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使用 eBPF 跟踪 MySQL 查询

MySQL 是全球最广泛使用的关系型数据库管理系统之一。无论您是在运行小型应用程序还是大型企业系统，了解 MySQL 数据库的性能特征都至关重要。特别是了解 SQL 查询的执行时间以及哪些查询占用了最多的时间，有助于诊断性能问题，并优化数据库以提高效率。

在这种情况下，eBPF（扩展的伯克利包过滤器）可以派上用场。eBPF 是一项强大的技术，它允许您编写程序并在 Linux 内核中运行，帮助您跟踪、监控和分析系统行为的各个方面，包括 MySQL 这类应用程序的性能。在本文中，我们将探讨如何使用 eBPF 跟踪 MySQL 查询，测量其执行时间，并深入了解数据库的性能表现。

背景：MySQL 和 eBPF

MySQL

MySQL 是一种关系型数据库管理系统（RDBMS），使用结构化查询语言（SQL）来管理和查询数据。它广泛应用于各种场景，从 Web 应用程序到数据仓库。MySQL 的性能对应用程序的整体性能至关重要，尤其是在处理大数据集或复杂查询时。

eBPF

eBPF 是一项允许在 Linux 内核中执行自定义程序的技术，而无需修改内核源代码或加载内核模块。eBPF 最初是为网络数据包过滤而设计的，但现在已经发展为一个多用途的工具，可用于性能监控、安全和调试。eBPF 程序可以附加到各种内核和用户空间事件上，使得我们能够跟踪函数、系统调用等的执行。

使用 eBPF，我们可以跟踪 MySQL 的某些函数，例如负责处理 SQL 查询的 dispatch_command 函数。通过跟踪该函数，我们可以捕获查询执行的开始和结束时间，测量延迟，并记录执行的查询。

MySQL 查询

要使用 eBPF 跟踪 MySQL 查询，我们可以编写一个使用 bpftrace 的脚本，bpftrace 是一种 eBPF 的高级跟踪语言。以下是一个跟踪 MySQL 中 dispatch_command 函数的脚本，用于记录执行的查询并测量其执行时间：

#!/usr/bin/env bpftrace

// 跟踪 MySQL 中的 dispatch_command 函数
uprobe:/usr/sbin/mysqld:dispatch_command
{
    // 将命令执行的开始时间存储在 map 中
    @start_times[tid] = nsecs;

    // 打印进程 ID 和命令字符串
    printf("MySQL command executed by PID %d: ", pid);

    // dispatch_command 的第三个参数是 SQL 查询字符串
    printf("%s\n", str(arg3));
}

uretprobe:/usr/sbin/mysqld:dispatch_command
{
    // 从 map 中获取开始时间
    $start = @start_times[tid];

    // 计算延迟，以毫秒为单位
    $delta = (nsecs - $start) / 1000000;

    // 打印延迟
    printf("Latency: %u ms\n", $delta);

    // 从 map 中删除条目以避免内存泄漏
    delete(@start_times[tid]);
}

脚本解释

  1. 跟踪 dispatch_command 函数：
  2. 该脚本在 MySQL 中的 dispatch_command 函数上附加了一个 uprobe。该函数在 MySQL 需要执行 SQL 查询时调用。Uprobe 在内核模式 eBPF 运行时中可能会导致较大的性能开销。在这种情况下，您可以考虑使用用户模式 eBPF 运行时，例如 bpftime。

  3. uprobe 捕获函数执行的开始时间并记录正在执行的 SQL 查询。

  4. 计算和记录延迟：

  5. 一个相应的 uretprobe 附加到 dispatch_command 函数。uretprobe 在函数返回时触发，允许我们计算查询的总执行时间（延迟）。

  6. 延迟以毫秒为单位计算并打印到控制台。

  7. 使用 Map 管理状态：

  8. 脚本使用一个 BPF map 来存储每个查询的开始时间，并以线程 ID (tid) 作为键。这使我们能够匹配每次查询执行的开始和结束时间。
  9. 在计算延迟后，从 map 中删除条目以避免内存泄漏。

运行脚本

要运行此脚本，只需将其保存为文件（例如 trace_mysql.bt），然后使用 bpftrace 执行它：

sudo bpftrace trace_mysql.bt

输出示例

脚本运行后，它将打印 MySQL 执行的每个 SQL 查询的信息，包括进程 ID、查询内容以及延迟时间：

MySQL command executed by PID 1234: SELECT * FROM users WHERE id = 1;
Latency: 15 ms
MySQL command executed by PID 1234: UPDATE users SET name = 'Alice' WHERE id = 2;
Latency: 23 ms
MySQL command executed by PID 1234: INSERT INTO orders (user_id, product_id) VALUES (1, 10);
Latency: 42 ms

这个输出显示了正在执行的 SQL 命令以及每个命令的执行时间，为您提供了关于 MySQL 查询性能的宝贵见解。

跟踪 MySQL 查询可以带来什么收获？

通过使用 eBPF 跟踪 MySQL 查询，您可以获得以下几点收获：

  • 识别慢查询：您可以快速识别哪些 SQL 查询执行时间最长。这对于性能调优以及优化数据库模式或索引策略至关重要。
  • 监控数据库性能：定期监控查询的延迟，确保您的 MySQL 数据库在不同工作负载下保持最佳性能。
  • 调试和故障排除：在面对性能问题时，这种跟踪方法可以帮助您准确定位导致延迟的查询，从而更容易调试和解决问题。
  • 容量规划：通过了解各种查询的延迟，您可以更好地进行容量规划，确保您的 MySQL 数据库能够处理更高的负载或更复杂的查询。

结论

eBPF 提供了一种强大的方法来监控和跟踪 MySQL 查询的性能，而无需对系统进行侵入式更改。通过使用 bpftrace 这样的工具，您可以实时了解数据库的性能表现，识别潜在的瓶颈，并优化系统以获得更好的性能。

如果您有兴趣了解更多关于 eBPF 的知识，以及如何将其用于监控和优化系统的其他部分，请访问我们的 https://github.com/eunomia-bpf/bpf-developer-tutorial 或浏览我们的网站 https://eunomia.dev/tutorials/ 获取更多示例和完整的教程。