 4 space id

BTR_EXTERN_PAGE_NO 4 第一个 lob page的no

BTR_EXTERN_OFFSET/BTR_EXTERN_VERSION 4 新的格式记录version号

第一个FIL_PAGE_TYPE_LOG_FIRST页面的操作定义在 lob::first_page_t类中格式如下(参考文件: include/lob0first.h lob/lob0first.cc)：

字段 字节数 描述

OFFSET_VERSION 1 表示lob的版本号，当前为0，用于以后lob格式改变做版本区分

OFFSET_FLAGS 1 目前只使用第一个bit，被设置时表示无法做partial update， 用于通知purge线程某个更新操作产生的老版本LOB可以被完全释放掉

OFFSET_LOB_VERSION 4 每个lob page都有个版本号，初始为1，每次更新后递增

OFFSET_LAST_TRX_ID 6

OFFSET_LAST_UNDO_NO 4

OFFSET_DATA_LEN 4 存储在该page上的数据长度

OFFSET_TRX_ID 6 创建存储在该page上的事务id

OFFSET_INDEX_LIST 16 维护lob page链表

OFFSET_INDEX_FREE_NODES 16 维护空闲节点

LOB_PAGE_DATA 存储数据的起始位置，注意第一个page同时包含了lob index 和lob data，但在第一个lob page中只包含了10个lob index记录，每个lob index大小为60字节

除了第一个lob page外，其他所有的lob page都是通过lob index记录来指向的，lob index之间链接成链表，每个index entry指向一个lob page，

普通Lob Page的格式如下

字段 字节数 描述

OFFSET_VERSION 1 lob data version，当前为0

OFFSET_DATA_LEN 4 数据长度

OFFSET_TRX_ID 6 创建该lob page的事务Id

LOB_PAGE_DATA lob data开始的位置

lob index entry的大小为60字节，主要包含如下内容(include/lob0index.h lob/lob0index.cc):

偏移量 字节数 描述

OFFSET_PREV 6 Pointer to the previous index entry

OFFSET_NEXT 6 Pointer to the next index entry

OFFSET_VERSIONS 16 Pointer to the list of old versions for this index entry

OFFSET_TRXID 6 The creator transaction identifier.

OFFSET_TRXID_MODIFIER 6 The modifier transaction identifier

OFFSET_TRX_UNDO_NO 4 the undo number of creator transaction.

OFFSET_TRX_UNDO_NO_MODIFIER 4 The undo number of modifier transaction.

OFFSET_PAGE_NO 4 The page number of LOB data page

OFFSET_DATA_LEN 4 The amount of LOB data it contains in bytes.

OFFSET_LOB_VERSION 4 The LOB version number to which this index entry belongs.

从index entry的记录格式我们可以看到 两个关键信息：

对lob page的修改会产生新的lob page(“lob::replace()”) 和新的lob index entry

lob page no及其数据长度，据此我们可以根据修改的数据在json column里的offset，通过lob index快速的定位到其所在的lob page

每个lob page的版本号: 为了实现mvcc多版本，用户线程先从undo log中找到对应版本的clust record，找出其中存储的版本号v1，然后在扫描lob index时，如index entry中记录的版本号<= v1，则是可见的，如果> v1, 那么就需要根据OFFSET_VERSIONS链表，找到对应版本的index entry，并

根据这个老的Index entry找到对应的lob page, 如下所示：

EXTERN REF (v2)

|

LOB IDX ENTRY (v1)

|

LOB IDX ENTRY(v2) -----> LOB IDX ENTRY(v1)

|

LOG IDX ...(v1)

多版本读判断参考函数 'lob::read'

lob更新lob::update: 根据binary diff，依次replace

Note： 不是所有的lob数据都需要partial update, 额外的lob index同样会带来存储开销，因此定义了一个threshold(ref_t::LOB_BIG_THRESHOLD_SIZE)，超过2个page才去做partial update; 另外row_format也要确保lob列不存储列前缀到clust index ( ref btr_store_big_rec_extern_fields)

写入binlog

在更新完一行后，对应的变更需要打包到线程的cache中(THD::binlog_write_row() --> pack_row())， 这时候要对partial update进行特殊处理，需要设置特定选项:

binlog_row_image = MINIMAL;

binlog_row_value_options=PARTIAL_JSON

如上例第一个update产生的binlog如下：

UPDATE t SET b = JSON_SET(b, '$[0]', 'XY');

binlog:

'/*!*/;

### UPDATE `test`.`t`

### WHERE

### @1=1 /* INT meta=0 nullable=0 is_null=0 */

### SET

### @2=JSON_REPLACE(@2, '$[0]', 'XY') /* JSON meta=4 nullable=1 is_null=0 */

由于存在主键，因此前镜像只记录了主键值，而后镜像也只记录了需要更新的列的内容，对于超大Json列，binlog上的开销也是极小的，考虑到binlog通常会成为性能瓶颈点，预计这一特性会带来不错的吞吐量提升

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