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详解MySQL buffer pool

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。

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。

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。

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。

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。

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；

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。

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；

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；

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。

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

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；

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。

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。

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

思路，比结论重要。解决了什么问题，比方案重要。

数据库内存会不会被打爆

问题 ：我的主机内存只有100G，现在要对一个200G的大表做全表扫描，会不会把数据库主机的内存用光了？

这个问题确实值得担心，被系统OOM（out of memory）可不是闹着玩的。但是，反过来想想，逻辑备份的时候，可不就是做整库扫描吗？如果这样就会把内存吃光，逻辑备份不是早就挂了？

所以说，对大表做全表扫描，看来应该是没问题的。但是，这个流程到底是怎么样的呢？

全表扫描对server层的影响

假设，我们现在要对一个200G的InnoDB表db1. t，执行一个全表扫描。当然，你要把扫描结果保存在客户端，会使用类似这样的命令：

mysql -h$host -P$port -u$user -p$pwd -e "select * from db1.t" > $target_file

你已经知道了，InnoDB的数据是保存在主键索引上的，所以全表扫描实际上是直接扫描表t的主键索引。这条查询语句由于没有其他的判断条件，所以查到的每一行都可以直接放到结果集里面，然后返回给客户端。

那么，这个“结果集”存在哪里呢？

实际上，服务端并不需要保存一个完整的结果集。取数据和发数据的流程是这样的：

1. 获取一行，写到net_buffer中。这块内存的大小是由参数net_buffer_length定义的，默认是16k。

2. 重复获取行，直到net_buffer写满，调用网络接口发出去。

3. 如果发送成功，就清空net_buffer，然后继续取下一行，并写入net_buffer。

4. 如果发送函数返回EAGAIN或WSAEWOULDBLOCK，就表示本地网络栈（socket send buffer）写满了，进入等待。直到网络栈重新可写，再继续发送。

这个过程对应的流程图如下所示。

                                                                                图1 查询结果发送流程

从这个流程中，你可以看到：

1. 一个查询在发送过程中，占用的MySQL内部的内存最大就是net_buffer_length这么大，并不会达到200G；

2. socket send buffer 也不可能达到200G（默认定义/proc/sys/net/core/wmem_default），如果socket send buffer被写满，就会暂停读数据的流程。

也就是说，MySQL是边读边发的，如果客户端接收得慢，会导致MySQL服务端由于结果发不出去，这个事务的执行时间变长。

比如下面这个状态，就是我故意让客户端不去读socket receive buffer中的内容，然后在服务端show processlist看到的结果。

                                                                                                   图2 服务端发送阻塞

如果你看到State的值一直处于“Sending to client”，就表示服务器端的网络栈写满了。

如果客户端使用–quick参数，会使用mysql_use_result方法。这个方法是读一行处理一行。你可以想象一下，假设有一个业务的逻辑比较复杂，每读一行数据以后要处理的逻辑如果很慢，就会导致客户端要过很久才会去取下一行数据，可能就会出现如图2所示的这种情况。

因此，对于正常的线上业务来说，如果一个查询的返回结果不会很多的话，我都建议你使用mysql_store_result这个接口，直接把查询结果保存到本地内存。

当然前提是查询返回结果不多。有同学说到自己因为执行了一个大查询导致客户端占用内存近20G，这种情况下就需要改用mysql_use_result接口了。

另一方面，如果你在自己负责维护的MySQL里看到很多个线程都处于“Sending to client”这个状态，就意味着你要让业务开发同学优化查询结果，并评估这么多的返回结果是否合理。

而如果要快速减少处于这个状态的线程的话，将net_buffer_length参数设置为一个更大的值是一个可选方案。

与“Sending to client”长相很类似的一个状态是“Sending data”，这是一个经常被误会的问题。有同学问我说，在自己维护的实例上看到很多查询语句的状态是“Sending data”，但查看网络也没什么问题啊，为什么Sending data要这么久？

实际上，一个查询语句的状态变化是这样的（注意：这里，我略去了其他无关的状态）：

• MySQL查询语句进入执行阶段后，首先把状态设置成“Sending data”；

• 然后，发送执行结果的列相关的信息（meta data) 给客户端；

• 再继续执行语句的流程；

• 执行完成后，把状态设置成空字符串。

也就是说，“Sending data”并不一定是指“正在发送数据”，而可能是处于执行器过程中的任意阶段。比如，你可以构造一个锁等待的场景，就能看到Sending data状态。

                                                                                     图 4 Sending data状态

可以看到，session B明显是在等锁，状态显示为Sending data。

也就是说，仅当一个线程处于“等待客户端接收结果”的状态，才会显示"Sending to client"；而如果显示成“Sending data”，它的意思只是“正在执行”。

现在你知道了，查询的结果是分段发给客户端的，因此扫描全表，查询返回大量的数据，并不会把内存打爆。

在server层的处理逻辑我们都清楚了，在InnoDB引擎里面又是怎么处理的呢？ 扫描全表会不会对引擎系统造成影响呢？

全表扫描对InnoDB的影响

内存的数据页是在buffer pool 中管理的，在WAL里Buffer Pool 起到了加速更新的作用。而实际上，Buffer Pool 还有一个更重要的作用，就是加速查询。

由于有WAL机制，当事务提交的时候，磁盘上的数据页是旧的，那如果这时候马上有一个查询要来读这个数据页，是不是要马上把redo log应用到数据页呢？

答案是不需要。因为这时候内存数据页的结果是最新的，直接读内存页就可以了。你看，这时候查询根本不需要读磁盘，直接从内存拿结果，速度是很快的。所以说，Buffer Pool还有加速查询的作用。

而Buffer Pool对查询的加速效果，依赖于一个重要的指标，即：内存命中率。

你可以在show engine innodb status结果中，查看一个系统当前的BP命中率。一般情况下，一个稳定服务的线上系统，要保证响应时间符合要求的话，内存命中率要在99%以上。

执行show engine innodb status ，可以看到“Buffer pool hit rate”字样，显示的就是当前的命中率。比如图5这个命中率，就是99.0%。

                                                                                      图6 基本LRU算法

InnoDB管理Buffer Pool的LRU算法，是用链表来实现的。

1. 在图6的状态1里，链表头部是P1，表示P1是最近刚刚被访问过的数据页；假设内存里只能放下这么多数据页；

2. 这时候有一个读请求访问P3，因此变成状态2，P3被移到最前面；

3. 状态3表示，这次访问的数据页是不存在于链表中的，所以需要在Buffer Pool中新申请一个数据页Px，加到链表头部。但是由于内存已经满了，不能申请新的内存。于是，会清空链表末尾Pm这个数据页的内存，存入Px的内容，然后放到链表头部。

4. 从效果上看，就是最久没有被访问的数据页Pm，被淘汰了。

这个算法乍一看上去没什么问题，但是如果考虑到要做一个全表扫描，会不会有问题呢？

假设按照这个算法，我们要扫描一个200G的表，而这个表是一个历史数据表，平时没有业务访问它。

那么，按照这个算法扫描的话，就会把当前的Buffer Pool里的数据全部淘汰掉，存入扫描过程中访问到的数据页的内容。也就是说Buffer Pool里面主要放的是这个历史数据表的数据。

对于一个正在做业务服务的库，这可不妙。你会看到，Buffer Pool的内存命中率急剧下降，磁盘压力增加，SQL语句响应变慢。

所以，InnoDB不能直接使用这个LRU算法。实际上，InnoDB对LRU算法做了改进。

                                                                                           图 7 改进的LRU算法

在InnoDB实现上，按照5:3的比例把整个LRU链表分成了young区域和old区域。图中LRU_old指向的就是old区域的第一个位置，是整个链表的5/8处。也就是说，靠近链表头部的5/8是young区域，靠近链表尾部的3/8是old区域。

改进后的LRU算法执行流程变成了下面这样。

1. 图7中状态1，要访问数据页P3，由于P3在young区域，因此和优化前的LRU算法一样，将其移到链表头部，变成状态2。

2. 之后要访问一个新的不存在于当前链表的数据页，这时候依然是淘汰掉数据页Pm，但是新插入的数据页Px，是放在LRU_old处。

3. 处于old区域的数据页，每次被访问的时候都要做下面这个判断：

• 若这个数据页在LRU链表中存在的时间超过了1秒，就把它移动到链表头部；

• 如果这个数据页在LRU链表中存在的时间短于1秒，位置保持不变。1秒这个时间，是由参数innodb_old_blocks_time控制的。其默认值是1000，单位毫秒。

这个策略，就是为了处理类似全表扫描的操作量身定制的。还是以刚刚的扫描200G的历史数据表为例，我们看看改进后的LRU算法的操作逻辑：

1. 扫描过程中，需要新插入的数据页，都被放到old区域;

2. 一个数据页里面有多条记录，这个数据页会被多次访问到，但由于是顺序扫描，这个数据页第一次被访问和最后一次被访问的时间间隔不会超过1秒，因此还是会被保留在old区域；

3. 再继续扫描后续的数据，之前的这个数据页之后也不会再被访问到，于是始终没有机会移到链表头部（也就是young区域），很快就会被淘汰出去。

可以看到，这个策略最大的收益，就是在扫描这个大表的过程中，虽然也用到了Buffer Pool，但是对young区域完全没有影响，从而保证了Buffer Pool响应正常业务的查询命中率。

感谢各位的阅读，以上就是“MySQL的buffer pool有什么用”的内容了，经过本文的学习后，相信大家对MySQL的buffer pool有什么用这一问题有了更深刻的体会，具体使用情况还需要大家实践验证。这里是创新互联，小编将为大家推送更多相关知识点的文章，欢迎关注！

新闻名称：MySQL的bufferpool有什么用
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