缓冲池工作原理浅析

Posted 2021-02-01 dataart

Ⅰ、缓冲池介绍

innodb存储引擎缓冲池(buffer pool) ，类似于oracle的sga，里面放着数据页 、索引页 、change buffer 、自适应哈希 、锁(5.5之前)等内容

综上所示：

• 每次读写数据都是通过Buffer Pool
• 当Buffer Pool中没有用户所需要的数据时才去硬盘中获取
• 通过innodb_buffer_pool_size进行设置总容量，该值设置的越大越好

Ⅱ、缓冲池性能问题

2.1 性能线性扩展

假设服务器72核，ht超线程后，144个逻辑核，跑测试按道理144个核应该跑满，如果跑不满，就说明并发有瓶颈，我加核了，却用不上，性能上不去

5.1之前这个问题经常被吐槽，现在不存在这个问题了

1G空间下面如果有65536个page，对这些page进行管理，每次都要对bp加锁(latch),如果bp大了，就有瓶颈，这里说的锁是bp的latch，和数据库的lock不是一回事

qps达到1w，每秒钟要获得至少1w次latch(就看bp的latch，不谈释放和唤醒latch)，开销比较大

核比较多，latch或者并发设计的不好，性能则不能线性扩展 ，而这个bp对于扩展性非常重要，所有的热点的page都在里面，每次访问这些page都要获得bp的latch

2.2 如何提升上述缓冲池性能问题

调整innodb_buffer_pool_instances参数，设置为cpu的数量

默认5.5为1，5.6和5.7是8

假设开始这个值是1，现调整为4，原来1个bp管理65536个页，现在4个bp，每个bp管理16384个页，拆成4个分片，将热点打散，latch变少了，并发性能提升了，这是非常常见的内核层对并发调优的手段，经测试，不调整与调整后性能相差30%

tips:

设置多个缓冲池的时候，必须满足每个池子大于1G才生效，否则，即使my.cnf中设置了innodb_buffer_pool_instances，重启看看是没用的

Ⅲ、buffer pool中热点数据的管理

3.1 buffer pool的组成

缓冲池中的热点是以page为单位来管理，并不是三种List加起来等于总的bp大小，而是Free List + LRU List(Flush List是包含在LRU list里面的)

• Free List 放空白的page

buffer Pool刚启动时，有一个个16K的空白的页，这些页就存放（链表串联）在Free List中

• LRU List   包括LRU和unzip_LRU

当读取一个数据页的时候，就从Free List中取出一个页，存入数据，并将该页读到LRU List中

当Free List给一个页给LRU List时，这个过程中需要一个并发控制，也就是之前说的latch，假设现在有两个线程都读到磁盘上这个页，则都需要问Free List来申请空闲页，谁先来先给谁，latch就是对这三个List进行并发控制访问的

• Flush List包含脏页（数据经过修改，但是未刷入磁盘的页），根据oldest_lsn进行排序

假设被读到的页，马上被更新，这个页就叫脏页，会被放入到Flush List列表中，但只是放了一个指针，而不是实际的页（只要修改过，就放入，不管修改几次）

如何查看缓冲池中的脏页？

SELECT
    pool_id,
    lru_position,
    space,
    page_number,
    table_name,
    oldest_modification,
    newest_modification
FROM
    information_schema.INNODB_BUFFER_PAGE_LRU
WHERE
    oldest_modification <> 0
        AND oldest_modification <> newest_modification;

结果集为空，则表示没有脏页，线上小心，不要乱执行，此sql消耗比较大

tips:

Flush list 中存放的不是一个页，而是页的指针（page number）

小结：

LRU List存放的是所有已经使用的页，里面既有干净页也有脏页，Flush List中只有指向脏页的指针

3.2 查看buffer pool的状态

方法1：show engine innodb statusG

...
----------------------
BUFFER POOL AND MEMORY
----------------------
Total large memory allocated 137428992
Dictionary memory allocated 303387
Buffer pool size   8192     #缓冲池中共8192个page
Free buffers       7772     #空白页(Free List),线上很可能是0
Database pages     420      #在使用的页(LRU List)
Old database pages 0        #LRU中教冷的page
Modified db pages  0        #脏页
Pending reads      0
Pending writes: LRU 0, flush list 0, single page 0
Pages made young 0, not young 0
0.00 youngs/s, 0.00 non-youngs/s    #youngs表示old变为new
Pages read 368, created 52, written 322
0.00 reads/s, 0.00 creates/s, 0.00 writes/s
No buffer pool page gets since the last printout
Pages read ahead 0.00/s, evicted without access 0.00/s, Random read ahead 0.00/s
LRU len: 420, unzip_LRU len: 0
I/O sum[0]:cur[0], unzip sum[0]:cur[0]
...

如果设置了多个buffer pool
找到individual buffer pool info看每一个bp的情况

方法2：看两张元数据表

先说下，这东西比较大，看起来不是很方便，不太推荐

[email protected]) [(none)]> SELECT
    ->     pool_id,
    ->     pool_size,
    ->     free_buffers,
    ->     database_pages,
    ->     old_database_pages,
    ->     modified_database_pages
    -> FROM
    ->     information_schema.innodb_buffer_pool_statsG
*************************** 1. row ***************************
                pool_id: 0
              pool_size: 8192
           free_buffers: 7772
         database_pages: 420
     old_database_pages: 0
modified_database_pages: 0
1 row in set (0.00 sec)

([email protected]) [(none)]> SELECT
    ->     space, page_number, newest_modification, oldest_modification
    -> FROM
    ->     information_schema.innodb_buffer_page_lru
    -> LIMIT 1G
*************************** 1. row ***************************
              space: 0
        page_number: 7
newest_modification: 5330181742     #该页最近一次（最新）被修改的LSN值
oldest_modification: 0              #该页在Buffer Pool中第一次被修改的LSN值，FLush List是根据该值进行排序的,该值越小，表示该页应该最先被刷新
1 row in set (0.01 sec)

3.2 LRU算法解析

mysql中使用了midpoint LRU算法来管理LRU List

• 当该页被第一次读取时，将该页先放在mid point的位置（因为无法保证一定是活跃）
• 当被读到第二次时才将改页放入到new page的首部
• innodb_old_blocks_pct参数控制mid point的位置，默认是37，即3/8的位置

3.3 缓冲池防污染

有一种场景，某个page一下子被扫了n次，但其实他并不是热页，这时候如果按照之前说的，这个page会被放到new里面去，这其实就污染了缓冲池

那什么时候会出现一个page每秒被读n次呢？

scan的时候，select * from tb_name;如果这个page里有10条记录，这个page就会被读10次

我们可以通过将一个page固定在midpoint位置一定的时间来解决这个问题

set global innodb_old_blocks_time=1;

通常 select * 扫描操作不会高于1秒，一个页很快就被扫完了

无论读多少次，在innodb_old_blocks_time的时间内都不管（都视作只读取了一次），等这个时间过去了（时间到），如果该页还是被读取了，才把这个页放到new page的首部，如果设为0，则表示读到第二次就放到new里去

如果开发有个scan操作，就需要设置一下，操作完后再改回来。最好的方案是放到从机上，避免扫描语句污染LRU

tips：

①如果一个page中10条记录一次读，读这十条记录的时候这个页就会被锁成只读，那其他线程对这个页的操作就不被允许了，数据库是一个并发系统，这是不合理的，这样读一个页hold住锁的时间会长，所以是每读一条记录去读一次页，然后马上释放，把读到的位置————游标(这个游标和数据库的游标不是一回事)保存下来，下次再要读的时候，从打开这个游标继续读，但是位置可能会变化，所以会重新去读这个页，以此确保各个线程公平调度

②myisam缓存data是交给操作系统缓存 ，和pg一样

3.4 buffer pool的预热

背景：

在MySQL启动后（MySQL5.6之前），Buffer Pool中页的数据是空的，需要大量的时间才能把磁盘中的页读入到内存中，导致启动后的一段时间性能很差

例：启动的时候load

64GB BP 10M/s读取 100min

预热策略：将LRU列表dump出来，通过较顺序读取的方式预热50M~200M

预热方法：

select count(1) from table force index(primary)

select count(1) from index

说明：

上面两种方法很痤。并没有预热真正的热点数据，只是把数据读进来了,粒度非常粗，比如你数据100G，bp10G，那真正的热点很大部分不是热点数据

网易试过共享内存来做，数据库重启bp不清，不过操作系统重启了也就白搭了

好办法：

MySQL5.6 开始有办法了

([email protected]172.16.0.10) [(none)]> show variables like ‘innodb_buffer_pool%‘;
+-------------------------------------+----------------+
| Variable_name                       | Value          |
+-------------------------------------+----------------+
| innodb_buffer_pool_chunk_size       | 134217728      |
| innodb_buffer_pool_dump_at_shutdown | ON             |    #在停机时dump出buffer pool中的（space,page）
| innodb_buffer_pool_dump_now         | OFF            |    #set一下，表示现在就从buffer pool中dump
| innodb_buffer_pool_dump_pct         | 25             |    #dump的bp的前百分之多少，是每个buffer pool最近使用的页数，而不是整体，可写到[mysqld-5.7]中
| innodb_buffer_pool_filename         | ib_buffer_pool |    #dump出的文件的名字
| innodb_buffer_pool_instances        | 1              |
| innodb_buffer_pool_load_abort       | OFF            |
| innodb_buffer_pool_load_at_startup  | ON             |    #启动时加载dump的文件，恢复到buffer pool中
| innodb_buffer_pool_load_now         | OFF            |    #set一下，表示现在加载 dump的文件
| innodb_buffer_pool_size             | 1879048192     |
+-------------------------------------+----------------+
10 rows in set (0.00 sec)

• 关闭数据库之前把bp中的space和page_no给dump出来(不是整个bp，5.6还没正式发布的时候就是dump所有)
• 重启的时候会把dump出来的内容load进bp,dump出来是无序的，load之前根据space和pageno进行排序，load是异步的，返回速度还可以，对bp基本没影响
• dump的越多，启动的越慢
• 频繁dump会导致Buffer Pool中的数据越来越少，是因为设置了innodb_buffer_pool_dump_pct，默认25，姜总用的40
• 如果做了高可用，可以定期dump，然后将该dump的文件传送到slave上，然后直接load（slave上的（Space，Page）和Master上的 大致相同 ）

简单演示一把：

([email protected]) [(none)]> set global innodb_buffer_pool_dump_now = 1;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

([email protected]) [(none)]>  show status like ‘Innodb_buffer_pool_dump_status‘;
+--------------------------------+--------------------------------------------------+
| Variable_name                  | Value                                            |
+--------------------------------+--------------------------------------------------+
| Innodb_buffer_pool_dump_status | Buffer pool(s) dump completed at 180302 16:57:45 |
+--------------------------------+--------------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

进入数据目录
[[email protected]_0_5_centos data3306]# ll *pool
-rw-r----- 1 mysql mysql 604 Mar  2 16:59 ib_buffer_pool
[[email protected]_0_5_centos data3306]# head ib_buffer_pool
0,568
0,567
0,566
0,565
0,278
0,564
0,563
0,562
164,3
164,2

停止服务
[[email protected]_0_5_centos data3306]# mysqld_multi stop 3306
截取错误日志
2018-03-02T09:01:10.292549Z 0 [Note] InnoDB: Starting shutdown...
2018-03-02T09:01:10.392851Z 0 [Note] InnoDB: Dumping buffer pool(s) to /mdata/data3306/ib_buffer_pool
2018-03-02T09:01:10.393059Z 0 [Note] InnoDB: Buffer pool(s) dump completed at 180302 17:01:10

启动服务，加载热数据
[[email protected]_0_5_centos data3306]# mysqld_multi start 3306
([email protected]) [(none)]> set global innodb_buffer_pool_load_now = 1;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

再截取错误日志
2018-03-02T09:06:40.526294Z 0 [Note] InnoDB: Loading buffer pool(s) from /mdata/data3306/ib_buffer_pool
2018-03-02T09:06:40.526487Z 0 [Note] InnoDB: Buffer pool(s) load completed at 180302 17:06:40

tips:

注意一下innodb_buffer_pool_dump_pct这个参数，先看下下面这个流程

([email protected]) [(none)]> set global innodb_buffer_pool_dump_pct=100;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

([email protected]) [(none)]> set global innodb_buffer_pool_dump_now = 1;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

[[email protected]_0_5_centos data3306]# cat ib_buffer_pool |wc -l
576

([email protected]) [(none)]> set global innodb_buffer_pool_dump_pct=20;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

([email protected]) [(none)]> set global innodb_buffer_pool_dump_now = 1;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

[[email protected]_0_5_centos data3306]# cat ib_buffer_pool |wc -l
115

看上去没啥问题，但要注意的是，当你有多个缓冲池的时候，比如有4个，每个里面有100个page，它不是整体来dump前百分之25，而是dump每个缓冲池里面最前面的15个page

Ⅳ、异步读

发现全表扫描，如果已经扫了一部分内容，innodb会异步读取这部分内容后面的一部分，即使你没读到，异步读有两种情况，如下：

随机预读
innodb_random_read_ahead
线性预读
innodb_read_ahead_threshold    该参数目前缺省值为0

• 线性预读放到以extent为单位，而随机预读放到以extent中的page为单位
• 线性预读是将下一个extent提前读取到buffer pool中，随机预读是将当前extent中的剩余的page提前读取到buffer pool中