MySQL45讲MySQL执行时间抖动

Posted 2021-07-30 sysu_lluozh

平时的工作中，可能遇到过这样的场景，一条SQL语句正常执行的时候特别快，但有时不知道咋回事变得特别慢，且这样的场景很难复现，不只随机且持续时间还很短

看上去，这像是数据库"抖"了一下，接下来看看这是什么原因引起

一、案例类比

1.1 账本更新

InnoDB在处理更新语句的时候，只做了写日志这一个磁盘操作，这个日志叫作redo log(重做日志)，在更新内存写完redo log后，就返回给客户端，本次更新成功

做下类比的话，《孔乙己》里咸亨酒店掌柜记账的账本是数据文件，记账用的粉板是日志文件(redo log)，掌柜的记忆就是内存

掌柜总要找时间把账本更新一下，这对应的就是把内存里的数据写入磁盘的过程，术语就是 flush
在这个flush操作执行之前，孔乙己的赊账总额，其实跟掌柜手中账本里面的记录是不一致的，因为孔乙己今天的赊账金额还只在粉板上，而账本里的记录是老的，还没把今天的赊账算进去

1.2 内存数据页与磁盘数据页

当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候，称这个内存页为"脏页"
内存数据写入到磁盘后，内存和磁盘上的数据页的内容就一致了，称为"干净页"

不论是脏页还是干净页，都在内存中，在这个例子里，内存对应的就是掌柜的记忆

1.3 赊账过程

接下来，用一个示意图来展示一下"孔乙己赊账"的整个操作过程

假设原来孔乙己欠账10文，这次又要赊9文

回到文章开头的问题，不难想象平时执行很快的更新操作，其实就是在写内存和日志， 而mysql偶尔"抖"一下的那个瞬间，可能就是在刷脏页(flush)

二、数据库flush过程

那么，什么情况会引发数据库的flush过程呢？

继续用咸亨酒店掌柜的这个例子，想一想：
掌柜在什么情况下会把粉板上的赊账记录改到账本上？

2.1 场景之redo log写满

第一种场景是，粉板满了，记不下了
这时候如果再有人来赊账，掌柜就只得放下手里的活儿，将粉板上的记录擦掉一些，留出空位以便继续记账，当然在擦掉之前，他必须先将正确的账目记录到账本中才行

这个场景，对应的就是InnoDB的redo log写满了，这时候系统会停止所有更新操作，把 checkpoint往前推进，redo log留出空间可以继续写

redo log状态图：

checkpoint并不是随便往前修改一下位置就可以的，如上图把checkpoint位置从CP推进到CP’，需要将两个点之间的日志(浅绿色部分)，对应的所有脏页都flush到磁盘上
此时从write pos到CP’之间就是可以再写入的redo log的区域

2.2 场景之系统内存不足

第二种场景是，这一天生意太好，要记住的事情太多，掌柜发现自己快记不住了，赶紧找出账本把孔乙己这笔账先加进去

这种场景，对应的就是系统内存不足
当需要新的内存页，而内存不够用的时候，就要淘汰一些数据页，空出内存给别的数据页使用。如果淘汰的是"脏页"，就要先将脏页写到磁盘

这时候难道不能直接把内存淘汰掉，下次需要请求的时候，从磁盘读入数据页，然后拿redo log出来应用不就行了？
这里其实是从性能考虑的。如果刷脏页一定会写盘，就保证了每个数据页有两种状态：

1. 内存里存在数据，内存里就肯定是正确的结果，直接返回
2. 内存里没有数据，可以肯定数据文件上是正确的结果，读入内存后返回，这样的效率最高

2.3 场景之空闲处理

第三种场景是，生意不忙或者打烊之后，这时候柜台没事，掌柜闲着也是闲着，不如更新账本

这种场景，对应的就是MySQL认为系统"空闲"的时候
当然，MySQL"这家酒店"的生意好起来可是会很快就能把粉板记满的，所以掌柜要合理地安排时间，即使是生意好的时候，也要见缝插针地找时间，只要有机会就刷一点"脏页"

2.4 场景之关闭前处理

第四种场景是，年底了咸亨酒店要关门几天，需要把账结清一下，这时候掌柜要把所有账都记到账本上，这样过完年重新开张的时候，就能就着账本明确账目情况

这种场景，对应的就是MySQL正常关闭的情况
这时候，MySQL会把内存的脏页都flush到磁盘上，这样下次MySQL启动的时候，就可以直接从磁盘上读数据，启动速度会很快

三、不同场景flush的性能

接下来，分析一下上面四种场景对性能的影响

3.1 redo log写满

第一种是redo log写满了，要flush脏页，这种情况是InnoDB要尽量避免的

出现这种情况的时候，整个系统就不能再接受更新了，所有的更新都必须堵住
如果从监控上看， 这时候更新数会跌为0

3.2 系统内存不足

第二种是内存不够用了，要先将脏页写到磁盘，这种情况其实是常态

InnoDB用缓冲池(buffer pool)管理内存，缓冲池中的内存页有三种状态：

1. 还没有使用的
2. 使用了并且是干净页
3. 使用了并且是脏页

InnoDB的策略是尽量使用内存，因此对于一个长时间运行的库来说，未被使用的页面很少

当要读入的数据页没有在内存的时候，就必须到缓冲池中申请一个数据页，这时候只能把最久不使用的数据页从内存中淘汰掉：

• 如果要淘汰的是一个干净页，就直接释放出来复用
• 如果要淘汰的是一个脏页，必须将脏页先刷到磁盘，变成干净页后才能复用

所以，刷脏页虽然是常态，但是出现以下这两种情况，都是会明显影响性能的：

1. 一个查询要淘汰的脏页个数太多，会导致查询的响应时间明显变长
2. 日志写满，更新全部堵住，写性能跌为0，这种情况对敏感业务来说，是不能接受的

因此，InnoDB需要控制脏页比例的机制，来尽量避免上面的这两种情况

3.3 空闲处理

第三种情况是属于MySQL空闲时的操作，这时系统没什么压力，不需要过多关注"性能"问题

3.4 关闭前处理

第四种场景是数据库本来就要关闭了，这两种情况下，也不用太关注"性能"问题

四、InnoDB刷脏页的控制策略

接下来，看看InnoDB脏页的控制策略，以及和这些策略相关的参数

首先，要正确地告诉InnoDB所在主机的IO能力，这样InnoDB才能知道需要全力刷脏页的时 候，可以刷多快
这就要用到innodb_io_capacity这个参数了，它会告诉InnoDB你的磁盘能力，这个值建议设置成磁盘的IOPS
其实，因为没能正确地设置innodb_io_capacity参数，而导致的性能问题也比比皆是

虽然已经定义了"全力刷脏页"的行为，但平时总不能一直是全力刷吧？毕竟磁盘能力不能只用来刷脏页，还需要服务用户请求。所以接下来看看InnoDB怎么控制引擎按照"全力"的百分比来刷脏页

试想一下，如果设计策略控制刷脏页的速度，会参考哪些因素呢？

这个问题可以这么想，如果刷太慢，会出现什么情况？

1. 内存脏页太多
2. redo log 写满

所以，InnoDB的刷盘速度就是要参考这两个因素：

• 脏页比例
• redo log写盘速度

InnoDB会在后台刷脏页，而刷脏页的过程是要将内存页写入磁盘
所以，无论查询语句在需要内存的时候可能要求淘汰一个脏页，还是由于刷脏页的逻辑会占用 IO资源并可能影响到了更新语句，都可能是造成从业务端感知到MySQL"抖"了一下的原因

要尽量避免这种情况，要合理地设置innodb_io_capacity的值，并且平时要多关注脏页比例，不要让它经常接近75%

五、一个有趣的策略

一旦一个查询请求需要在执行过程中先flush掉一个脏页时，这个查询就可能要比平时慢了，而MySQL中的一个机制，可能让你的查询会更慢：
在准备刷一个脏页的时候，如果这个数据页旁边的数据页刚好是脏页，就会把这个"邻居"也带着一起刷掉，而且这个把"邻居"拖下水的逻辑还可以继续蔓延，也就是对于每个邻居数据页，如果跟它相邻的数据页也还是脏页的话，也会被放到一起刷

在InnoDB中，innodb_flush_neighbors参数就是用来控制这个行为的，值为1的时候会有上述的"连坐"机制，值为0时表示不找邻居，自己刷自己的

找"邻居"这个优化在机械硬盘时代是很有意义的，可以减少很多随机IO，机械硬盘的随机IOPS一般只有几百，相同的逻辑操作减少随机IO就意味着系统性能的大幅度提升

而如果使用的是SSD这类IOPS比较高的设备的话，建议把innodb_flush_neighbors的值设置成0，因为这时候IOPS往往不是瓶颈，而"只刷自己"能更快地执行完必要的刷脏页操作，减少SQL语句响应时间

在MySQL 8.0中，innodb_flush_neighbors参数的默认值已经是0了

六、小结

利用WAL技术，数据库将随机写转换成了顺序写，大大提升了数据库的性能，但是由此也带来了内存脏页的问题

脏页会被后台线程自动flush，也会由于数据页淘汰而触发flush，而刷脏页的过程由于会占用资源，可能会让更新和查询语句的响应时间长一些。

文中主要说明刷脏页操作和执行时机，介绍了控制刷脏页的方法和对应的监控方式