MySQL： 11 从磁盘读取数据页到Buffer Pool的时候，free链表的作用

Posted 2021-08-30 鮀城小帅

1. 数据库启动的时候，初始化Buffer Pool的过程

Buffer Pool 中包含很多个缓存页，同时每个缓存页还有一个描述数据，也可以叫做是控制数据或元数据。

在mysql启动的时候，它会按照你设置的Buffer Pool大小，稍微再加大一点，去向操作系统申请一块内存区域，作为 Buffer Pool的内存区域。

然后当内存区域申请完毕之后，数据库就会按照默认的缓存页的16KB的大小以及对应的800个字节左右的描述数据的大小，在Buffer Pool中划分出来一个一个的缓存页和一个一个的对应他们的描述数据。

然后当数据库把Buffer Pool划分完毕之后，其结果如下图所示：

 此时，Buffer Pool中的一个一个的缓存页都是空的，里面什么都没有，要等MySQL运行起来之后，当我们对数据执行增删改查操作的时候，才会把对应的页从磁盘文件里读取出来，放入Buffer Pool 中的缓存页中。

2.基于 free链表 区分缓存页

在从磁盘上读取数据页放入到Buffer Pool中的缓存页的时候，涉及到一个问题，那就是哪些缓存页是空闲的？

在默认情况下磁盘上的数据页和缓存页是一一对应起来的，都是16KB，一个数据页对应一个缓存页。

如何区分哪些缓存页是空闲的?

数据库为Buffer Pool设计了一个 free链表，它是双向链表数据结构，在free链表里，每个节点就是一个空闲的缓存页的描述数据块的地址，也就是说一个缓存页是空闲的，那么它的描述数据块就会被放入到这个 free 链表中。

刚开始启动数据库的时候，可能所有的缓存也都是空的，因为此时可能是一个空的数据库，一条数据都没有，所以此时所有的缓存页的描述数据块，都会被放入到 free 链表中。

 在上图的free链表中，里面的每个节点就是对应缓存页的描述数据块，只要缓存页是空闲的，那么他们对应的描述数据就会加入到这个free链表中，每个节点都会双向链接自己的前后节点，组成一个双向链表。

在free链表中，有一个基础节点，他会引用链表的头结点和尾结点，里面还存储了链表中有多少个描述数据块的节点，也就是有多少个空闲的缓存页。

3.free链表占用的内存空间大小

在free链表中的双向链表是由Buffer Pool中的描述数据块组成的，可以认为每个描述数据块有两个指针，一个是free_pre，另一个是free_next，分别指向自己的上一个free链表的节点，以及下一个free链表的节点。

通过Buffer Pool中的描述数据块的free_pre和free_next两个指针，就可以把所有的描述数据块串成一个free链表。

对于free链表而言，只有一个基础节点是不属于 Buffer Pool的，它是40字节大小的一个节点，里面存放了free链表的头节点的地址，尾节点的地址，还有free链表里当前有多少个节点。

4.如何将磁盘上的页读取到Buffer Pool的缓存页中去

把磁盘上的数据页读取到Buffer Pool中的缓存页里去的原理如下：

首先，从free链表里获取一个描述数据块，然后就可以对应的获取到这个描述数据块对应的空闲缓存页。

 接着就把磁盘上的数据页读取到对应的缓存页里去，同时把相关的一些描述数据写入缓存页的描述数据块里去，比如这个数据页所属的表空间之类的信息，最后把该描述数据块从 free链表里去除就可以了。

 把描述数据块从free链表里移除的方式，假设free链表上有描述语句块01、02、03这三个，当02被使用了之后，需要从free链表中移除，此时就会直接把 01的 free_next 设置为03，把03的free_pre设置为01，这样一来描述数据块02就从 free 链表里失去引用关系了。

 5. 如何知道数据页是否被缓存

阶段小结：我们在执行增删改查操作的时候，是先看看这个数据页有没有被缓存，如果没被缓存就走上面的逻辑，从free链表中找到一个空闲的缓存页，从磁盘上读取数据页写入缓存页，写入描述数据，从 free链表中移除这个描述数据块。

数据库中有一个哈希表数据结构，他会用表空间和+数据页号，作为一个key，然后缓存页的地址作为value。

当你要使用一个数据页的时候，通过 “表空间号+数据页号”作为key去这个哈希表里查一下，如果没有就读取数据页，如果已经有了，就说明数据页已经被缓存了。

也就是说，每次你读取一个数据页到缓存之后，都会在这个哈希表中写入一个key-value对，key就是表空间号+数据页号，value就是缓存页的地址，那么下次如果你再使用这个数据页，就可以从哈希表里直接读取出来它已经放入一个缓存页了。

6.扩展

（1）如何知道数据的数据页号？

需要扫描索引B+树，先从根节点开始扫描。在系统表空间中存储了所有索引对应根节点的页号，知道了页号，直接就可以根据页号*16k去找到磁盘文件对应的数据了；里面用 .slot槽二分法找到对应的那组最大记录（此时是目录项），再往后迭代目录项，知道找到对应的目录项；而这个目录项也会指向对应的页，知道一层一层找到叶子节点。