缓冲池工作原理浅析

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了缓冲池工作原理浅析相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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

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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

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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

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  • 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

以上是关于缓冲池工作原理浅析的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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