mysql 学习 - InnoDB 的 Buffer Pool

本篇已收录在 MySQL 是怎样运行的 学习笔记系列

缓存的重要性

InnoDB存储引擎在处理客户端的请求时，当需要访问某个页的数据时，就会把完整的页的数据全部加载到内存中，也就是说即使我们只需要访问一个页的一条记录，那也需要先把整个页的数据加载到内存中。将整个页加载到内存中后就可以进行读写访问了，在进行完读写访问之后并不着急把该页对应的内存空间释放掉，而是将其缓存起来，这样将来有请求再次访问该页面时，就可以省去磁盘IO的开销了。

Buffer Pool

为了缓存磁盘中的页，在MySQL服务器启动的时候就向操作系统申请了一片连续的内存，他们给这片内存起了个名，叫做Buffer Pool（中文名是缓冲池）。

默认情况下Buffer Pool只有128M大小。

可以在启动服务器的时候配置innodb_buffer_pool_size参数的值，它表示Buffer Pool的大小，就像这样：

[server]
innodb_buffer_pool_size = 268435456
其中，268435456的单位是字节，也就是我指定Buffer Pool的大小为256M。需要注意的是，Buffer Pool也不能太小，最小值为5M(当小于该值时会自动设置成5M)。

Buffer Pool内部组成

Buffer Pool中默认的缓存页大小和在磁盘上默认的页大小是一样的，都是16KB。

为了更好的管理这些在Buffer Pool中的缓存页，mysql 为每一个缓存页都创建了一些所谓的控制信息, 包括该页所属的表空间编号、页号、缓存页在Buffer Pool中的地址、链表节点信息、一些锁信息以及LSN信息

控制块和缓存页是一一对应的，它们都被存放到 Buffer Pool 中，其中控制块被存放到 Buffer Pool 的前边，缓存页被存放到 Buffer Pool 后边，所以整个Buffer Pool对应的内存空间看起来就是这样的：

free 链表

当我们最初启动MySQL服务器的时候，需要完成对Buffer Pool的初始化过程，就是先向操作系统申请Buffer Pool的内存空间，然后把它划分成若干对控制块和缓存页。但是此时并没有真实的磁盘页被缓存到Buffer Pool中（因为还没有用到），之后随着程序的运行，会不断的有磁盘上的页被缓存到Buffer Pool中。

从磁盘上读取一个页到Buffer Pool中的时候该放到哪个缓存页的位置呢？或者说怎么区分Buffer Pool中哪些缓存页是空闲的，哪些已经被使用了呢？我们最好在某个地方记录一下Buffer Pool中哪些缓存页是可用的，这个时候缓存页对应的控制块就派上大用场了，我们可以把所有空闲的缓存页对应的控制块作为一个节点放到一个链表中，这个链表也可以被称作free链表（或者说空闲链表）。

从图中可以看出，我们为了管理好这个free链表，特意为这个链表定义了一个基节点，里边儿包含着链表的头节点地址，尾节点地址，以及当前链表中节点的数量等信息。这里需要注意的是，链表的基节点占用的内存空间并不包含在为Buffer Pool申请的一大片连续内存空间之内，而是单独申请的一块内存空间。

缓存页的哈希处理

前边说过，当我们需要访问某个页中的数据时，就会把该页从磁盘加载到Buffer Pool中，如果该页已经在Buffer Pool中的话直接使用就可以了。那么问题也就来了，我们怎么知道该页在不在Buffer Pool中呢？难不成需要依次遍历Buffer Pool中各个缓存页么？一个Buffer Pool中的缓存页这么多都遍历完岂不是要累死？

我们可以用表空间号 + 页号作为key，缓存页作为value创建一个哈希表，在需要访问某个页的数据时，先从哈希表中根据表空间号 + 页号看看有没有对应的缓存页，如果有，直接使用该缓存页就好，如果没有，那就从free链表中选一个空闲的缓存页，然后把磁盘中对应的页加载到该缓存页的位置。

flush链表的管理

如果我们修改了Buffer Pool中某个缓存页的数据，那它就和磁盘上的页不一致了，这样的缓存页也被称为脏页（英文名：dirty page）。

每次修改缓存页后，我们并不着急立即把修改同步到磁盘上，而是在未来的某个时间点进行同步, 再创建一个存储脏页的链表，凡是修改过的缓存页对应的控制块都会作为一个节点加入到一个链表中，因为这个链表节点对应的缓存页都是需要被刷新到磁盘上的，所以也叫flush链表。链表的构造和free链表差不多，假设某个时间点Buffer Pool中的脏页数量为n，那么对应的flush链表就长这样：

LRU链表的管理

Buffer Pool对应的内存大小毕竟是有限的，如果需要缓存的页占用的内存大小超过了Buffer Pool大小， 就需要把某些旧的缓存页从Buffer Pool中移除，然后再把新的页放进来. 当Buffer Pool中不再有空闲的缓存页时，就需要淘汰掉部分最近很少使用的缓存页。

我们可以再创建一个链表，由于这个链表是为了按照最近最少使用的原则去淘汰缓存页的，所以这个链表可以被称为LRU链表（LRU的英文全称：Least Recently Used）。当我们需要访问某个页时，可以这样处理LRU链表：

如果该页不在Buffer Pool中，在把该页从磁盘加载到Buffer Pool中的缓存页时，就把该缓存页对应的控制块作为节点塞到链表的头部。

如果该页已经缓存在Buffer Pool中，则直接把该页对应的控制块移动到LRU链表的头部。
只要我们使用到某个缓存页，就把该缓存页调整到LRU链表的头部，这样LRU链表尾部就是最近最少使用的缓存页

划分区域的LRU链表

上边的这个简单的LRU链表用了没多长时间就发现问题了，因为存在这两种比较尴尬的情况：

情况一：InnoDB 提供了一个预读功能（英文名：read ahead）。所谓预读，就是InnoDB认为执行当前的请求可能之后会读取某些页面，就预先把它们加载到Buffer Pool中。预读本来是个好事儿，如果预读到Buffer Pool中的页成功的被使用到，那就可以极大的提高语句执行的效率。可是如果用不到呢？这些预读的页都会放到LRU链表的头部，但是如果此时Buffer Pool的容量不太大而且很多预读的页面都没有用到的话，这就会导致处在LRU链表尾部的一些缓存页会很快的被淘汰掉，也就是所谓的劣币驱逐良币，会大大降低缓存命中率。

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情况二：有的小伙伴可能会写一些需要扫描全表的查询语句（比如没有建立合适的索引或者压根儿没有WHERE子句的查询）。意味着将访问到该表所在的所有页！假设这个表中记录非常多的话，那该表会占用特别多的页，当需要访问这些页时，会把它们统统都加载到Buffer Pool中, 这严重的影响到其他查询对 Buffer Pool的使用，从而大大降低了缓存命中率。

因为有这两种情况的存在，所以 InnoDB 把这个LRU链表按照一定比例分成两截，分别是：

一部分存储使用频率非常高的缓存页，所以这一部分链表也叫做热数据，或者称young区域。

另一部分存储使用频率不是很高的缓存页，所以这一部分链表也叫做冷数据，或者称old区域。

查看Buffer Pool的状态信息

SHOW ENGINE INNODB STATUS

mysql> SHOW ENGINE INNODB STATUS\G

(...省略前边的许多状态)
----------------------
BUFFER POOL AND MEMORY
----------------------
Total memory allocated 13218349056;
Dictionary memory allocated 4014231
Buffer pool size   786432
Free buffers       8174
Database pages     710576
Old database pages 262143
Modified db pages  124941
Pending reads 0
Pending writes: LRU 0, flush list 0, single page 0
Pages made young 6195930012, not young 78247510485
108.18 youngs/s, 226.15 non-youngs/s
Pages read 2748866728, created 29217873, written 4845680877
160.77 reads/s, 3.80 creates/s, 190.16 writes/s
Buffer pool hit rate 956 / 1000, young-making rate 30 / 1000 not 605 / 1000
Pages read ahead 0.00/s, evicted without access 0.00/s, Random read ahead 0.00/s
LRU len: 710576, unzip_LRU len: 118
I/O sum[134264]:cur[144], unzip sum[16]:cur[0]
--------------
(...省略后边的许多状态)