MySQL中读页缓冲区buffer pool

技术分享 2年前 (2022-05-29) 0 999+

Buffer pool

我们都知道我们读取页面是需要将其从磁盘中读到内存中，然后等待CPU对数据进行处理。我们直到从磁盘中读取数据到内存的过程是十分慢的，所以我们读取的页面需要将其缓存起来，所以MySQL有这个buffer pool对页面进行缓存。

首先MySQL在启动时会向操作系统申请一段连续的内存空间，这一段空间就是作为buffer pool所用。将缓存的页放入buffer pool中管理起来。

mysql> show variables like 'innodb_buffer_pool_size'; +-------------------------+-----------+ | Variable_name           | Value     | +-------------------------+-----------+ | innodb_buffer_pool_size | 134217728 | +-------------------------+-----------+ 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

我们可以看到默认是134217728字节，即128MB。一个页面是16KB，我们申请16KB倍数的缓存区大小就不会产生碎片。

buffer pool组成

同时呢，在buffer pool中还有包含每个页面的控制信息，即控制块。每个控制块对应管理每一个页面 (我们使用地址引用每一个页面) ，控制块用来存储页面的一些信息，控制块的占用大小不包括在innodb_buffer_pool_size中。由MySQL在启动时自己额外申请空间。

在控制块和缓存页中间会有部分碎片，就是空间无法全部利用的产生的碎片。因为MySQL向操作系统申请的内存空间需要申请一定大小的控制块空间，不能确定具体的大小，难免回有无法利用的空间。

free链表

free链表顾名思义，就是管理空闲的缓存页的链表，如果缓存页没有被使用，其控制块就会连接到free链表上。

通过一个基节点连接控制块形成一个free链表，并存储空闲页的数量等基本信息。

当我们从磁盘读取一个页到buffer pool中，就会取一个空闲的控制块填上对应缓存页的基本信息。

缓存页的哈希处理

MySQL在buffer pool中怎么快速存取一个页，以及查看对应页有没有被缓存到buffer pool中呢？

这就是用到哈希表，在Java中就是hashmap，通过表空间+页号做处理形成一个hash的key值，然后value值就是缓存页在buffer pool中的地址。

flush链表的管理

学习到这一章节的时候我震惊了，首先确实和我的理解是不一样的，以及到后面的MVCC确实让我大开眼界，这是我学习一遍后回头做的总结，所以比较言简意赅哈。

我们使用SQL语句对某条记录进行修改的时候，就会修改某个页面或者多个页面，我们对于页面的修改呢，并不会直接对磁盘进行对应的修改，因为对于磁盘IO实在是太慢了，我们首先会将修改的页面（简称脏页）链起来，就和free链表差不多，就是一个基节点将对应脏页的控制块连接在一起。

这个flush链表就代表我们即将还没有将页面更新到磁盘的链表。

LRU链表

因为buffer pool的大小是有限的，所以我们对于缓存页的大小是有限的，所以我们需要将不用的页面进行一个淘汰。MySQL采用的就是LRU的方式进行淘汰。

LRU就是最久未使用淘汰的策略，我们使用一个链表将缓存页面链起来，最近访问的出现在最前面，最久未访问的在链表末尾，当LRU满了新页面都进来机会淘汰链表尾部页面。

我们直接使用LRU，当MySQL进行预读或者全表扫描出现大量低频页面被读进LRU链表，会导致高频的页面直接被淘汰掉了，取而代之的是一些不经常用的页面。

预读就是MySQL优化器认为当前请求可能会读取的页面，预先将其加载到内存的buffer pool中。可以分为两种：

线性预读

当读取一个区的页面超过系统变量innodb_read_ahead_threshold的值默认为56，也就是说当我们读取一个区的页面超过56页，MySQL就会异步的读取下一个区的所有页面到内存中。

随机预读

如果buffer pool已经缓存了某个区的13个页面，不管是不是顺序的，只要有13页缓存了，就会触发MySQL异步读取本区的所有页面到MySQL中。我们可以控制关闭随机预读，也就是系统变量innodb_random_read_ahead。默认是OFF。

所以出现了改进基于分区的LRU链表，将链表分为两份。

一个是使用频率非常高的young区域，一个是使用频率不是很高的old区。

正常来说old区占比是37％，所以young区就占63％，我们可以通过innodb_old_blocks_pct来修改，默认就是37。

我们来讲讲这个基于分区的LRU链表。

首先buffer pool初始化，会将读取的页面直接放进old区。
1. 但是如果我们对于同一个页面的多条记录进行访问的话，我们就会多次访问同一页多次。但是如果我们是全表扫描的话，是可能会将所有页面缓存进缓存池中的，所以MySQL对于其进行优化。
2. 所以MySQL对于当页面第一次读入old区并在一定时间间隔（innodb_old_blocks_pct）内的多次访问来说是不会将其放入young区进行缓存的。innodb_old_blocks_pct的值默认为1000，就是刚来的来一秒内的多次访问是不会将其转移到young区的。
如果多次访问就会将old区的页升级到young区。当young区的页面被访问，只有young链表后1/4的页面被访问时才会将其转置到young区链表头，不然就不会改动，减少一些调整链表的性能损失。

刷新脏页

MySQL会启动后台线程进行脏页，也就是修改的页面进行刷新到磁盘。

以下有两种方式刷新脏页：

从LRU的尾部扫描一些页面，刷新其中的脏页到磁盘中。
- 后台线程会从LRU链表中old区域尾部，即不经常使用的页面中查找有没有脏页，有就更新到磁盘。可以更改系统变量innodb_lru_scan_depth来控制扫描区域尾部的数量。
从flush链表中更新到磁盘。
- 我们上面说了flush连接这脏页的控制块，我们就可以将连接这flush链表的脏页进行更新。

疑问：为什么要两种方式更新呢？我刚开始不懂这是我回过头来看的时候就懂了

首先我们脏页是缓存在buffer pool中的，但是我们buffer pool空间是有限的，又因为我们使用的是LRU的方式，又因为从flush链表将脏页同步到磁盘效率实在不高，所以不会很经常去更新脏页。如果我们不更新直接将其从LRU的链表抛弃也就是从缓存池中直接扔了，但是它是脏页就无法同步到磁盘了，同时flush链表链接的也会出现问题。

所以在LRU淘汰很久未使用的页有个前提就是它不是一个脏页。所以我们会去检测LRU链表尾部有没有脏页，然后更新它，我们才能去淘汰掉这些页。

flush链表更新那就是它的本职工作了，它存这个也是干这个的，应该没有什么问题。

当系统十分繁忙，buffer pool使用量不足的时候，因为磁盘IO太慢了，所以会出现一种情况，就是大量的用户线程也在进行这个同步脏页的活。不同步脏页然后淘汰buffer pool的页面，没法读取页面啊。

多个buffer pool实例

我们可以设置多个buffer pool来实现多实例提高性能。

mysql> show variables like 'innodb_buffer_pool_instances'; +------------------------------+-------+ | Variable_name                | Value | +------------------------------+-------+ | innodb_buffer_pool_instances | 1     | +------------------------------+-------+ 1 row in set, 1 warning (0.00 sec)

我们可以设置innodb_buffer_pool_instances系统变量来控制实例变量。

但是当buffer pool的大小小于1G的时候，设置2个实例也是没有用的（会被恢复成1个），多实例的情况是建立在大内存的情况下的。