MySQL学习笔记（一）InnoDB内存数据结构浅析

以下文章来源于腾讯云数据库，作者陈俊熹

Innodb存储引擎是目前MySQL最主流的存储引擎，学习Innodb, 可以先从其最基础的数据结构开始。Innodb的数据结构主要包括内存数据结构(In-MemoryStructures)，如buffer pool, change buffer, log buffer等, 磁盘数据结构(On-DiskStructures)，如索引Index, 表空间及日志结构等。

Buffer Pool

Buffer Pool主要是对Innodb存储引擎中的数据表(Table)和索引数据(Index)的一个缓存，它使得MySQL可以直接对一些热数据在内存中进行读取。Innodb BufferPool的作用和操作系统中的Page Cache类似，作为缓存子系统，它们在设计和实现上有很多类似的地方。比如，Buffer Pool也使用page作为管理数据页的最小基本单元，同时使用链表来管理内存页，并且页框的淘汰回收算法都使用了LRU。不同的地方在于，Linux的页框回收算法中使用inactive和active两个链表来管理数据页pages，而在Innodb中，所有的数据页pages都在一个链表上，它通过一个中间点（MidPoint）指针将链表分为“new”和“old”两个子链表。

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如上图所示，当数据页第一次被访问读入内存时，它被插入到MidPoint的位置，也就是“old”子链表的头部。通常来说，数据页被读入内存可能是因为一个query操作，或者是Innodb的预读操作。一个数据页如果是因为query操作被读入内存的，则它会被移动到整个链表的头部。有的数据页是被预读进来的，它不一定会立即被访问，此时它会一直存在于“old”链表内，直到它被淘汰。基于LRU的淘汰策略都存在一个瞬时访问命中率下降的问题。例如，MySQL在进行全表扫描时，会将大量的数据页读入内存，这些数据页几乎都不会再被上层查询所使用，因此又会快速的成为“old” pages被淘汰出内存。所以全表扫描的开销非常大，并且会污染Buffer Pool中的热数据。Innodb提供了一些设置来缓解这种情况。

首先，你可以通过设置参数“innodb_old_blocks_pct”来控制LRU链表中“old” pages的比例，其默认值是37，即有3/8的内存数据页会作为淘汰算法的候选页。“innodb_old_blocks_pct”的可设置范围为[5, 95]，将该参数设成一个较小值，可以减轻全表扫描对内存热数据的影响，此时Buffer Pool中只有很少一部分空间会进行淘汰，而真正的热数据会被一直保留。另外一个参数“innodb_old_blocks_time”设置了一个时间窗，来规定一个数据页被插入到MidPoint之后，在多少时间后可以被移动到“new”子链表头部。

例如，将“innodb_old_blocks_time”值设置为1000ms(即1s)，那么一个数据页被读入内存后，它在1s内无论被访问多少次，也不会成为热数据页。这个参数值可以缓解全表扫描引入的缓存污染问题。比如像全表扫描或预读load进内存的数据页，它们在很短一段时间内被访问后就不会再被访问了，那么此时他们仍然在“old”链表中，可以更快速的被淘汰出内存。

Change Buffer

Change Buffer使用了Buffer Pool的一部分空间，它主要对部分不在Buffer Pool中的数据页的写操作(包括插入，更新和删除)进行缓存。通常来说，Innodb所更新的一个数据页不在Buffer Pool中时，需要将数据页读入内存再进行更新操作，但是这会带来额外的IO开销。使用Change Buffer可以将这部分更新操作先进行缓存，当下次读入这些数据页时，更新操作会merge到数据页上。也有可能系统没有访问这些数据页，此时Change Buffer中的更新操作会被系统定期的sync到磁盘。

值得注意的是，Change Buffer只缓存对二级索引的更新操作。因为相较于主键索引的连续有序且唯一性，二级索引通常是不唯一的，且更新二级索引会有大量的随机IO操作，这对系统性能的影响很大，因此对这部分更新操作进行缓存的收益更加明显。

另外一个需要关注的问题是Change Buffer中的操作是如何持久化。在Innodb中，Change Buffer的更新操作和普通数据的更新操作类似，也会写redo log。最开始Change Buffer使用的是系统表空间，当数据页读入内存并进行merge操作后，系统会记录该数据页redo log并将其标记为脏页，该数据页的变更会被刷回磁盘。因此，Buffer Pool中的更新操作最终都会持久化到磁盘中。

Log Buffer

Redo Log日志文件也需要相应的内存数据结构来进行缓存操作。Log Buffer就是用于缓存日志文件的内存空间，其空间大小可以通过数“innodb_log_buffer_size”来设定。通常来说，日志文件的每次更新都应该刷会磁盘，不然就会有数据丢失或不一致的风险。“innodb_flush_log_at_trx_commit”参数用于设置日志刷回磁盘的频率，其默认值为1，即每次事务提交时，都会记录日志，并将其刷回到磁盘。该参数值为0时，日志写入和刷回磁盘的操作为每秒1次；该参数值为2时，每次事务提交时都会写入Log Buffer，但Log Buffer更新到磁盘的操作为每秒1次。

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Innodb系统架构

上图是Innodb内存数据和磁盘数据结构的示意图，左边就是本文主要学习的内存数据结构。之前也提到，Buffer Pool在Innodb中的作用类似于操作系统中的Page Cache，在图中也可以看到，Buffer Pool绕过了系统缓存，通过O_DIRECT方式来读写数据。所以对Buffer Pool的管理，相当于是Innodb为数据库这种存储系统设计的缓存管理。而Log Buffer并没有使用Buffer Pool的空间，使用的是系统缓存。

小结

本文简要描述了Innodb Buffer Pool, Change Buffer, LogBuffer这三种内存数据结构，作为记录Innodb存储引擎的开篇内容相对基础，有疑问或感悟欢迎在留言区讨论。