詳細(xì)了解 InnoDB 內(nèi)存結(jié)構(gòu)及其原理

InnoDB內(nèi)存結(jié)構(gòu)

其大致結(jié)構(gòu)如下圖。

InnoDB內(nèi)存的兩個(gè)主要區(qū)域分別為Buffer Pool和Log Buffer，此處的Log Buffer目前是用于緩存Redo Log。而Buffer Pool則是MySQL或者說InnoDB中，十分重要、核心的一部分，位于主存。這也是為什么其訪問數(shù)據(jù)的效率高，你可以暫時(shí)把它理解成Redis那樣的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫，因?yàn)槲覀兏潞托略霎?dāng)然它不是，只是這樣會更加方便我們理解。

Buffer Pool

通常來說，宿主機(jī)80%的內(nèi)存都應(yīng)該分配給Buffer Pool，因?yàn)锽uffer Pool越大，其能緩存的數(shù)據(jù)就更多，更多的操作都會發(fā)生在內(nèi)存，從而達(dá)到提升效率的目的。

由于其存儲的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量非常多，Buffer Pool存儲的時(shí)候一定會按照某些結(jié)構(gòu)去存儲，并且做了某些處理。否則獲取的時(shí)候除了遍歷所有數(shù)據(jù)之外，沒有其他的捷徑，這樣的低效率操作肯定是無法支撐MySQL的高性能的。

因此，Buffer Pool被分成了很多頁，這在之前的文章中也有講過，這里不再贅述。每頁可以存放很多數(shù)據(jù)，剛剛也提到了，InnoDB一定是對數(shù)據(jù)做了某些操作。

InnoDB使用了鏈表來組織頁和頁中存儲的數(shù)據(jù)，頁與頁之間形成了雙向鏈表，這樣可以方便的從當(dāng)前頁跳到下一頁，同時(shí)使用LRU（Least Recently Used）算法去淘汰那些不經(jīng)常使用的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，每頁中的數(shù)據(jù)也通過單向鏈表進(jìn)行鏈接。因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)是分散到Buffer Pool中的，單向鏈表將這些分散的內(nèi)存給連接了起來。

Log Buffer

Log Buffer用來存儲那些即將被刷入到磁盤文件中的日志，例如Redo Log，該區(qū)域也是InnoDB內(nèi)存的重要組成部分。Log Buffer的默認(rèn)值為16M，如果我們需要進(jìn)行調(diào)整的話，可以通過配置參數(shù)innodb_log_buffer_size來進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)Log Buffer如果較大，就可以存儲更多的Redo Log，這樣一來在事務(wù)提交之前我們就不需要將Redo Log刷入磁盤，只需要丟到Log Buffer中去即可。因此較大的Log Buffer就可以更好的支持較大的事務(wù)運(yùn)行；同理，如果有事務(wù)會大量的更新、插入或者刪除行，那么適當(dāng)?shù)脑龃驦og Buffer的大小，也可以有效的減少部分磁盤I/O操作。

至于Log Buffer中的數(shù)據(jù)刷入到磁盤的頻率，則可以通過參數(shù)innodb_flush_log_at_trx_commit來決定。 

Buffer Pool的LRU算法

了解完了InnoDB的內(nèi)存結(jié)構(gòu)之后，我們來仔細(xì)看看Buffer Pool的LRU算法是如何實(shí)現(xiàn)將最近沒有使用過的數(shù)據(jù)給過期的。

原生LRU

首先明確一點(diǎn)，此處的LRU算法和我們傳統(tǒng)的LRU算法有一定的區(qū)別。為什么呢？因?yàn)閷?shí)際生產(chǎn)環(huán)境中會存在全表掃描的情況，如果數(shù)據(jù)量較大，可能會將Buffer Pool中存下來的熱點(diǎn)數(shù)據(jù)給全部替換出去，而這樣就會導(dǎo)致該段時(shí)間MySQL性能斷崖式下跌。

對于這種情況，MySQL有一個(gè)專用名詞叫緩沖池污染。所以MySQL對LRU算法做了優(yōu)化。

優(yōu)化后的LRU

優(yōu)化之后的鏈表被分成了兩個(gè)部分，分別是 New Sublist 和 Old Sublist，其分別占用了 Buffer Pool 的3/4和1/4。

鏈表的前3/4，也就是 New Sublist 存放的是訪問較為頻繁的頁，而后1/4也就是 Old Sublist 則是反問的不那么頻繁的頁。Old Sublist中的數(shù)據(jù)，會在后續(xù)Buffer Pool剩余空間不足、或者有新的頁加入時(shí)被移除掉。

了解了鏈表的整體構(gòu)造和組成之后，我們就以新頁被加入到鏈表為起點(diǎn)，把整體流程走一遍。首先，一個(gè)新頁被放入到Buffer Pool之后，會被插入到鏈表中 New Sublist 和 Old Sublist 相交的位置，該位置叫MidPoint。

該鏈表存儲的數(shù)據(jù)來源有兩部分，分別是：

• MySQL的預(yù)讀線程預(yù)先加載的數(shù)據(jù)

• 用戶的操作，例如Query查詢

默認(rèn)情況下，由用戶操作影響而進(jìn)入到Buffer Pool中的數(shù)據(jù)，會被立即放到鏈表的最前端，也就是 New Sublist 的 Head 部分。但如果是MySQL啟動(dòng)時(shí)預(yù)加載的數(shù)據(jù)，則會放入MidPoint中，如果這部分?jǐn)?shù)據(jù)被用戶訪問過之后，才會放到鏈表的最前端。

這樣一來，雖然這些頁數(shù)據(jù)在鏈表中了，但是由于沒有被訪問過，就會被移動(dòng)到后1/4的 Old Sublist中去，直到被清理掉。 

優(yōu)化Buffer Pool的配置

在實(shí)際的生產(chǎn)環(huán)境中，我們可以通過變更某些設(shè)置，來提升Buffer Pool運(yùn)行的性能。

• 例如，我們可以分配盡量多的內(nèi)存給Buffer Pool，如此就可以緩存更多的數(shù)據(jù)在內(nèi)存中

• 當(dāng)前有足夠的內(nèi)存時(shí)，就可以搞多個(gè)Buffer Pool實(shí)例，減少并發(fā)操作所帶來的數(shù)據(jù)競爭

• 當(dāng)我們可以預(yù)測到即將到來的大量請求時(shí)，我們可以手動(dòng)的執(zhí)行這部分?jǐn)?shù)據(jù)的預(yù)讀請求

• 我們還可以控制Buffer Pool刷數(shù)據(jù)到磁盤的頻率，以根據(jù)當(dāng)前MySQL的負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)整

那我們怎么知道當(dāng)前運(yùn)行的 MySQL 中 Buffer Pool 的狀態(tài)呢？我們可以通過命令show engine innodb status來查看。這個(gè)命令是看 InnoDB 整體的狀態(tài)的， Buffer Pool 相關(guān)的監(jiān)控指標(biāo)包含在了其中，在Buffer Pool And Memory模塊中。

樣例如下。

----------------------
BUFFER POOL AND MEMORY
----------------------
Total large memory allocated 137428992
Dictionary memory allocated 972752
Buffer pool size   8191
Free buffers       4596
Database pages     3585
Old database pages 1303
Modified db pages  0
Pending reads      0
Pending writes: LRU 0, flush list 0, single page 0
Pages made young 1171, not young 0
0.00 youngs/s, 0.00 non-youngs/s
Pages read 655, created 7139, written 173255
0.00 reads/s, 0.00 creates/s, 0.00 writes/s
No buffer pool page gets since the last printout
Pages read ahead 0.00/s, evicted without access 0.00/s, Random read ahead 0.00/s
LRU len: 3585, unzip_LRU len: 0
I/O sum[0]:cur[0], unzip sum[0]:cur[0]

解釋一些關(guān)鍵的指標(biāo)所代表的含義：

• Total memory allocated：分配給 Buffer Pool 的總內(nèi)存

• Dictionary memory allocated：分配給 InnoDB 數(shù)據(jù)字典的總內(nèi)存

• Buffer pool size：分配給 Buffer Pool 中頁的內(nèi)存大小

• Free buffers：分配給 Buffer Pool 中 Free List 的內(nèi)存大小

• Database pages：分配給 LRU 鏈表的內(nèi)存大小

• Old database pages：分配給 LRU 子鏈表的內(nèi)存大小

• Modified db pages：當(dāng)前Buffer Pook中被更新的頁的數(shù)量

• Pending reads：當(dāng)前等待讀入 Buffer Pool 的頁的數(shù)量

• Pending writes LRU：當(dāng)前在 LRU 鏈表中等待被刷入磁盤的臟頁數(shù)量

都是些很常規(guī)的配置項(xiàng)，你可能會比較好奇什么是 Free List。

Free List 中存放的都是未被使用的頁。因?yàn)镸ySQL啟動(dòng)的時(shí)候，InnoDB 會預(yù)先申請一部分頁。如果當(dāng)前頁還未被使用，就會被保存在 Free List 中。

知道了 Free List，那么你也應(yīng)該知道 Flush List，里面保存的是所有的臟頁，都是被更改后需要刷入到磁盤的。  

自適應(yīng)哈希索引

自適應(yīng)哈希索引（Adaptive Hash Index）是配合Buffer Pool工作的一個(gè)功能。自適應(yīng)哈希索引使得MySQL的性能更加接近于內(nèi)存服務(wù)器。

如果要啟用自適應(yīng)哈希索引，可以通過更改配置innodb_adaptive_hash_index來開啟。如果不想啟用，也可以在啟動(dòng)的時(shí)候，通過命令行參數(shù)--skip-innodb-adaptive-hash-index來關(guān)閉。

自適應(yīng)哈希索引是根據(jù)索引Key的前綴來構(gòu)建的，InnoDB 有自己的監(jiān)控索引的機(jī)制，當(dāng)其檢測到為當(dāng)前某個(gè)索引頁建立哈希索引能夠提升效率時(shí)，就會創(chuàng)建對應(yīng)的哈希索引。如果某張表數(shù)據(jù)量很少，其數(shù)據(jù)全部都在Buffer Pool中，那么此時(shí)自適應(yīng)哈希索引就會變成我們所熟悉的指針這樣一個(gè)角色。

當(dāng)然，創(chuàng)建、維護(hù)自適應(yīng)哈希索引是會帶來一定的開銷的，但是比起其帶來的性能上的提升，這點(diǎn)開銷可以直接忽略不計(jì)。但是，是否要開啟自適應(yīng)哈希索引還是需要看具體的業(yè)務(wù)情況的，例如當(dāng)我們的業(yè)務(wù)特征是有大量的并發(fā)Join查詢，此時(shí)訪問自適應(yīng)哈希索引被產(chǎn)生競爭。并且如果業(yè)務(wù)還使用了LIKE或者%等通配符，根本就不會用到哈希索引，那么此時(shí)自適應(yīng)哈希索引反而變成了系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)。

所以，為了盡可能的減少并發(fā)情況下帶來的競爭，InnoDB對自適應(yīng)哈希索引進(jìn)行了分區(qū)，每個(gè)索引都被綁定到了一個(gè)特定的分區(qū)，而每個(gè)分區(qū)都由單獨(dú)的鎖進(jìn)行保護(hù)。其實(shí)通俗點(diǎn)理解，就是降低了鎖的粒度。分區(qū)的數(shù)量我們可以通過配置innodb_adaptive_hash_index_parts來改變，其可配置的區(qū)間范圍為[8, 512]。 

Change Buffer

聊完了 Buffer Pool 中索引相關(guān)，剩下的就是 Change Buffer 了。Change Buffer是一塊比較特殊的區(qū)域，其作用是用于存儲那些當(dāng)前不在 Buffer Pool 中的但是又被修改過的二級索引。

用流程來描述一下就是，當(dāng)我們更新了非聚簇索引（二級索引）的數(shù)據(jù)時(shí)，此時(shí)應(yīng)該是直接將其在Buffer Pool中的對應(yīng)數(shù)據(jù)更新了即可，但是不湊巧的是，當(dāng)前二級索引不在 Buffer Pool 中，此時(shí)將其從磁盤拉取到 Buffer Pool 中的話，并不是最優(yōu)的解，因?yàn)樵摱壦饕赡苤蟾揪筒粫挥玫?，那么剛剛昂貴的磁盤I/O操作就白費(fèi)了。

所以，我們需要這么一個(gè)地方，來暫存對這些二級索引所做的改動(dòng)。當(dāng)被緩存的二級索引頁被其他的請求加載到了Buffer Pool 中之后，就會將 Change Buffer 中緩存的數(shù)據(jù)合并到 Buffer Pool 中去。

當(dāng)然，Change Buffer也不是沒有缺點(diǎn)。當(dāng) Change Buffer 中有很多的數(shù)據(jù)時(shí)，全部合并到Buffer Pool可能會花上幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，并且在合并的期間，磁盤的I/O操作會比較頻繁，從而導(dǎo)致部分的CPU資源被占用。

那你可能會問，難道只有被緩存的頁加載到了 Buffer Pool 才會觸發(fā)合并操作嗎？那要是它一直沒有被加載進(jìn)來，Change Buffer 不就被撐爆了？很顯然，InnoDB在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮到了這個(gè)點(diǎn)。除了對應(yīng)的頁加載，提交事務(wù)、服務(wù)停機(jī)、服務(wù)重啟都會觸發(fā)合并。