MySQL InnoDB引擎的快取特性詳解

1. 背景

對於各種使用者資料、索引資料等各種資料都是需要持久化儲存到磁碟，然後以“頁”為單位進行讀寫。

相對於直接讀寫快取，磁碟IO的成本相當高昂。

對於讀取的頁面資料，並不是使用完就釋放掉，而是放到緩衝區，因為下一次操作有可能還需要讀區該頁面。

對於修改過的頁面資料，也不是馬上同步到磁碟，也是放到緩衝區，因為下一次有可能還會修改該頁面的資料。

但是快取的空間是有大小限制的，不可能無限擴充。

對於緩衝區的資料，需要有合理的頁面淘汰演演算法，將未來使用概率較小的頁面釋放或者同步到磁碟，

給當下需要存放到快取的頁面騰出位置。

2. 記憶體效能差異

暫存器：CPU暫存指令、資料的小型儲存區域，速度快，容量小。

CPU快取記憶體(CPU Cache)：用於減少CPU存取記憶體所需平均時間的部件。

記憶體：用於暫時存放CPU中的運算資料，以及與硬碟等外部記憶體交換的資料。

硬碟：分為固態硬碟(SSD)和機械硬碟(HHD)，是非易失性記憶體。

下圖是各種快取器的價格和效能差距，

從下圖可以看出，SSD的隨機存取延時在微妙級別，而記憶體的的隨機存取延時在納秒級別，記憶體比SSD大概快1000倍左右。

3. Buffer Pool

一個緩衝池(緩衝池)是向作業系統申請的一塊記憶體空間，這塊記憶體空間由多個chunk組成，每個chunk均包含多個控制塊和對應的緩衝頁。

chunk是向作業系統申請記憶體的最小單位，緩衝頁大小與InnoDB表空間使用的頁面大小一致。

Buffer Pool的示意圖如下

每一個控制塊都對應一個緩衝頁，控制塊包含該緩衝頁所屬的表空間編號、頁號、在Buffer Pool中的地址、連結串列結點資訊等等。

當剛讀取一個頁面時，需要知道緩衝區有哪些空閒頁面，當修改過後緩衝頁後，需要記錄該緩衝頁需要持久化到磁碟，

當緩衝區沒有空閒頁面了，需要有頁面淘汰演演算法來將緩衝頁移出緩衝區，

以上涉及到Free連結串列、Flush連結串列、LRU連結串列，下面注意說明。

4. Free連結串列

Free連結串列是由空閒的緩衝頁對應的控制塊組成的連結串列，通過Free連結串列就獲取到空閒的緩衝頁及其在緩衝區中的地址。

每當需要從磁碟載入一個頁面到緩衝區時，從該Free連結串列取出一個控制塊結點，從Free連結串列移除該結點，並加入LRU連結串列。

如果這個緩衝區頁面被修改過，那麼會被加入到Flush連結串列中。

5. Flush連結串列

如果一修改緩衝頁的資料之後就重新整理到磁碟，這種頻繁的IO操作勢必影響程式等整體效能。

試想一下，先後修改1000次同一緩衝區頁面的一位元組資料，每次修改都重新整理到磁碟，與修改1000次後再將最終結果重新整理磁碟，節省了999次重新整理磁碟的操作。

因此，當頁面的資料被修改之後，需要將改頁面放到Flush連結串列，排隊等候寫入磁碟。

這既可以減少在使用者程序中重新整理磁碟的次數，也從整體上減少了磁碟IO到次數。

6. LRU連結串列

記憶體空間有限，不可能將所有資料都快取在記憶體當中，因此需要有一定的演演算法將記憶體中頁面淘汰掉(修改過的頁面持久化到磁碟)。

LRU(Least Recently Used)連結串列主要用於輔助實現記憶體頁面淘汰，故名思義，最先淘汰的是最近最少使用的緩衝頁。

LRU連結串列的結果如下圖所示

將LRU連結串列分為young區域和old區域。

對於初次載入到緩衝區的頁面，會放到LRU連結串列old區域的頭部，這主要避免了預讀的頁面被放到了LRU連結串列的首部。

當第二次存取緩衝頁且時間間隔超過innodb_old_blocks_time(預設1s)時，才將該頁面移動到LRU連結串列的首部。

進一步，為了避免頻繁的移動連結串列結點，當某個緩衝頁已經在young區域的前3/4時，則不會移動該結點到首部。

7. 其它

如何定位頁面是否被緩衝呢？

表空間號和頁號可以唯一識別緩衝頁，因此InnoDB引擎建立了以表空間號+頁號為key，以緩衝頁控制塊地址為value的雜湊表，

從而快速判斷頁面是否被緩衝，快速定位到資料所在地址。

到此這篇關於MySQL InnoDB引擎的快取特性詳解的文章就介紹到這了,更多相關MySQL InnoDB 快取特性內容請搜尋it145.com以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援it145.com！