MySQL日志（二）：MySQL抖动

一条SQL语句，正常执行的时候特别快，但是有时也不知道怎么回事，它就会变得特别慢，并且这样的场景很难复现，它不只随机，而且持续时间还很短。

看上去，这就像是数据库“抖”了一下。今天，我们就一起来看一看这是什么原因。

你的SQL语句为什么变慢了：在刷脏

很重要：做下类比的话，掌柜记账的账本是数据文件（磁盘），记账用的粉板是日志文件（redo log），掌柜的记忆就是内存。

掌柜总要找时间把账本更新一下，这对应的就是把内存里的数据写入磁盘的过程，术语就是flush。在这个flush操作执行之前，孔乙己的赊账总额，其实跟掌柜手中账本里面的记录是不一致的。因为孔乙己今天的赊账金额还只在粉板上，而账本里的记录是老的，还没把今天的赊账算进去。

当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候，我们称这个内存页为“脏页”。内存数据写入到磁盘后，内存和磁盘上的数据页的内容就一致了，称为“干净页”。

不论是脏页还是干净页，都在内存中。在这个例子里，内存对应的就是掌柜的记忆。

接下来，我们用一个示意图来展示一下“孔乙己赊账”的整个操作过程（即刷脏过程）。假设原来孔乙己欠账10文，这次又要赊9文。

问1：一条SQL语句，正常执行的时候特别快，但是有时也不知道怎么回事，它就会变得特别慢，并且这样的场景很难复现，它不只随机，而且持续时间还很短。看上去，这就像是数据库“抖”了一下。那么SQL语句为什么突然变慢了？

平时执行很快的更新操作，其实就是在写内存和日志，而MySQL偶尔“抖”一下的那个瞬间，可能就是在刷脏页（flush）。

问2：什么情况下会引发数据库刷脏（flush）过程呢？

1）InnoDB的redo log写满了。这时候系统会停止所有更新操作，把checkpoint往前推进， redo log留出空间可以继续写。对应的是《孔乙己》粉板写满了，这时候如果再有人来赊账，掌柜就只得放下手里的活儿，将粉板上的记录擦掉一些，留出空位以便继续记账。当然在擦掉之前，他必须先将正确的账目记录到账本中才行。

注：checkpoint可不是随便往前修改一下位置就可以的。比如上图，把checkpoint位置从CP推进到CP’，就需要将两个点之间的日志（浅绿色部分），对应的所有脏页都flush到磁盘上。之后，图中从write pos到CP’之间就是可以再写入的redo log的区域。

2）系统内存不足。当需要新的内存页，而内存不够用的时候，就要淘汰一些数据页，空出内存给别的数据页使用。如果淘汰的是“脏页”，就要先将脏页写到磁盘。如果淘汰的是”干净页“，直接淘汰即可。对应的是《孔乙己》这一天生意太好，要记住的事情太多，掌柜发现自己快记不住了，赶紧找出账本把孔乙己这笔账先加进去。

注：如果刷脏页一定会写盘，就保证了每个数据页有两种状态：

一种是内存里存在，内存里就肯定是正确的结果，直接返回。
另一种是内存里没有数据，就可以肯定数据文件上是正确的结果，读入内存后返回。这样的效率最高。

3）MySQL认为系统”空闲“的时候，只要有机会就会刷一点”脏页“。对应的是《孔乙己》生意不忙的时候，或者打烊之后。这时候柜台没事，掌柜闲着也是闲着，不如更新账本。

4）MySQL正常关闭时，会把内存的”脏页“都flush到磁盘，这样下次MySQL启动的时候，就可以直接从磁盘上读数据，启动速度会很快。对应的是《孔乙己》年底了咸亨酒店要关门几天，需要把账结清一下。这时候掌柜要把所有账都记到账本上，这样过完年重新开张的时候，就能就着账本明确账目情况了。

问3：上面四种场景对性能的影响如何？

1）“redo log写满了，要flush脏页”，这种情况是InnoDB要尽量避免的。因为出现这种情况的时候，整个系统就不能再接受更新了，所有的更新都必须堵住。

2）“内存不够用了，要先将脏页写到磁盘”，这种情况其实是常态。 InnoDB用缓冲池（ buffer pool）管理内存，缓冲池中的内存页有三种状态：

第一种是，还没有使用的。
第二种是，使用了并且是干净页。
第三种是，使用了并且是脏页。

InnoDB的策略是尽量使用内存，因此对于一个长时间运行的库来说，未被使用的页面很少。而当要读入的数据页没有在内存的时候，就必须到缓冲池中申请一个数据页。这时候只能把最久不使用的数据页从内存中淘汰掉（LUR机制）：如果要淘汰的是一个干净页，就直接释放出来复用。但如果是脏页呢，就必须将脏页先刷到磁盘，变成干净页后才能复用。

刷脏页虽然是常态，但是出现以下这两种情况，都是会明显影响性能的：

一个查询要淘汰的脏页个数太多，会导致查询的响应时间明显变长。
日志写满，更新全部堵住，写性能跌为0，这种情况对敏感业务来说，是不能接受的。

注1：更新数据时，更改首先发生在内存中，同时相关的更改也会被记录到redo log中（WAL）。然后，这些更改（无论是内存中的数据页还是redo log）最终都需要被刷新到磁盘上。

注2：内存中的脏页和redo log中的脏页是独立的，都需要被flush到磁盘。内存满了，刷内存中的脏页。redo log满了刷redo log中的脏页。

注3：redo log主要用于crash safe。

InnoBD刷脏页的控制策略

首先，你要正确地告诉InnoDB所在主机的IO能力，这样InnoDB才能知道需要全力刷脏页的时候，可以刷多快。

这就要用到innodb_io_capacity这个参数了，它会告诉InnoDB你的磁盘能力。这个值我建议你设置成磁盘的IOPS。

注：测试磁盘IOPS：fio -filename=$filename -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randrw -ioengine=psync -bs=16k -size=500M-numjobs=10 -runtime=10 -group_reporting -name=mytest

因为没能正确地设置innodb_io_capacity参数，而导致的性能问题也比比皆是。之前，就曾有其他公司的开发负责人找我看一个库的性能问题，说MySQL的写入速度很慢， TPS很低，但是数据库主机的IO压力并不大。经过一番排查，发现罪魁祸首就是这个参数的设置出了问题。他的主机磁盘用的是SSD，但是innodb_io_capacity的值设置的是300。于是， InnoDB认为这个系统的能力就这么差，所以刷脏页刷得特别慢，甚至比脏页生成的速度还慢，这样就造成了脏页累积，影响了查询和更新性能。

问1：虽然我们现在已经定义了“全力刷脏页”的行为，但平时总不能一直是全力刷吧？毕竟磁盘能力不能只用来刷脏页，还需要服务用户请求。那么，InnoDB又是怎么控制引擎按照“全力”的百分比来刷脏页的呢？如果你来设计策略控制刷脏页的速度，会参考哪些因素呢？

这个问题可以这么想，如果刷太慢，会出现什么情况？首先是内存脏页太多，其次是redo log写满。所以， InnoDB的刷盘速度就是要参考这两个因素：一个是脏页比例，一个是redo log写盘速度。

InnoDB会根据这两个因素先单独算出两个数字（F1(N)、F2(M)）。然后引擎就可以按照innodb_io_capacity定义的能力乘以max(F1(N),F2(M))%来控制刷脏页的速度。

所以，无论是你的查询语句在需要内存的时候可能要求淘汰一个脏页，还是由于刷脏页的逻辑会占用IO资源并可能影响到了你的更新语句，都可能是造成你从业务端感知到MySQL“抖”了一下的原因。

要尽量避免这种情况，你就要合理地设置innodb_io_capacity的值，并且平时要多关注脏页比例，不要让它经常接近75%。

接下来，我们再看一个有趣的策略。

一旦一个查询请求需要在执行过程中先flush掉一个脏页时，这个查询就可能要比平时慢了。而MySQL中的一个机制，可能让你的查询会更慢：在准备刷一个脏页的时候，如果这个数据页旁边的数据页刚好是脏页，就会把这个“邻居”也带着一起刷掉。而且这个把“邻居”拖下水的逻辑还可以继续蔓延，也就是对于每个邻居数据页，如果跟它相邻的数据页也还是脏页的话，也会被放到一起刷。

在InnoDB中， innodb_flush_neighbors参数就是用来控制这个行为的，值为1的时候会有上述的“连坐”机制，值为0时表示不找邻居，自己刷自己的。

在MySQL 8.0中， innodb_flush_neighbors参数的默认值已经是0了。

InnoDB刷脏相关参数总结：

1）innodb_io_capacity：磁盘的io能力，推荐设置成磁盘的IOPS。

2）innodb_max_dirty_pages_pct：脏页百分比，默认75%。引擎据此以及innodb_io_capacity控制刷脏的速率。

3）innodb_flush_neighbors：刷脏时，是否连带相邻的脏页一起刷新。1表示开启。

扩展：

1）找“邻居”这个优化在机械硬盘时代是很有意义的，可以减少很多随机IO。机械硬盘的随机IOPS一般只有几百，相同的逻辑操作减少随机IO就意味着系统性能的大幅度提升。

2）而如果使用的是SSD这类IOPS比较高的设备的话，我就建议你把innodb_flush_neighbors的值设置成0。因为这时候IOPS往往不是瓶颈，而“只刷自己”，就能更快地执行完必要的刷脏页操作，减少SQL语句响应时间。

规范：一个内存配置为128GB、innodb_io_capacity设置为20000的大规格实例，建议将redo log设置成4个1GB的文件。

问2：如何判定一个页是否是脏页？

每个数据页头部有LSN，8字节，每次修改都会变大。对比这个LSN跟checkpoint 的LSN，比checkpoint小的一定是干净页。

问3：如果redo log设置过小，会导致什么问题？

每次事务提交都要写redo log，如果设置太小，很快就会被写满，也就是下面这个图的状态，这个“环”将很快被写满， write pos一直追着CP。

这时候系统不得不停止所有更新，去推进checkpoint。

这时，你看到的现象就是磁盘压力很小，但是数据库出现间歇性的性能下跌。

Crash Recovery逻辑

还用前面的update语句为例进行说明，update语句的执行流程图如下所示，图中浅色框表示是在InnoDB内部执行的，深色框表示是在执行器中执行的。

问1：在update语句执行过程中，如果在时刻A、时刻B发生崩溃，分别会造成什么后果？

答：

1）时刻A：写入redo log 处于prepare阶段之后、写binlog之前，发生了崩溃（crash）。由于此时binlog还没写，redo log也还没提交，所以崩溃恢复的时候，这个事务会回滚。

2）时刻B：也就是binlog写完，redo log还没commit前发生crash：

如果redo log里面的事务是完整的，也就是已经有了commit标识（说明binlog已写完且完整），则直接提交。
如果redo log里面的事务只有完整的prepare（此时可能存在binlog不完整的情况），则判断对应的事务binlog是否存在并完整：
- 如果binlog完整，则提交事务。
- 否则，回滚事务。

问2：MySQL怎么直到binlog是否是完整的？

一个事务的binlog是有完整格式的：

1）statement格式的binlog，最后会有COMMIT。

2）row格式的binlog，最后会有一个XID event。

另外，在MySQL 5.6.2版本以后，还引入了binlog-checksum参数，用来验证binlog内容的正确性。对于binlog日志由于磁盘原因，可能会在日志中间出错的情况， MySQL可以通过校验checksum的结果来发现。所以， MySQL还是有办法验证事务binlog的完整性的。