InnoDB存储结构

 

下图是官方提供的InnoDB总体结构：分为内存结构（下图左侧）和磁盘结构（右侧）两部分。

内存部分由多个缓冲区构成，分为 缓冲池（Buffer Pool，检测BP） 和 日志缓冲（Log Buffer），缓冲区的最小逻辑单位是页（page）。

页是数据库的最小操作单位，无论是在磁盘还是内存中数据库的操作单位都是页，一页等于文件系统的一个或者多个块，mysql默认页大小为16K。

 

 

磁盘部分包括各种表空间，主要有以下5种：系统表空间（System Tablespace，又称共享表空间）、独立表空间（File-Per-Table Tablespaces)、undo表空间（undo Tablespaces）、通用表空间（General Tablespaces）、临时表空间。

innodb可以选择使用系统表空间还是独立表空间存储表，如果选择前者，则所有innodb表都保存在 ibdata1 这个表文件中，选择后者则一个innodb表占据一个表文件，拥有自己独立的表文件。

 

 

 

 

缓冲池 Buffer Pool

 

缓冲池是mysql向操作系统申请的一片连续内存空间（实际上缓存池实例中的块（chunk）内部是连续的，但chunk之间是离散的），存储单位是页，称为缓冲页或缓存页，缓存页的大小和磁盘页一样为16K。

每一个缓存页都会有对应的控制块记录其控制信息（例如页所属的表空间号、页号、页在缓存中的地址、下一页的指针等）。

 

 

缓冲池包括：数据页（data Page）、索引页（index Page）、undo页、写缓冲区（change page，简称 CB）、自适应哈希索引（adaptive hash index）和其他信息（如锁信息，数据字典信息）等。

 

 

- Buffer Pool 的预读特性

磁盘IO按页读取，查询某条记录不是只读取这条记录，而是读取这条记录所在的整个页并缓存。

根据局部性原理，短期内数据读取是集中在某个小的范围之内的，所以本次读取的数据大概率和上次读取的数据在一个页内。

假设把这个页放到内存缓存，那么这个页下次被命中的可能性比较高，从而避免重复的磁盘IO。所以缓存整个页具有预读的作用，预读也是缓冲池一大作用。

 

例如 本次查询 id = 5 的行，系统缓存了页号为1001的页，下次查询id = 6的行（假设这两行放在同一页中），就会命中1001号页的缓存，无需进行磁盘IO。

InnoDB怎么在不查询磁盘的情况下知道 id = 6的记录也位于 1001号页呢？很简单，因为该表的索引页缓存了起来，系统查询缓存中的索引页就能得知id=6的数据页页号。

 

Innodb的预读不仅只读取本次所需的一个页面，还可能读取和该页面相邻近的其他页面。

 

预读分为两种：线性预读 和 随机预读。

线性预读是指当某个区（extend，1 extend 包含 64 page）内被顺序访问的页面（即离散分布）超过56个时，innodb会把下一个区的全部页面异步载入buffer pool。

随机预读是指当某个区的13个连续页面在buffer pool中，而且这13个页面都在lru热区域的前 1/4 位置内时，innodb都会把本区内的所有页异步载入buffer pool。

 

 

 

- Buffer Pool 的页分类

free page ：空闲page，未被使用过的页；

clean page：正在被使用的干净页，即没有被修改过的页；

dirty page：脏页，用户做出DML操作修改数据且这些数据刚好在缓冲池的页就是脏页，这样的页与磁盘中对应的页数据不一致。

 

针对这3种页，InnoDB使用3种链表维护：

free list：空闲页链表，管理 free page；

flush list：脏页链表，管理 dirty page 并在某个时刻对该链表的脏页进行刷盘，按脏页的修改时间排序，更新操作早的脏页先被刷盘；

lru list：正在使用的内存页链表，里面包含 clean page 和 dirty page，也就是说 lru list 中的页包含 flush list 中的所有脏页。

 

实际上链表中的节点不是缓存页本身，而是页对应的控制块：

 

链表的基节点（记录链表首尾节点地址的空间）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，而是一块单独申请的内存空间。

除了这3个列表之外，innodb的buffer pool还管理了很多其他链表如管理压缩页的链表等。

 

 

 

- 改良版lru算法

 

Innodb的buffer pool中，lru链表遵循LRU算法管理缓存页。

 

刚开始lru列表是空的，所有的内存页都放在 free 列表；当数据从磁盘读到内存，系统先从free列表查找是否有可用的空闲页，有则从free 列表移除放到lru列表，没有则按照lru算法释放旧的缓存页。

 

注意：free list + lru list 不一定等于 Buffer Pool 的大小，因为 Buffer Pool 还存放 写缓冲区、自适应哈希索引和其他信息。

 

整个mysql使用的内存区可以划分为多个Buffer Pool ，一个Buffer Pool 可以分为多个块（chunk），每个chunk包含有多个page。

 

实际上，innodb使用的是一种改良版的LRU算法来管理缓存页，它相比于正常的LRU算法有以下优化。

 

 

优化点1：midpoint

普通LRU遵循新数据从链头加入，链表满了需要释放时从末尾弹出。改良LRU设置了一个 midpoint 点，新页（刚从磁盘读到的页或者刚进入lru list没多久的页）不放在LRU首部，而是放在 midpoint 后的第一个位置，链表满了则从末尾弹出节点。

 

midpoint 前的页是 热数据 列表区（new list），midpoint 后的页是 冷数据 列表区（old list）。midpoint 默认位于距离 lru 的链头的 5/8 的位置。

 

使用改良LRU是为了防止某些不常用的数据占用buffer pool空间，比如预读了不常用的页，或者 扫描操作（如全表扫描、索引扫描、大范围查询）查到大量数据，导致缓冲池的热数据被（部分或全部）刷走，这种情况称为缓冲池污染。使用了midpoint之后，被刷走的也只是midpoint后的cold数据。

 

 

优化点2：old_blocks_time

InnoDB规定 页读到cold区域之后 需要隔一段时间T才有资格进入到LRU列表的热端（在这段时间T内该cold页再次被访问也不会进入热端列表），这是为了防止某些不常用的页（如全表扫描的页）在短时间（如1秒内）内被多次访问，让系统误以为它是热数据从而将其放入了热端区域。

 

 

优化点3：减少热页在链表移动

我们知道热数据页会被频繁的访问，如果一个热数据页每被访问一次就被移动到 lru链表 首部，那么操作内存的开销也不小。Innodb规定热区域的前 1/4 的页被访问后不会移动位置，后 3/4 的页被访问就需要移动到头部，这样可以减少链表的指针操作。

 

LRU链表还有很多的优化点，这里不一一介绍。

 

 

 

- 缓冲页的哈希处理

我们知道InnoDb访问某页时，不是直接从磁盘读取，而是先从缓冲池（的lru链表）读取页；如果没命中缓存，就从磁盘读取页到缓冲池缓存，下次读到相同的页则直接从缓冲池读取，从而减少磁盘IO。

 

问题是怎么知道我要查询的页是否在buffer pool呢，难道要对lru链表一个个页遍历？遍历是不可能遍历的，这辈子都不可能遍历的。

 

其实学过lru算法的小伙伴们都知道，lru算法的实现需要 链表 和 哈希表两个结构。

innodb是通过 页所在表空间号 + 页号 来定位一个页的，所以缓存一个页时，系统除了将该页的控制块链入lru链表之外，还会将 该页的表空间号 + 页号 作为key，页的控制块地址作为value写入到哈希表中。

所以当要访问某个页时，根据该 表空间号+页号 即可得知页在不在buffer pool，在buffer pool的哪个地方。

 

 

- 脏页刷盘

后台有专门的线程负责每隔一段时间就把脏页刷新到磁盘，这样可以不影响用户线程正常处理用户请求。

 

刷新方式主要有下面几种：

 

1、从LRU 链表的冷数据区刷新部分页面到磁盘

后台线程会定时从 LRU 链表尾部开始扫描指定数量的页面（比如每次只扫描最靠近末尾的1000个页），发现脏页（控制块的某个属性记录了一个页是不是脏页）则刷新到磁盘，这种刷 新页面的方式称为BUF_FLUSH_LRU。

 

热数据的脏页会随着它不被访问而进入到冷数据区，从而被检测到并刷盘。如果热数据的脏页一直都在使用，不会进入到冷数据区，也可以通过第二种方式保证热数据的脏页在一定时间内刷盘。

 

优先刷盘冷数据而不优先刷盘热数据是因为，热数据在短时间可能被多次修改，如果优先刷盘热数据页，这个页很快又会被修改，又需要再刷盘，不如等它变成冷数据再刷盘。

 

2、从 flush 链表中刷新一部分页面到磁盘

这种刷新页面的方式称为 BUF_FLUSH_LIST。flush链表包括 lru链表热数据页 和 冷数据页的脏页。

 

3、主动刷盘内存池中被淘汰的脏页

如果在buffer pool已满的情况下，用户线程从磁盘读取某个页要链入lru链表，lru链表会释放尾部的一个页。

假设这个释放的页是一个脏页，那么用户线程就不得不亲自把这个脏页刷盘，因而降低用户请求的速度。这种方式称为 BUF_FLUSH_SINGLE_PAGE。

 

之所以需要后台线程定时刷盘脏页就是为了尽可能避免发生 BUF_FLUSH_SINGLE_PAGE。

 

 

 

- 多个Buffer Pool

一个mysql实例中，缓冲池不只一个，而是有多个，所有缓存页根据哈希值平均分配到不同缓冲池实例。将内存空间分为多个缓冲池是为了增加临界资源，减少多个线程对buffer pool的竞争（毕竟访问buffer pool的各种链表都需要加锁处理），提高并发。

 

每个 buffer pool有自己独立的内存空间，独立的lru、free、flush链表。buffer pool的个数不是越多越好，因为管理每一个buffer pool也需要开销。

 

 

 

- Buffer Pool分块

Buffer Pool 分块（chunk）是mysql 5.7.5之后的特性，该特性是指一个buffer pool实例是由多个块组成，每个块的块内空间是连续的，块与块之间是离散的。

在 mysql 5.7.5之前，为buffer pool申请内存空间是整个buffer pool 实例都是连续的。

 

buffer pool分块是为了方便用户可以在mysql运行期间能够调整buffer pool的大小（innodb_buffer_pool_size）。

假设，整个buffer pool都是连续的，如果用户增大buffer pool的大小，系统必须分配一个比原来 buffer pool 更大的连续空间，再将原来buffer pool的数据拷贝到新空间，这个CPU时间开销无疑是巨大的。

但是使用了 分块 存储的方式，当想要增大 buffer pool 的大小时，系统只需多申请一个块或者多个块的空间，并将这些块链入这个buffer pool实例中即可。

一个块的大小由参数innodb_buffer_pool_chunk_size控制，默认一个chunk为128M。

 

 

 

- Buffer Pool 预热

Mysql重启时，BP中的热数据会清空，为此mysql提供了缓冲池预热功能，当关机时会把内存中的热数据写入到 ib_buffer_pool 文件中，保存的数据占 lru 的比例可由参数控制，mysql启动时会自动加载热数据到缓冲池。预热功能默认开启。

 

 

- Buffer Pool配置参数

innodb_page_size

BP缓冲区大小（单位是页），建议将其设为总内存的 60% ~ 80%。

 

innodb_old_blocks_pct

midpoint离链尾的百分比，默认37.5%。

 

innodb_old_blocks_time 

新页需要隔多长时间才能进入lru链表的热端。

 

innodb_buffer_pool_instances  

Buffer Pool的个数，建议设为多个。

 

innodb_buffer_pool_dump_at_shutdown 

关闭服务时保存热数据.

 

innodb_buffer_pool_dump_pct

保存热数据的比例。

 

innodb_buffer_pool_load_at_startup

开机时载入热数据

 

可以通过 show variables like '%...%' 查看以上配置项；

 

注意：Innodb的缓冲池 和 查询缓存 是不同的两个东西，前者属于存储引擎层，后者属于服务层，前者是缓存已经读取过的页，后者是缓存查询语句和查询结果的映射关系，后者想要命中缓存必须要做到下一次用相同的sql语句查询。

 

 

- 写缓冲 Change Buffer

在进行DML操作时，系统不会直接将变更刷新到磁盘中，而是会先将变更的页写入到缓冲区，经过一系列策略同步到磁盘。

 

此时分为两种情况：

1、当更改的页存在于 Buffer Pool 的 lru 链表，则直接在缓冲池中修改这个页，这个页会变成脏页，链入到 flush list中，但并不马上刷盘；此时不涉及 change buffer 操作。

 

2、当更改的页不存在于 Buffer Pool 的 lru 链表，就要先从磁盘读取要修改的数据页到Buffer Pool后再修改（数据不可能在磁盘中直接更改，肯定要读到内存，在内存中修改）。

但为了避免修改操作引发的磁盘读IO，系统会将DML操作记录到 change buffer中，并不马上刷盘。

等下次对这些修改的页进行查询时，由于lru链表不存在该页，会从磁盘读取（磁盘页是更改前的数据），为了避免读到脏数据，该磁盘页会和 change buffer中的更改合并后才链入到 lru链表。

如果未来一段时间都不会查询到这个修改了的页，也会有 insert buffer thread 定时将change buffer 的数据合并到磁盘页中。

 

使用change buffer可以避免数据更改时因为隐式查询数据带来的磁盘IO，这是change buffer提升性能的地方。

如果做出的更改是对唯一键索引的值的修改，innodb要做唯一性校验，必须查询磁盘，再在lru链表上的页修改，不会在change buffer 中操作。

change buffer 默认占 Buffer Pool 的 25%，最大允许占50%。可以根据写业务的量调整，写操作越频繁，change buffer 带来的性能提升越明显。

 

 

日志缓冲区 Log Buffer

log buffer 用来缓存要写入log文件的数据（redo和undo）。

这里的log文件是指Innodb引擎的日志，所以不包括什么binlog日志、慢查询日志之类的其他日志，日志缓冲区会定期刷新到磁盘的log文件中。

 

从日志缓冲区 log buffer 刷盘到 log文件需要经过 操作系统内核的缓冲区 os cahce（见本文第一张图中的 Operation System Cache），因为IO操作需要委托操作系统来完成。

innodb_flush_log_at_trx_commit参数控制日志刷新的行为和周期，默认为1。log日志刷盘有3种策略：

 

1、每隔1秒从 log buffer 写入OS cache，并马上刷盘，mysql服务故障或者主机宕机则丢失1秒数据。

 

2、事务提交时，立刻从 log buffer 写入 os cache， 并马上刷盘，mysql服务故障或者主机宕机不会丢失数据，但会频繁发生磁盘IO。

 

3、事务提交时，立刻从 log buffer 写入 os cache，每隔1秒刷盘，mysql服务故障不会丢失数据，因为数据已经进入操作系统缓存，与mysql进程无关了，主机宕机则丢失1秒数据。

 

除此之外，当redo/undo日志缓冲区满了之后，也会触发刷盘。

上面所说的刷盘是指日志数据刷盘到log文件，而不是表数据刷盘到表文件，数据刷盘到表文件是发生在redo日志刷盘到redo log文件之后才发生的，而且是从buffer pool刷盘到表文件的。

刷盘操作是异步IO，由专门的线程完成这件事，不会阻塞用户请求的处理。

 

 

- InnoDb的线程模型

Innodb的这些线程负责的是数据在Innodb的内存和磁盘间的传输。

 

IO Thread

负责读写操作，使用AIO读写（异步IO），InnoDB 1.0 版本之前一共有4个IO线程，分别是 write、read、insert buffer 和 log thread，后来将read thread 和 write thread增大到4个，一共10个IO线程。

 

 

read thread：将数据从磁盘加载到缓存page页；

write thread：将缓存脏页刷新到磁盘；

log thread：将日志缓冲区刷盘到log文件；

insert buffer thread：将写缓冲change buffer的更改内容刷新到磁盘；

 

Purge Thread

事务提交之后，该事务相关的undo日志不再需要，Purge Thread负责回收已分配的undo页。默认有4个purge thread。

 

Page Cleaner Thread

将脏数据刷新到磁盘（会调用 write thread 线程），脏数据刷盘后对应的redo log也就没用了，可以释放掉这部分 redo log，达到redo log 循环使用的目的。默认有1个Page Cleaner thread。

 

Master Thread 主线程

负责调度其他线程，优先级最高。主要职能：脏页刷盘（调用page cleaner thread）、undo页回收（purge thread）、redo日志刷新（log thread）、合并写缓冲（insert buffer thread）。如果这些子线程通过配置关闭了，那么关闭的子线程的任务就会由master thread来做。

主线程是由多个无限循环构成的，主要有2个主处理，分别是每隔1秒和10秒的处理：

每1秒的操作（有条件的做）：

·刷盘日志缓冲区

·合并change buffer数据到磁盘的B+树中，根据IO读写压力决定是否操作

·刷盘脏页到磁盘（条件是脏页比例达到75%才操作（innodb_max_dirty_pages_pct），而且不是一次性刷盘所有脏页，而是默认每次刷盘200页（innodb_io_capacity））。

 

每10秒操作（无条件的做）：

·刷盘脏页到磁盘

·合并change buffer数据

·刷盘日志缓冲区

·删除无用的undo页