【MySQL】mysql buffer pool结构分析

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转自：http://blog.csdn.net/wyzxg/article/details/7700394

其他参考：

《高性能MySQL》 - 8.4.5 InnoDB缓冲池

《MySQL技术内幕InnoDB存储引擎》（第二版内容有所更新） - 2.3 InnoDB体系结构

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书中是先对后台线程进行说明，然后对内存部分进行说明，这样更好理解innoDB引擎内存池在使用时的过程。

【后台线程】

InnoDB有多个内存块，可以认为这些内存块组成了一个大的内存池，负责如下工作：

维护所有进程/线程需要访问的多个内部数据结构。
缓存磁盘上的数据，方便快速的读取，并且在对磁盘文件的数据进行修改之前在这里缓存。
重做日志（redo log）缓冲。

后台线程的主要作用是负责刷新内存池中的数据，保证缓冲池中的内存缓存的是最近的数据。此外，将已修改的数据文件刷新到磁盘文件，同时保证在数据库发生异常情况下InnoDB能恢复到正常运行状态。

默认情况下，InnoDB存储引擎的后台线程有7个，4个IO thread，1个master thread，1个锁（lock）监控线程，1个错误监控线程。IO thread的数量由配置文件中的innodb_file_io_threads参数控制，默认为4，可以通过show engine innodb status \G查看IO thread，例如：

mysql> show engine innodb status \G

*************************** 1. row ***************************
  Type: InnoDB
  Name: 
Status: 
=====================================
...
--------
FILE I/O
--------
I/O thread 0 state: waiting for i/o request (insert buffer thread)
I/O thread 1 state: waiting for i/o request (log thread)
I/O thread 2 state: waiting for i/o request (read thread)
I/O thread 3 state: waiting for i/o request (read thread)
I/O thread 4 state: waiting for i/o request (read thread)
I/O thread 5 state: waiting for i/o request (read thread)
I/O thread 6 state: waiting for i/o request (write thread)
I/O thread 7 state: waiting for i/o request (write thread)
I/O thread 8 state: waiting for i/o request (write thread)
I/O thread 9 state: waiting for i/o request (write thread)

可以看到上面IO线程中的四种分别是insert buffer thread、log thread、read thread、write thread。MySQL 5.5可以对IO thread的read thread、write thread的数量进行配置，默认的read thread、write thread分别增大到4个，默认的insert buffer thread、log thread仍为一个线程，上面也是MySQL 5.5版本的配置，同时不再使用innodb_file_io_threads参数，而是分别使用innodb_read_io_thread和innodb_write_io_thread参数，此参数可根据CPU核数、磁盘IO性能进行调整，如果将read thread或write thread配置很大但实际服务器性能不能满足，会导致线程请求积压，反而会降低性能。

【内存】

InnoDB存储引擎内存由以下几个部分组成：缓冲池（buffer pool）、重做日志缓冲池（redo log buffer）以及额外的内存池（additional memory pool），分别由配置文件中的参数innodb_buffer_pool_size和innodb_log_buffer_size的大小决定。

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mysql buffer pool里的三种链表和三种page

buffer pool是通过三种list来管理的
1) free list
2) lru list
3) flush list

buffer pool中的最小单位是page，在innodb中定义三种page
1) free page :此page未被使用，此种类型page位于free链表中
2) clean page:此page被使用，对应数据文件中的一个页面，但是页面没有被修改，此种类型page位于lru链表中
3) dirty page:此page被使用，对应数据文件中的一个页面，但是页面被修改过，此种类型page位于lru链表和flush链表中

buffer pool flush list的工作原理
dirty page如何存在flush链表中？
在flush list中存在的page只能是dirty page，flush list中存在的dirty page是按着oldest_modification时间排序的，当页面访问/修改都被封装为一个mini-transaction，mini-transactin提交的时候，则mini-transaction涉及到的页面就进入了flush链表中，oldest_modification的值越大，说明page越晚被修改过，就排在flush链表的头部，oldest_modification的值越小，说明page越早被修改过，就排在flush链表的尾部，这样当flush链表做flush动作时，从flush链表的尾部开始scan，写出一定数量的dirty page到磁盘，推荐checkpoint点，使恢复的时间尽可能的短。除了flush链表本身的flush操作可以把dirty page从flush链表删除外，lru链表的flush操作也会让dirty page从flush链表删除。

buffer pool lru list的工作原理
总的来说每当一个新页面被读取buffer pool之后，MySQL数据库InnoDB存储引擎都会判断当前buffer pool的free page是否足够，若不足，则尝试flush LRU链表。
在MySQL 5.6.2之前，用户线程在读入一个page (buf_read_page)、新建一个page(buf_page_create)、预读page(buf_read_ahead_linear) 等等操作时，都会在操作成功之后，调用buf_flush_free_margin函数，判断当前buffer pool是否有足够的free pages，若free pages不足，则进行LRU list flush，释放出足够的free pages，保证系统的可用性。

通过判断当前buf pool中需要flush多少dirty pages，才能够预留出足够的可被替换的页面(free pages or clean pages in LRU list tail)。

说明：
可用pages由以下两部分组成：
1. buf pool free list中的所有page，都是可以立即使用的。
2. buf pool LRU list尾部(5+2*BUF_READ_AHEAD_AREA)所有的clean pages。
其中：BUF_READ_AHEAD_AREA为64，是一个linear read ahead读取的大小，1 extent

由于buf_flush_free_margin函数是在用户线程中调用执行的，若需要flush LRU list，那么对于用户的响应时间有较大的影响。因此，在MySQL 5.6.2之后，InnoDB专门开辟了一个page cleaner线程，处理dirty page的flush动作(包括LRU list flush与flush list flush)，降低page flush对于用户的影响。
在MySQL 5.6.2前后的版本中，LRU list flush的不同之处在于是由用户线程发起，还是有后台page cleaner线程发起。但是，无论是用户线程，还是后台page cleaner线程，再决定需要进行LRU list flush之后，都会调用buf_flush_LRU函数进行真正的flush操作。

不同之处在于，MySQL 5.6.2之前，用户线程调用的buf_flush_free_margin函数，在判断是否真正需要进行LRU list flush时，将LRU list tail部分的clean pages也归为可以被replace的pages，不需要flush。而在page cleaner线程中，每隔1s，无论如何都会进行一次LRU list flush调用，无论LRU list tail中的page是否clean。这也可以理解，用户线程，需要尽量降低flush的概率，提高用户响应；而后台线程，尽量进行flush尝试，释放足够的free pages，保证用户线程不会堵塞。

Buffer Pool LRU/Flush List flush对比
1).LRU list flush，由用户线程触发(MySQL 5.6.2之前)；而Flush list flush由MySQL数据库InnoDB存储引擎后台srv_master线程处理。(在MySQL 5.6.2之后，都被迁移到page cleaner线程中)
2).LRU list flush，其目的是为了写出LRU 链表尾部的dirty page，释放足够的free pages，当buf pool满的时候，用户可以立即获得空闲页面，而不需要长时间等待；Flush list flush，其目的是推进Checkpoint LSN，使得InnoDB系统崩溃之后能够快速的恢复。
3).LRU list flush，其写出的dirty page，需要移动到LRU链表的尾部(MySQL 5.6.2之前版本)；或者是直接从LRU链表中删除，移动到free list(MySQL 5.6.2之后版本)。Flush list flush，不需要移动page在LRU链表中的位置。
4).LRU list flush，由于可能是用户线程发起，已经持有其他的page latch，因此在LRU list flush中，不允许等待持有新的page latch，导致latch死锁；而Flush list flush由后台线程发起，未持有任何其他page latch，因此可以在flush时等待page latch。
5).LRU list flush，每次flush的dirty pages数量较少，基本固定，只要释放一定的free pages即可；Flush list flush，根据当前系统的更新繁忙程度，动态调整一次flush的dirty pages数量，量很大。

buffer pool free list工作原理
free链表里存放的是空闲页面，初始化的时候申请一定数量的page，在使用的过程中，每次成功load页面到内存后，都会判断free page是否够用，如果不够用的话，就flush lru链表和flush链表来释放free page，这就可以满足其他进程在申请页面，使系统可用。

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