MySQL缓存
MySQL缓存
一、前言
在当今的各种系统中，缓存是对系统性能优化的重要手段。MySQL Query Cache(MySQL查询缓存)在MySQL Server中是默认打开的，但是网上各种资料以及有经验的DBA都建议生产环境中把MySQL Query Cache关闭。按道理，MySQL Server默认打开，是鼓励用户使用缓存，但是大拿们却建议关闭此功能，并且国内各个云厂商提供的MySQL云服务中默认都是关闭这个功能，这是为什么？他们在使用中遇到了什么坑？本文将会从以下几方面来详解MySQL Query Cache。
二、 MySQL查询缓存简介
MySQL查询缓存是MySQL中比较独特的一个缓存区域，用来缓存特定Query的整个结果集信息，且共享给所有客户端。为了提高完全相同的Query语句的响应速度，MySQL Server会对查询语句进行Hash计算后，把得到的hash值与Query查询的结果集对应存放在Query Cache中。当MySQL Server打开Query Cache之后，MySQL Server会对接收到的每一个SELECT 语句通过特定的Hash算法计算该Query的Hash值，然后通过该hashi值到Query Cache中去匹配。
- 如果没有匹配，将这个hash值存放在一个hash链表中，并将Query的结果集存放到cache中，存放hashi值链表的每个hash节点存放了相应Quey结果集在cache中的地址，以及该query所涉及到一些table相关信息；
- 如果通过hash值匹配到了一样的Query，则直接将cache中相应的Query结果集返回给客户端。
目前MySQL Query Cache只会cache select语句，其他类似show ，use的语句不会被cache MySQL 的每个Query Cache都是以SQL文本作为key来存储的，在应用Query Cache之前，SQL文本不会做任何处理。也就是说，两个SQL语句，只要相差哪怕一个字符(例如大小写不一样，多一个空格，多注释)，那么这两个SQL将使用不同的Cache地址。如: 下面三条SQL将会被存储在三个不同的缓存里，虽然他们的结果都是一样的。
select * FROM people where name='surfchen';
select * FROM people where /*hey~*/ name='surfchen';
SELECT * FROM people where name='surfchen';
三、MySQL缓存机制
MySQL缓存机制简单的说就是缓存sql文本及查询结果，如果运行相同的SQL，服务器直接从缓存中取到结果，而不需要再去解析和执行SQL。如果表更改了，那么使用这个表的所有缓存查询将不再有效，查询缓存中值相关条目被清空。这里的更改指的是表中任何数据或是结构发生改变，包括INSERT、UPDATE、 DELETE、TRUNCATE、ALTER TABLE、DROP TABLE或DROP DATABASE等，也包括那些映射到改变了的表使用MERGE表的查询。显然，这对于频繁更新的表，查询缓存是不适合的，而对于一些不常改变数据且有大量相同SQL查询的表，查询缓存会节约很大的性能。
查询必须是完全相同(逐字节相同)才能够被认为是相同的。另外，同样的查询字符串由于其它原因可能认为是不同的。使用不同的数据库、不同的协议版本或者不同 默认字符集的查询被认为是不同的查询并且分别进行缓存。
需要注意的是MySQL Query Cache 是对大小写敏感的，因为Query Cache 在内存中是以 HASH 结构来进行映射，HASH 算法基础就是组成 SQL 语句的字符，所以 任何SQL语句的改变重新cache.
- 开启了缓存，MySQL Server会自动将查询语句和结果集返回到内存，下次再查直接从内存中取；
- 缓存的结果是通过sessions共享的，所以一个client查询的缓存结果，另一个client也可以使用
- MySQL Query Cache内容为 select 的结果集, cache 使用完整的SQL字符串做 key, 并区分大小写，空格等。即两个SQL必须完全一致才会导致cache命中。即检查查询缓存时，MySQL Server不会对SQL做任何处理，它精确的使用客户端传来的查询，只要字符大小写或注释有点不同，查询缓存就认为是不同的查询；
- prepared statement永远不会cache到结果，即使参数完全一样。在 5.1 之后会得到改善。
- where条件中如包含任何一个不确定的函数将永远不会被cache, 比如current_date, now等。
- date 之类的函数如果返回是以小时或天级别的，最好先算出来再传进去。
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select * from foo where date1=current_date -- 不会被 cache
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select * from foo where date1='2008-12-30' -- 被cache, 正确的做法
- 太大的result set不会被cache (< query_cache_limit)
- MySQL缓存在分库分表环境下是不起作用的
- 执行SQL里有触发器,自定义函数时，MySQL缓存也是不起作用的
- 在表的结构或数据发生改变时，查询缓存中的数据不再有效。如INSERT、UPDATE、 DELETE、TRUNCATE、ALTER TABLE、DROP TABLE或DROP DATABASE会导致缓存数据失效。所以查询缓存适合有大量相同查询的应用，不适合有大量数据更新的应用。
- 一旦表数据进行任何一行的修改，基于该表相关cache立即全部失效。
- FLUSH QUERY CACHE； #清理查询缓存内存碎片
- RESET QUERY CACHE；#从查询缓存中移除所有查询
- FLUSH TABLES； #关闭所有打开的表，同时该操作会清空查询缓存中的内容
当服务器启动的时候，会初始化缓存需要的内存，是一个完整的空闲块。当查询结果需要缓存的时候，先从空闲块中申请一个数据块为参数query_cache_min_res_unit配置的空间，即使缓存数据很小，申请数据块也是这个，因为查询开始返回结果的时候就分配空间，此时无法预知结果多大。
分配内存块需要先锁住空间块，所以操作很慢，MySQL会尽量避免这个操作，选择尽可能小的内存块，如果不够，继续申请，如果存储完时有空余则释放多余的。
但是如果并发的操作，余下的需要回收的空间很小，小于query_cache_min_res_unit，不能再次被使用，就会产生碎片。如图：
四、MySQL缓存发挥作用的情况
1、查询缓存可以降低查询执行的时间，但是却不能减少查询结果传输的网络消耗，如果网络传输消耗是整个查询过程的主要瓶颈，那么查询缓存的作用也很小。
2、对于那些需要消耗大量资源的查询通常都是非常适合缓存的，对于复杂的SELECT语句都可以使用查询缓存，不过需要注意的是，涉及表上的UPDATE、DELETE、INSERT操作相比SELECT来说要非常少才行。
3、查询缓存命中率：Qcache_hits/(Qcahce_hits+Com_select)，查询缓存命中率多大才是好的命中率，需要具体情况具体分析。只要查询缓存带来的效率提升大于查询缓存带来的额外消耗，即使30%的命中率也是值得。另外，缓存了哪些查询也很重要，如果被缓存的查询本身消耗巨大，那么即使缓存命中率低，对系统性能提升仍然是有好处的。
4、任何SELECT语句没有从查询缓存中返回都称为“缓存未命中”，以如下列情况：
- 查询语句无法被缓存，可能因为查询中包含一个不确定的函数，或者查询结果太大而无法缓存。
- MySQL从未处理这个查询，所以结果也从不曾被缓存过。
- 虽然之前缓存了查询结果，但由于查询缓存的内存用完了，MYSQL需要删除某些缓存，或者由于数据表被修改导致缓存失效。
如果服务器上有大量缓存缓存未命中，但是实际上绝大查询都被缓存了，那么一定是有如下情况发生：
- 查询缓存还没有完成预热，即MySQL还没有机会将查询结果都缓存起来。
- 查询语句之前从未执行过。如果应用程序不会重复执行一条查询语句，那么即使完成预热仍然会有很多缓存未命中。
- 缓存失效操作太多，缓存碎片、内存不足、数据修改都会造成缓存失效。可以通过参数Com_*来查看数据修改的情况（包括Com_update，Com_delete等），还可以通过Qcache_lowmem_prunes来查看有多少次失效是由于内存不足导致的。
5、有一个直观的方法能够反映查询缓存是否对系统有好处，推荐一个指标：”命中和写入“的比率，即Qcache_hits和Qcache_inserts的比值。根据经验来看，当这个比值大于3：1时通常查询缓存是有效的，如果能达到10：1最好。
6、通常可以通过观察查询缓存内存的实际使用情况Qcache_free_memory，来确定是否需要缩小或者扩大查询缓存。
五、MySQL缓存管理和配置
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mysql> show variables like '%query_cache%';
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+------------------------------+---------+
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| Variable_name | Value |
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+------------------------------+---------+
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| have_query_cache | YES | --查询缓存是否可用
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| query_cache_limit | 1048576 | --可缓存具体查询结果的最大值
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| query_cache_min_res_unit | 4096 | --查询缓存分配的最小块的大小(字节)
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| query_cache_size | 599040 | --查询缓存的大小
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| query_cache_type | ON | --是否支持查询缓存
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| query_cache_wlock_invalidate | OFF | --控制当有写锁加在表上的时候，是否先让该表相关的 Query Cache失效
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+------------------------------+---------+
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6 rows in set (0.02 sec)
- have_query_cache
该MySQL Server是否支持Query Cache。
- query_cache_limit
MySQL能够缓存的最大查询结果，查询结果大于该值时不会被缓存。默认值是1048576(1MB)如果某个查询的结果超出了这个值，Qcache_not_cached的值会加1，如果某个操作总是超出，可以考虑在SQL中加上SQL_NO_CACHE来避免额外的消耗。
- query_cache_min_res_unit
查询缓存分配的最小块的大小(字节)。 默认值是4096(4KB)。当查询进行的时候，MySQL把查询结果保存在qurey cache中，但如果要保存的结果比较大，超过query_cache_min_res_unit的值 ，这时候mysql将一边检索结果，一边进行保存结果，所以，有时候并不是把所有结果全部得到后再进行一次性保存，而是每次分配一块query_cache_min_res_unit大小的内存空间保存结果集，使用完后，接着再分配一个这样的块，如果还不不够，接着再分配一个块，依此类推，也就是说，有可能在一次查询中，mysql要进行多次内存分配的操作。适当的调节query_cache_min_res_unit可以优化内存如果你的查询结果都是一些small result,默认的query_cache_min_res_unit可能会造成大量的内存碎片如果你的查询结果都是一些larger resule，你可以适当的把query_cache_min_res_unit调大
- query_cache_size
为缓存查询结果分配的内存的数量，单位是字节，且数值必须是1024的整数倍。默认值是0，即禁用查询缓存。请注意如果设置了该值，即使query_cache_type设置为0也将分配此数量的内存。
- query_cache_type
设置查询缓存类型，默认为ON。设置GLOBAL值可以设置后面的所有客户端连接的类型。客户端可以设置SESSION值以影响他们自己对查询缓存的使用。下面的表显示了可能的值：
- query_cache_wlock_invalidate
如果某个表被锁住，是否返回缓存中的数据，默认关闭，也是建议的。一般情况，当客户端对MyISAM表进行WRITE锁定时，如果查询结果位于查询缓存中，则其它客户端未被锁定，可以对该表进行查询。将该变量设置为1，则可以对表进行WRITE锁定，使查询缓存内所有对该表进行的查询变得非法。这样当锁定生效时，可以强制其它试图访问表的客户端来等待。
- 开启缓存
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mysql> set global query_cache_size = 600000; --设置缓存内存大小
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mysql> set global query_cache_type = ON; --开启查询缓存
- 关闭缓存
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mysql> set global query_cache_size = 0; --设置缓存内存大小为0， 即初始化是不分配缓存内存
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mysql> set global query_cache_type = OFF; --关闭查询缓存
set global时需要有SUPER权限
六、MySQL Query Cache对性能的影响
6.1 MySQL Query Cache的额外开销
如上图所示: 在MySQL Server中打开Query Cache对数据库的读和写都会带来额外的消耗:
- 1) 读查询开始之前必须检查是否命中缓存。
- 2) 如果读查询可以缓存，那么执行完查询操作后，会查询结果和查询语句写入缓存。
- 3) 当向某个表写入数据的时候，必须将这个表所有的缓存设置为失效，如果缓存空间很大，则消耗也会很大，可能使系统僵死一段时间，因为这个操作是靠全局锁操作来保护的。
- 4) 对InnoDB表，当修改一个表时，设置了缓存失效，但是多版本特性会暂时将这修改对其他事务屏蔽，在这个事务提交之前，所有查询都无法使用缓存，直到这个事务被提交，所以长时间的事务，会大大降低查询缓存的命中
6.2 MySQL Query Cache碎片优化
通过FLUSH_QUERY_CAHCE完成碎片整理，这个命令将所有的查询缓存重新排序，并将所有的空闲空间都聚焦到查询缓存的一块区域上。
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mysql> SHOW STATUS LIKE 'Qcache%';
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+-------------------------+--------+
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| Variable_name | Value |
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+-------------------------+--------+
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| Qcache_free_blocks | 1 | ----在查询缓存中的闲置块，如果该值比较大，则说明Query Cache中的内存碎片可能比较多。FLUSH QUERY CACHE会对缓存中的碎片进行整理，从而得到一个较大的空闲内存块。
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| Qcache_free_memory | 382704 | ----剩余缓存的大小
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| Qcache_hits | 198 | ----缓存命中次数
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| Qcache_inserts | 131 | ----缓存被插入的次数，也就是查询没有命中的次数。
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| Qcache_lowmem_prunes | 0 | ----由于内存低而被删除掉的缓存条数，如果这个数值在不断增长，那么一般是Query Cache的空闲内存不足（通过Qcache_free_memory判断），或者内存碎片较严重（通过Qcache_free_blocks判断）。
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| Qcache_not_cached | 169 | ----没有被缓存的条数，有三种情况会导致查询结果不会被缓存：其一，由于query_cache_type的设置；其二，查询不是SELECT语句；其三，使用了now()之类的函数，导致查询语句一直在变化。
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| Qcache_queries_in_cache | 128 | ----缓存中有多少条查询语句
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| Qcache_total_blocks | 281 | ----总块数
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+-------------------------+--------+
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8 rows in set (0.00 sec)
如果Query Cache碎片率超过20%，则可以用FLUSH QUERY CACHE整理内存碎片；如果你的查询都是小数据量的话，可以尝试减小query_cache_min_res_unit。
Query Cache利用率在25%以下的话，说明query_cache_size设置的过大，可适当减小；Query Cache利用率在80%以上，而且Qcache_lowmem_prunes > 50的话，说明query_cache_size可能有点小，或者就是内存碎片太多。
- 可缓存查询的Query Cache命中率 = Qcache_hits / (Qcache_hits + Qcache_inserts) * 100%
- 涵盖所有查询的Query Cache命中率 = Qcache_hits / (Qcache_hits + Com_select) * 100%
若命中率在50-70%的范围之内，则表明Query Cache的缓存效率较高。如果命中率明显小于50%，那么建议禁用（将query_cache_type设置为0(OFF)）或按需使用（将query_cache_type设置为2(DEMAND)）Query Cache，节省的内存可以用作InnoDB的缓冲池。
如果Qcache_free_blocks值比较大，表示内存碎片较多，需要使用FLUSH QUERY CACHE语句清理内存碎片。
query_cache_min_res_unit = (query_cache_size - Qcache_free_memory) / Qcache_queries_in_cache
其中，一般不建议将Query Cache的大小（也就是query_cache_size系统变量）设置超过256MB。
七、MySQL Query Cache优缺点
- 查询语句的hash计算和hash查找带来的资源消耗。如果将query_cache_type设置为1（也就是ON），那么MySQL会对每条接收到的SELECT类型的查询进行hash计算，然后查找这个查询的缓存结果是否存在。虽然hash计算和查找的效率已经足够高了，一条查询语句所带来的开销可以忽略，但一旦涉及到高并发，有成千上万条查询语句时，hash计算和查找所带来的开销就必须重视了。
- Query Cache的失效问题。如果表的变更比较频繁，则会造成Query Cache的失效率非常高。表的变更不仅仅指表中的数据发生变化，还包括表结构或者索引的任何变化。
- 查询语句不同，但查询结果相同的查询都会被缓存，这样便会造成内存资源的过度消耗。查询语句的字符大小写、空格或者注释的不同，Query Cache都会认为是不同的查询（因为他们的hash值会不同）。
- 相关系统变量设置不合理会造成大量的内存碎片，这样便会导致Query Cache频繁清理内存。
八、 生产如何设置MySQL Query Cache
MySQL中的Query Cache是一个适用较少情况的缓存机制。如上图所示，如果缓存命中率非常高的话，有测试表明在极端情况下可以提高效率238%。但实际情况如何？Query Cache有如下规则，如果数据表被更改，那么和这个数据表相关的全部Cache全部都会无效，并删除之。这里“数据表更改”包括: INSERT, UPDATE, DELETE, TRUNCATE, ALTER TABLE, DROP TABLE, or DROP DATABASE等。举个例子，如果数据表posts访问频繁，那么意味着它的很多数据会被QC缓存起来，但是每一次posts数据表的更新，无论更新是不是影响到了cache的数据，都会将全部和posts表相关的cache清除。如果你的数据表更新频繁的话，那么Query Cache将会成为系统的负担。有实验表明，糟糕时，QC会降低系统13%的处理能力。
如果你的应用对数据库的更新很少，那么QC将会作用显著。比较典型的如博客系统，一般博客更新相对较慢，数据表相对稳定不变，这时候QC的作用会比较明显。
