本文介绍异步执行架构的技术原理。
简介
为了解决传统线程模型高并发下CPU争抢、频繁上下文切换等导致的性能问题，PolarDB MySQL版设计了基于协程的全异步执行架构，实现了鉴权、事务提交、锁等待等核心逻辑的异步化执行，显著提升了PolarDB MySQL版的高并发处理能力。基于异步执行架构，数据库前台线程能够专注于执行代码指令，避免不必要的上下文切换开销，开启异步执行功能后，通用写入性能提升超过70%，长尾延迟降低60%以上。
CPU资源消耗问题分析
在典型OLTP核心业务场景（如电商交易、金融支付等）中，数据库Buffer Pool命中率普遍超过95%，性能瓶颈主要集中于CPU计算密集型操作。传统MySQL架构在高并发场景压力下，暴露出的线程调度低效、上下文切换冗余、事务锁竞争等内核问题，往往导致CPU资源无法有效转化为实际业务吞吐量。
因此在OLTP业务系统中，数据库性能损耗主要发生在内核层的以下方面：
线程调度风暴：传统线程模型在高并发场景下产生上下文切换，CPU时间片被无效切割。
同步阻塞陷阱：事务提交流程中的事务持久化、锁等待等关键路径存在同步点，导致线程陷入空转等待。
原子操作雪崩：全局资源管理（如Lock Sys、Trx Sys等核心Mutex）的集中访问，争抢触发CAS操作导致访问指数级增长。
PolarDB MySQL版基于协程的全异步执行架构正是瞄准以上核心痛点，通过重构数据库核心调度模块，突破线程模型对CPU资源的低效利用模式。
PolarDB异步执行方案设计
在MySQL历史代码的异步化执行改造中，我们深入重构了连接管理、SQL执行和事务处理等多个核心模块，这一过程面临巨大挑战。改造的核心目标是在确保事务完整性的前提下，显著提升系统吞吐量并有效减少长尾延迟。PolarDB MySQL版异步执行方案通过协程技术实现了用户请求与执行线程的解耦，并利用eventfd机制高效完成协程间通信，为系统性能优化提供了创新解决方案。
PolarDB MySQL版全异步执行流程图如下：
具体实现方案包括以下核心设计：
请求协程化：将事务请求封装为独立的协程单元，由用户态调度器统一管理。
主动让出机制：协程在执行过程中可主动挂起并释放执行权，调度器能够立即切换到其他就绪协程。
资源高效复用：单线程可并行处理数百个协程，显著降低了线程切换和调度的开销。
基于协程的请求处理
在传统数据库架构中，用户请求的生命周期与执行线程紧密绑定。具体而言，每个请求从开始到返回结果都由一个固定的线程负责执行。这种设计导致当请求执行过程中遇到锁竞争或I/O等待时，执行线程会被操作系统挂起，直至等待条件满足后才能继续执行，这严重影响了系统的并发处理能力和资源利用率。
为解决这一问题，PolarDB MySQL版全异步执行方案中引入协程技术，通过将每个请求封装到独立的协程中执行，实现了请求生命周期与协程的绑定，而非传统的线程绑定。这种架构设计使得单个内核线程能够同时处理多个协程请求，显著提升了系统的并发处理能力。该框架的核心思想是将SQL执行与线程解耦，具体实现方案是采用协程技术。通过将每个用户请求封装在独立的协程中执行，实现了请求生命周期与协程的绑定，而非传统的线程绑定。这种架构设计使得单个内核线程能够同时处理多个协程请求，显著提升了系统的并发处理能力。
高效同步机制
PolarDB MySQL版创新性地设计了一套线程-协程两级调度模型，结合精准事件驱动的唤醒机制，彻底突破了传统线程模型的性能瓶颈。该机制通过以下核心设计实现三大突破：零无效唤醒、纳秒级响应和百万级并发管理能力。
请求调度
PolarDB MySQL版的全异步执行架构中，系统采用多维度的智能任务调度机制，通过综合分析客户端IP地址、用户类型、请求类型、事务类型以及当前挂起点等多个关键维度，对请求（任务）进行精准的优先级划分。
异步执行动态开关设计
PolarDB该方案通过全局变量形式实现了一键式开关功能，用户可根据实际需求快速启用或禁用异步执行模式。更重要的是，该方案支持对多个关键执行路径进行独立控制，包括但不限于：系统鉴权流程、binlog/redo log写入操作、行级锁等待等核心模块。详细功能使用请参见PolarDB异步执行功能使用介绍。
性能测试
测试环境配置：
通用规格：4核 16 GB，独享规格：8核 32GB
测试工具：Sysbench 1.1.0
测试数据量：25张表，每张表250000行数据。
测试结果如下：
通用规格4核 16 GB高并发事务写性能提升90%以上。
独享规格8核 32 GB高并发事务写性能提升50%以上。
