MySQL 的 Change Buffer 是什么？它有什么作用？

MySQL 是目前广泛使用的开源数据库管理系统，其中的 InnoDB 存储引擎凭借其高性能、高可靠性以及强大的事务支持，成为了默认的存储引擎。在 InnoDB 的众多优化机制中，Change Buffer 是一个相对较少被关注，但却在提升数据库性能方面发挥着重要作用的功能。

一.什么是 Change Buffer？

Change Buffer 是 MySQL InnoDB 存储引擎中的一个缓存机制，它用于缓存对 非主键索引（Secondary Indexes） 页的更改。这个缓存区的主要目的是延迟对这些索引页的写操作，以减少磁盘 I/O，从而提升数据库的写性能。

**简单来说，当我们对数据库中的二级索引执行插入、删除或更新操作时，这些操作并不会立即写入磁盘。**而是将它们先存放在 Change Buffer 中，直到相关的索引数据页被读取时，才会将这些更改刷写到磁盘。

为什么 Change Buffer 只对非唯一普通索引页有效？

Change Buffer 只对非唯一普通索引页有效，原因在于主键索引和唯一索引具有严格的数据一致性和唯一性要求，修改这些索引时通常涉及到数据行的完整更新或物理位置变化，这使得不能通过延迟写入来保证一致性。相反，非唯一普通索引的修改操作相对简单，且不直接影响行数据，因此适合通过 Change Buffer 缓存变更，减少磁盘 I/O 提高性能。主键索引通常更频繁地被查询和更新，直接写入磁盘可以确保数据的最新性，避免延迟写入引发的不一致问题。同时，限制 Change Buffer 仅应用于非唯一索引页，有助于更高效地利用内存资源，减少与主键索引频繁访问的内存竞争。因此，Change Buffer 的设计是基于数据一致性、性能优化和内存管理的综合考虑。

二.Change Buffer 的工作原理

InnoDB 存储引擎中的索引分为主键索引（Primary Index）和二级索引（Secondary Index）。Change Buffer 只作用于 二级索引，并不涉及主键索引。这是因为主键索引是聚簇索引，数据行按照主键排序存储，直接操作数据行，因此不适合使用延迟写入策略。

1. 对二级索引的操作: 更改暂存

在 InnoDB 中，二级索引是指那些非主键字段建立的索引。对于二级索引的 插入、删除和更新操作，InnoDB 会将这些修改记录到 Change Buffer 中，直到这些索引页被访问时，才会将更改刷写到磁盘。只有当磁盘中的二级索引数据页被访问（例如查询操作），或当系统触发数据页刷写操作时，这些更改才会真正写入磁盘。

2. 如何实现延迟写入:合并更改

Change Buffer 工作时的延迟写入机制主要依赖于 脏页（Dirty Pages） 的概念。在内存中，Change Buffer 会维护一份待刷写的脏页列表，这些脏页记录了尚未写入磁盘的索引更改。当某个二级索引页被访问时，InnoDB 会首先检查该页是否有尚未刷写的更改，如果有，就将更改合并到磁盘数据页中。

3. 与 Redo Log 的配合:刷新到磁盘

Change Buffer 与 InnoDB 的 Redo Log 协同工作。在数据库崩溃恢复时，Redo Log 会确保所有已提交的事务操作能够恢复。对于那些还没有写入磁盘的数据变更，Change Buffer 会通过 Log Buffer 在系统恢复时被重做，以确保数据的一致性。

4.对旧数据的处理：定期清理

随着时间的推移，Change Buffer中的数据可能会老化或不再需要。为了保持Change Buffer的使用效率，InnoDB会定期执行清理过程，移除那些已经过时或不再需要的更改操作信息。

当我们要更新一条普通索引记录的时候：

如果这条记录在内存中，那么直接更新内存
如果该记录没有在内存中，那么就需要更新change buffer
更新完 change buffer 之后，MySQL会在redo log中记录下change buffer 的修改
事务就算完成了，后续binlog落盘，redo log commit
当需要读取不在内存中的记录时，会将该数据页从磁盘加载到内存，然后应用change buffer中的修改，也就是merge操作

三.如何触发Change Buffer

Change Buffer的触发时机主要是在非主键索引的更新或删除操作时。当对一个非主键索引的记录进行更改时，这些更改操作首先会被暂存到Change Buffer中。以下是Change Buffer触发的具体时机：

非主键索引的更新操作：当一个非主键索引的记录被更新时，Change Buffer会触发并将更改操作暂存到内存中。

非主键索引的删除操作：当一个非主键索引的记录被删除时，Change Buffer同样会触发并将该删除操作暂存到内存中。

数据页读取操作：当从非主键索引页读取数据时，Change Buffer会检查该页是否在Change Buffer中有相关的更改。如果有，它会将这些更改应用到该页上，确保读取的数据是最新的。

需要注意的是，Change Buffer触发的时机并不是在每次数据更改时都立即触发。而是将这些更改暂存到内存中的Change Buffer区域，并在合适的时机（如数据页读取操作时）再将这些更改应用到相应的数据页上。这样可以减少频繁的磁盘I/O操作，提高数据库的性能。

此外，Change Buffer的使用时机也受到一些参数和配置的影响。例如，可以通过调整InnoDB存储引擎的相关参数来控制Change Buffer的行为和触发条件。在实际应用中，需要根据具体的业务场景和性能需求进行合理的配置和优化。

四.数据库崩溃时 Change Buffer 的行为

当 MySQL 数据库发生崩溃或停止运行时，InnoDB 会通过 Crash Recovery 机制来恢复数据库。Change Buffer 中的变更不会丢失，InnoDB 会在恢复过程中利用 Redo Log 重新应用这些未写入磁盘的更改。

具体而言：

Change Buffer 中存储的变更（如插入、删除等）会在数据库崩溃恢复时被合并到相关的二级索引数据页。
恢复时，InnoDB 会检查并重新应用所有记录在 Change Buffer 中的更改，确保它们正确地反映在数据库的磁盘存储中。

五.Change Buffer 的优缺点

优点：

减少磁盘 I/O： Change Buffer 可以有效减少每个数据页的磁盘 I/O 操作，提升数据库性能。
提高写入吞吐量： 延迟写入机制提高了系统的写操作吞吐量，尤其在高并发场景下表现尤为突出。
减少写放大效应： 多个修改操作可以批量处理，从而减少磁盘的写放大效应。

缺点：

内存占用： Change Buffer 会占用一定的内存资源，若系统内存不足，可能会影响性能。
延迟性： 虽然 Change Buffer 可以提升写入性能，但它也引入了延迟，特别是在需要实时反映数据更改的应用中，可能不是最佳选择。

六.如何管理 Change Buffer？

InnoDB 提供了几个参数来管理 Change Buffer 的大小和行为，常用的包括：

innodb_change_buffer_max_size：这个参数设置 Change Buffer 的最大大小，默认值是 25%，即最多占用 InnoDB 缓存池的 25%。
innodb_change_buffering：此参数控制哪些操作可以使用 Change Buffer。可以设置为 none（禁用 Change Buffer）、insert（仅插入操作使用 Change Buffer）或 all（所有修改操作都使用 Change Buffer）。
innodb_change_buffer_free_percent：这个参数定义了Change Buffer中保留给将来更改的空间百分比。当Change Buffer的使用率达到这个百分比时，InnoDB会开始将一些更改写入到磁盘上的重做日志中。

总结

MySQL 的 Change Buffer 是 InnoDB 存储引擎中的一个优化机制，它通过将对二级索引的修改操作延迟到数据页被访问时才写入磁盘，显著减少了磁盘 I/O，提升了数据库的写入性能和并发能力。对于高并发、高写入负载的数据库应用，Change Buffer 能有效降低磁盘访问压力，提高系统吞吐量。

数据页被访问时才写入磁盘，显著减少了磁盘 I/O，提升了数据库的写入性能和并发能力。对于高并发、高写入负载的数据库应用，Change Buffer 能有效降低磁盘访问压力，提高系统吞吐量。

然而，Change Buffer 并非没有缺点。它增加了内存占用，并且由于延迟写入，可能会导致某些实时应用对数据一致性的要求受到影响。因此，理解 Change Buffer 的作用和管理策略，可以帮助开发者在实际应用中合理配置和优化数据库性能。