《Java架构师的第一性原理》41存储之MySQL第3篇存储引擎MyISAM、InnoDB

1 MySQL简要架构

MySQL简要架构是怎么样的？

 

 

 MySQL整体分为三层：

（1）客户端，是各种编程语言的connector；

（2）MySQL服务，内部包含各种组件，实现各种功能；

（3）文件系统，数据存储与日志；

其中，MySQL服务内，可以以插件的形式，实现各种存储引擎。 在InnoDB，MyISAM，Memory…等各种存储引擎中，InnoDB是使用范围最广的。画外音：事务，行锁，聚集索引，MVCC…众多特性让InnoDB备受青睐。

2 InnoDB简要架构

InnoDB简要架构是怎么样的？

 

 InnoDB整体也分为三层：

（1）内存结构(In-Memory Structure)，这一层在MySQL服务进程内；

（2）OS Cache，这一层属于内核态内存；

（3）磁盘结构(On-Disk Structure)，这一层在文件系统上；

这三层的交互有两类：

（1）通过OS Cache落地数据（上图中，两个短箭头）；

（2）直接O_Direct落地数据（上图中，长箭头）；

画外音：这是一个性能与一致性折衷的设计。

3 InnoDB内存结构

InnoDB内存结构包含哪些核心组件？

InnoDB内存结构包含四大核心组件，分别是：

（1）缓冲池(Buffer Pool)；

（2）写缓冲(Change Buffer)；

（3）自适应哈希索引(Adaptive Hash Index)；

（4）日志缓冲(Log Buffer)；

3.1 缓冲池(Buffer Pool)

什么是数据库的 “缓存池” ？（万字干货）

目的是提升InnoDB性能，加速读请求，避免每次数据访问都进行磁盘IO。

画外音：和系统架构设计中缓存的功能有点像，避免每次访问数据库。

这里面涉及的技术点包括：预读，局部性原理，LRU，预读失败+缓冲池污染，新生代老生代双链LRU…

 

应用系统分层架构，为了加速数据访问，会把最常访问的数据，放在缓存(cache)里，避免每次都去访问数据库。

操作系统，会有缓冲池(buffer pool)机制，避免每次访问磁盘，以加速数据的访问。

MySQL作为一个存储系统，同样具有缓冲池(buffer pool)机制，以避免每次查询数据都进行磁盘IO。 

今天，和大家聊一聊InnoDB的缓冲池。

1）InnoDB的缓冲池缓存什么？有什么用？

缓存表数据与索引数据，把磁盘上的数据加载到缓冲池，避免每次访问都进行磁盘IO，起到加速访问的作用。

速度快，那为啥不把所有数据都放到缓冲池里？

凡事都具备两面性，抛开数据易失性不说，访问快速的反面是存储容量小：

（1）缓存访问快，但容量小，数据库存储了200G数据，缓存容量可能只有64G；

（2）内存访问快，但容量小，买一台笔记本磁盘有2T，内存可能只有16G；

因此，只能把“最热”的数据放到“最近”的地方，以“最大限度”的降低磁盘访问。

2）如何管理与淘汰缓冲池，使得性能最大化呢？

在介绍具体细节之前，先介绍下“预读”的概念。

3）什么是预读？

磁盘读写，并不是按需读取，而是按页读取，一次至少读一页数据（一般是4K），如果未来要读取的数据就在页中，就能够省去后续的磁盘IO，提高效率。

4）预读为什么有效？

数据访问，通常都遵循“集中读写”的原则，使用一些数据，大概率会使用附近的数据，这就是所谓的“局部性原理”，它表明提前加载是有效的，确实能够减少磁盘IO。

5）按页(4K)读取，和InnoDB的缓冲池设计有啥关系？

（1）磁盘访问按页读取能够提高性能，所以缓冲池一般也是按页缓存数据；

（2）预读机制启示了我们，能把一些“可能要访问”的页提前加入缓冲池，避免未来的磁盘IO操作；

6）InnoDB是以什么算法，来管理这些缓冲页呢？

最容易想到的，就是LRU(Least recently used)。

画外音：memcache，OS都会用LRU来进行页置换管理，但MySQL的玩法并不一样。

7）传统的LRU是如何进行缓冲页管理？

最常见的玩法是，把入缓冲池的页放到LRU的头部，作为最近访问的元素，从而最晚被淘汰。这里又分两种情况：

（1）页已经在缓冲池里，那就只做“移至”LRU头部的动作，而没有页被淘汰；

（2）页不在缓冲池里，除了做“放入”LRU头部的动作，还要做“淘汰”LRU尾部页的动作；

 

如上图，假如管理缓冲池的LRU长度为10，缓冲了页号为1，3，5…，40，7的页。

 

假如，接下来要访问的数据在页号为4的页中：

（1）页号为4的页，本来就在缓冲池里；

（2）把页号为4的页，放到LRU的头部即可，没有页被淘汰；

画外音：为了减少数据移动，LRU一般用链表实现。

 

假如，再接下来要访问的数据在页号为50的页中：

（1）页号为50的页，原来不在缓冲池里；

（2）把页号为50的页，放到LRU头部，同时淘汰尾部页号为7的页；

8）传统的LRU缓冲池算法十分直观，OS，memcache等很多软件都在用，MySQL为啥这么矫情，不能直接用呢？

这里有两个问题：

（1）预读失效；

（2）缓冲池污染；

9）什么是预读失效？

由于预读(Read-Ahead)，提前把页放入了缓冲池，但最终MySQL并没有从页中读取数据，称为预读失效。

10）如何对预读失效进行优化？

要优化预读失效，思路是：

（1）让预读失败的页，停留在缓冲池LRU里的时间尽可能短；

（2）让真正被读取的页，才挪到缓冲池LRU的头部；

以保证，真正被读取的热数据留在缓冲池里的时间尽可能长。

具体方法是：

（1）将LRU分为两个部分：

• 新生代(new sublist)

• 老生代(old sublist)

（2）新老生代收尾相连，即：新生代的尾(tail)连接着老生代的头(head)；

（3）新页（例如被预读的页）加入缓冲池时，只加入到老生代头部：

• 如果数据真正被读取（预读成功），才会加入到新生代的头部

• 如果数据没有被读取，则会比新生代里的“热数据页”更早被淘汰出缓冲池

举个例子，整个缓冲池LRU如上图：

（1）整个LRU长度是10；

（2）前70%是新生代；

（3）后30%是老生代；

（4）新老生代首尾相连；

假如有一个页号为50的新页被预读加入缓冲池：

（1）50只会从老生代头部插入，老生代尾部（也是整体尾部）的页会被淘汰掉；

（2）假设50这一页不会被真正读取，即预读失败，它将比新生代的数据更早淘汰出缓冲池；

假如50这一页立刻被读取到，例如SQL访问了页内的行row数据：

（1）它会被立刻加入到新生代的头部；

（2）新生代的页会被挤到老生代，此时并不会有页面被真正淘汰；

 

改进版缓冲池LRU能够很好的解决“预读失败”的问题。

画外音：但也不要因噎废食，因为害怕预读失败而取消预读策略，大部分情况下，局部性原理是成立的，预读是有效的。

 

新老生代改进版LRU仍然解决不了缓冲池污染的问题。

11）什么是MySQL缓冲池污染？

当某一个SQL语句，要批量扫描大量数据时，可能导致把缓冲池的所有页都替换出去，导致大量热数据被换出，MySQL性能急剧下降，这种情况叫缓冲池污染。

例如，有一个数据量较大的用户表，当执行：

select * from user where name like "%shenjian%";

虽然结果集可能只有少量数据，但这类like不能命中索引，必须全表扫描，就需要访问大量的页：

（1）把页加到缓冲池（插入老生代头部）；

（2）从页里读出相关的row（插入新生代头部）；

（3）row里的name字段和字符串shenjian进行比较，如果符合条件，加入到结果集中；

（4）…直到扫描完所有页中的所有row…

 

如此一来，所有的数据页都会被加载到新生代的头部，但只会访问一次，真正的热数据被大量换出。

怎么这类扫码大量数据导致的缓冲池污染问题呢？

MySQL缓冲池加入了一个“老生代停留时间窗口”的机制：

（1）假设T=老生代停留时间窗口；

（2）插入老生代头部的页，即使立刻被访问，并不会立刻放入新生代头部；

（3）只有满足“被访问”并且“在老生代停留时间”大于T，才会被放入新生代头部；

继续举例，假如批量数据扫描，有51，52，53，54，55等五个页面将要依次被访问。

 

 如果没有“老生代停留时间窗口”的策略，这些批量被访问的页面，会换出大量热数据。

 加入“老生代停留时间窗口”策略后，短时间内被大量加载的页，并不会立刻插入新生代头部，而是优先淘汰那些，短期内仅仅访问了一次的页。

而只有在老生代呆的时间足够久，停留时间大于T，才会被插入新生代头部。

 

上述原理，对应InnoDB里哪些参数？

有三个比较重要的参数。

参数：innodb_buffer_pool_size

介绍：配置缓冲池的大小，在内存允许的情况下，DBA往往会建议调大这个参数，越多数据和索引放到内存里，数据库的性能会越好。 

参数：innodb_old_blocks_pct

介绍：老生代占整个LRU链长度的比例，默认是37，即整个LRU中新生代与老生代长度比例是63:37。

画外音：如果把这个参数设为100，就退化为普通LRU了。

参数：innodb_old_blocks_time

介绍：老生代停留时间窗口，单位是毫秒，默认是1000，即同时满足“被访问”与“在老生代停留时间超过1秒”两个条件，才会被插入到新生代头部。

总结

（1）缓冲池(buffer pool)是一种常见的降低磁盘访问的机制；

（2）缓冲池通常以页(page)为单位缓存数据；

（3）缓冲池的常见管理算法是LRU，memcache，OS，InnoDB都使用了这种算法；

（4）InnoDB对普通LRU进行了优化：

• 将缓冲池分为老生代和新生代，入缓冲池的页，优先进入老生代，页被访问，才进入新生代，以解决预读失效的问题

• 页被访问，且在老生代停留时间超过配置阈值的，才进入新生代，以解决批量数据访问，大量热数据淘汰的问题

3.2 写缓冲(Change Buffer)

目的是提升InnoDB性能，加速写请求，避免每次写入都进行磁盘IO。

画外音：我C，这个牛逼，写入居然都可以不进行磁盘IO？

3.3 自适应哈希索引(Adaptive Hash Index)

目的是提升InnoDB性能，加速读请求，减少索引查询的寻路路径。

这里面涉及的技术点包括：聚集索引，普通索引，哈希索引…

3.4 日志缓冲(Log Buffer)

目的是提升InnoDB性能，极大优化redo日志性能，并提供了高并发与强一致性的折衷方案。

这里面涉及的技术点包括：redo log作用，流程，三层架构，随机写优化为顺序写，次次写优化为批量写…

4 InnoDB磁盘结构

主要包括日志与表空间，其结构与原理比InnoDB内存结构更加复杂，如果大家感兴趣，未来再撰文详述。

99 直接读这些牛人的原文

Mysql-Innodb : 从一个字节到整个数据库表了解物理存储结构和逻辑存储结构

MySQL InnoDB 存储引擎原理浅析