innodb buffer pool相关特性

Posted 2020-07-08 just for fun

背景

innodb buffer pool作为innodb最重要的缓存，其缓存命中率的高低会直接影响数据库的性能。因此在数据库发生变更，比如重启、主备切换实例迁移等等，innodb buffer poll 需要一段时间预热，期间数据库的性能会受到明显影响。
另外mysql 5.7以前innodb buffer pool缓存大小修改不是动态的，重启才能生效。因此innodb buffer pool的预热和innodb buffer pool大小的动态修改，对性能要求较高的应用来说是不错的特性，下面我来看看这两个特性的具体实现。

buffer pool 预热

mysql 5.6以后支持buffer pool预热功能。引入了以下参数, 参数具体含义参见官方文档

innodb_buffer_pool_load_now
innodb_buffer_pool_dump_now
innodb_buffer_pool_load_at_startup
innodb_buffer_pool_dump_at_startup
innodb_buffer_pool_filename

buffer pool预热分为dump过程和load过程，均由后台线程buf_dump_thread完成。
比如用户发起set命令

set global innodb_buffer_pool_dump_now=on;
set global innodb_buffer_pool_load_now=on;

set 命令会立刻返回，具体操作由buf_dump_thread来实现。

• dump 过程

  锁buf_pool
  遍历LRU链表，将(space, pageno) 先收集到数组
  释放锁
  再将数据写入innodb_buffer_pool_filename定有的文件中

• load过程

  从文件读入数组
  按（space,pageno)排序数据
  依次同步读取页到buffer pool中

dump过程一般比较快，而load过程相对要慢些。

通过Innodb_buffer_pool_dump_status、Innodb_buffer_pool_load_status可查看dump/load的状态

另外5.7引入了performance_schema.events_stages_current来显示load进度，每load 32M会更新一条进度信息

select * from performance_schema.events_stages_current;
THREAD_ID       19
EVENT_ID        1367
END_EVENT_ID    NULL
EVENT_NAME      stage/innodb/buffer pool load
SOURCE  buf0dump.cc:619
TIMER_START     33393877311000
TIMER_END       33398961258000
TIMER_WAIT      5083947000
WORK_COMPLETED  0
WORK_ESTIMATED  1440
NESTING_EVENT_ID        NULL
NESTING_EVENT_TYPE      NULL

WORK_ESTIMATED表示总page数
WORK_COMPLETED表示当前已load page数

dump文件的数据格式如下

#cat ib_buffer_pool |more
0,7
0,1
0,3
0,2
0,4
0,11
0,5
0,6

dump文件比较简单，我们可以编辑此文件来预加载指定page,比较灵活。

buffer pool 动态调整大小

5.7 开始支持buffer pool 动态调整大小，每个buffer_pool_instance都由同样个数的chunk组成(chunks数组), 每个chunk内存大小为innodb_buffer_pool_chunk_size(实际会偏大5%，用于存放chuck中的block信息)。buffer pool以innodb_buffer_pool_chunk_size为单位进行动态增大和缩小。调整前后innodb_buffer_pool_size应一直保持是innodb_buffer_pool_chunk_size*innodb_buffer_pool_instances的倍数。

同样的buffer pool动态调整大小由后台线程buf_resize_thread,set命令会立即返回。通过InnoDB_buffer_pool_resize_status可以查看调整的运行状态。

• resize流程

  • 如果开启了AHI，需禁用AHI
  • 如果是收缩内存
    1. 计算需收缩的chunk数， 从chunks开始尾部删除指定个数的chunk.
    2. 锁buf_pool
    3. 从free_list中摘除待删chunk的page放入待删链表buf_pool->withdraw
    4. 如果待删chunk的page为脏页，则刷脏
    5. 重新加载LRU中要删除的页，从LRU中摘除，重新从free列表获取page老的page放入待删链表buf_pool->withdraw
    6. 释放buffer pool锁
    7. 如果需收缩的chunk pages没有收集全，重复2-6
  • 开始resize
    1. 锁住所有instance的buffer_pool，page_hash
    2. 收缩pool：以chunk为单位释放要收缩的内存
    3. 清空withdraw列表buf_pool->withdraw
    4. 增大pool:分配新的chunk
    5. 重新分配buf_pool->chunks
    6. 如果改变/缩小超过2倍，会重置page hash，改变桶大小
    7. 释放buffer_pool,page_hash锁
    8. 如果改变/缩小超过2倍,会重启和buffer pool大小相关的内存结构，如锁系统(lock_sys_resize)，AHI(btr_search_sys_resize), 数据字段(dict_resize)等
  • 如果禁用了AHI，此时开启

由上可以看出，扩大内存比缩小内存相对容易些。缩小内存时，如果遇到有事务一直未提交且占用了待收缩的page时，导致收缩一直重试，error log会打印这种重试信息，
包含可能引用此问题的事务信息。为了避免频繁重试，每次重试的时间间隔会指数增长。

以上步骤中resize阶段buffer pool会不可用，此阶段会锁所有buffer pool, 但此阶段都是内存操作，时间比较短。收缩内存阶段耗时可能会很长，也有一定影响，但是每次都是以instance为单位进行锁定的。
总的来说，buffer pool 动态调整大小对应用的影响并不大。

• 重新加载LRU中要删除的页的影响

  search 过程中btr游标保存的page可能重新加载过，自适应哈希保存的root page也可能重新加载过, 都需要重新读取。

总结

buffer pool 预热 和buffer pool 动态调整大小，这两功能相辅相承的。buffer pool 动态调整大小只适用于实例在主机本地升级的情况，如果用户修改buffer pool大小，同时涉及跨机迁移，那么buffer pool 预热功能就排上用场了。
另外buffer pool 动态调整尽量在业务低锋时进行。