一、软件升级的意义

不断更新和演进是软件的一个重要行为，升级和补丁是软件更新演进的重要保证。伴随着新特性不断推出和历史问题修复，软件升级和打补丁显得格外重要。软件升级和打补丁需要满足如下要求：

• 软件版本的无缝、平滑过渡。

• 业务中断时间尽量少，以至于在线。

• 用户体验前向兼容。

而数据库升级比其他软件升级更为复杂，不光是软件本身的更新，还要支持其管理的数据的升级。数据库升级需要考虑如下因素：

•  软件升级，即软件本身的更新。

• 元数据升级，即管理数据的方式的更新。

• 业务数据升级，即用户数据的升级（可能涉及）。

对于云上数仓服务，SLA和高可用是关键竞争力指标。升级作为计划内停机的操作之一，云上客户希望能够尽可能降低升级窗口对于业务的影响。另一方面，每次升级都是一个高风险操作，新版本数据库的功能和性能，在生产环境往往有各种难以预估的影响因素，云上客户希望能够在升级后发现功能性问题，性能问题，或者兼容性问题时可以紧急回退到老版本减少对业务的影响的功能。因此对于在线升级和升级回退的诉求很高。

二、业界大数据产品升级分析

升级操作是数据库计划内停机的主要原因之一，对于数据库的高可用指标有着重要的影响。为了尽可能减小数据库升级操作对于业务的中断，业界提出了各种数据库在线升级的技术。

根据一次升级操作所涉及的变更范围，数据库升级主要可以分为三类：补丁升级，二进制升级和大版本升级。其中，

• 补丁升级主要用于修复代码上的缺陷，一般可以通过热补丁技术实现在线的升级。
• 二进制升级主要用于代码上较大幅度的修改和实现优化，对于节点内或节点间多进程share-everything构架的数据库（如Postgresql单机或Oracle RAC集群），较容易实现在线的升级，对于节点内多线程share-nothing构架的数据库（如GaussDB），切换二进制会导致至少一次的客户端闪断（即使采用主、备滚动升级的方式）
• 大版本升级主要用于大颗粒新特性的发布，和二进制升级最大的区别在于，大版本升级涉及数据库系统表的修改，执行时间更长、复杂度更高，业界一般有两种大版本在线升级方案：以Oracle为代表，采用基于（临时/永久）逻辑复制主、备滚动升级的方式，在主、备切换时会产生至少一次的客户端闪断；以Snowflake为代表，采用多版本系统表的在线升级方式，升级过程对业务的影响与二进制升级类似。

三、GaussDB(DWS)升级能力

GaussDB(DWS)从8.1.2版本支持了在线补丁能力，冷补丁期间业务秒级闪断，热补丁完全在线，业务不中断。

在8.1.3版本支持了在线升级能力。最早支持8.1.1版本在线升级到8.1.3版本，数据库升级过程中，对业务仅产生闪断一次的影响（10秒以内）。

在8.1.3版本支持了升级回退能力，升级完成后发现问题可无损回退到老版本。

• 在线补丁

在线补丁根据使用场景不同分为二进制替换升级（冷补丁）和热补丁。

• 冷补丁原理-软件多工作区安装

废弃原来的就地模式，采用软件多工作区模式，切换工作区在秒级以内，可以减少替换新二进制对业务中断的影响。

• 冷补丁原理-二进制秒级切换

切换到新工作区后，采用快速切换进程的模式，分批次把数据库进程切换到新版本，切换进程也是秒级操作。

• 热补丁原理-预留补丁区，新老函数跳转

1）在GaussDB主进程预留一块补丁区域，进程启动时完成补丁区的初始化操作。

2）打补丁时把补丁文件里面的补丁函数动态加载到热补丁区，加载操作秒即完成。

3）并在原函数的入口处，加入跳转指令，当原函数被调用时，跳转到补丁区执行补丁函数。

示意图如下：

• 在线升级

8.1.3版本及以后支持在线升级。不光支持8.1.3向后升级走在线升级，还支持8.1.1.x和8.1.2.x版本升级到8.1.3版本走在线升级。

在线升级除了复用在线冷补丁的机制外，还使用了如下技术：

• 在线升级原理-系统表结构内置

把系统表的元数据内置到二进制中，切换到新的二进制后，无需执行系统表元数据升级脚本，直接可以使用新版本的系统表。消除了修改系统表对业务中断的影响。

以下图1是编译构建时内置系统表元数据的逻辑，图2是新版本二进制启动时新版本系统表元数据加载过程。

• 在线升级原理-系统表结构和系统表数据多版本兼容

切换到新版本后，系统表的元数据直接使用内置的结构，但是系统表物理元组还是老版本的，为了保证数据库正常提供服务，还需要保证系统表元数据和系统表元组数据多版本兼容，以下为典型的三种兼容性场景。

• 升级回退

8.1.3版本及以后支持升级回退，升级观察期发现问题可快速无损回退到老版本。

当数据库支持在线升级后，在升级过程中有业务持续接入，如果升级失败，需要支持回退到老版本。同理，升级成功后也能够回退到老版本，那么升级回退就天然支持了。但是升级成功后如果使用新功能，如果涉及新格式的数据生成，则可能导致回退后老版本二进制无法读取新格式的数据，从而影响回退后的数据库功能。因此在线升级提出了“升级观察期”的概念，升级成功后即自动进入升级观察期，升级提交后则结束升级观察期。

升级过程中：可以运行老业务，新特性（回滚不兼容）自动关闭，新特性（回滚兼容）可以使用。

升级观察期：可以运行老业务，新特性（回滚不兼容）自动关闭，新特性（回滚兼容）可以使用，随时可以快速、无损回退到老版本。

升级提交后：新特性可以自由开启，可以使用任何新老特性。无法再回退到老版本。

在线升级和升级回退流程各阶段简图如下：

四、升级的进一步演进

GaussDB(DWS)在8.1.3及以后版本实现了在线补丁、在线升级和升级回退能力。业务影响极致缩减到秒级。后续将进一步致力于构建业务完全无感知的在线升级，通过上层路由、中间件或客户端的查询重做，可以降低二进制升级和大版本升级过程中服务闪断对业务的影响。

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