innodb buffer pool原理总结

1. 缓存的重要性

我们都知道，对于innodb存储引擎的表来说，无论是索引数据还是真实数据都是以页的形式存在于磁盘上的。当我们在客户端敲上select * from t1;命令时，innodb就会将t1表所在的数据页加载到内存中，等我们下次在用时，直接在缓存中查找，而不会再次向磁盘中调用数据了，毕竟每调用一次就会浪费 一次磁盘IO。
前面我们说到，数据是以页的形式存在于磁盘上的，那么页是从哪里来的呢？又是怎么分配的？首先一个页面的大小是16kb，且不是零散存储于磁盘中，而是通过表空间将他们联系起来，表空间其实是一个虚拟的框框，归根结底，数据还是存储于磁盘上的。关于页的概述可以参考 《表空间》。

2. innodb buffer pool

2.1 buffer pool的内部组成

由上图可知，innodb存储引擎在内存中维护了一个缓冲池(buffer pool),主要存储了数据页，索引 页，undo页，自适应哈希索引，change buffer等。
buffer pool 的大小由参数innodb_buffer_pool_size决定 ，默认大概有128M,buffer pool不能设置的太小，最小可以设置为5M，当buffer pool小于5M时，innodb会自动调成5M。

当然，buffer pool里面也是有好多实例的，由innodb_buffer_pool_instance决定 ，每个instance下面又分有多个chunk,每个chunk的大小由innodb_buffer_pool_chunk_size决定，在默认情况下，每个chunk有128M。

buffer pool 对应一片连续的的内存被划分的页面，页面大小于与innodb表空间能用的页面大小一致，默认是16kb，此处我们称为是缓冲页，每个缓冲页面对应一个控制头，（控制头，你可以理解是缓冲页的属性信息，包括该页面的表空间id，页号，缓冲信息）。每个控制头大概有808字节。所以内存池的实际大小会比innodb_buffer_pool_size大5%左右。说完这些后，再来说碎片，如果控制头和缓冲页分配不均，就会产生一些碎片，如果buffer pool设置的大小刚好，则不会产生碎片了。

上图中我们可以看到每个实例下都有free链表,flush链表和LRU链表。那这些都是做什么的呢？

2.2 FREE链表

从图中可以看出，free 链表的主要工作是为了将控制块连接起来，更好的管理。其中，free链表里分为start,end,count，分别是定义了链表的头节点，尾节点，以及当前链表的数量。
此外的LRU链表和FLUSH链表的节点和此相似。

2.3 FLUSH链表

在学习表空间章节时，我们也接触过FLUSH链表。当修改过内存中的表数据，就会产生脏页，然后就会将此页面的指针指向到FLUSH链表，表示这个链表的数据页是需要被刷写到磁盘上的。
那么是有脏页产生后立即刷写到磁盘吗？也不是，这个是要先写redo后，再根据刷脏策略而定的。

2.4 LRU链表

在buffer pool对应的内存是有限的，随着用户不断写数据，将页从磁盘上加载到内存的buffer pool中，再将缓冲页变成脏页，刷写到磁盘，free链表里能用的页越来越少，将没有多少空闲页了，那么这时就要将flush链表中的数据腾出一些给free链表了，那腾出哪一些呢？当然是不经常访问的页了，LRU类似是一个栈，先进先出，随着在内存中的页越来越多，这些使用的页的控制头就会依次加入到LRU链表中，如果一个页很久都没使用了，就会率先将它剔除。

• 如果该页不在buffer pool中，在把该页从磁盘加载到buffer pool中的缓冲页时，就把该缓冲页对应的控制 块作为节点加载到LRU链表的头部了
• 如果该页已经加载到buffer pool中了，则直接把该页对应的控制块移动到LRU链表的头部。

2.4.1 LRU链表的功能

预读

• 预读的含义
  就是说InnoDB认为执行当前的请求时，可能会读到哪些数据页，自动将数据页加载到buffer pool中去。

• 预读的分类

  • 线性预读
    innodb_read_ahead_threshold如果顺序的访问的某个区的页面超过这个系统变量的值(默认值56) ，就会触发一次异步读取下一个区中全部的页面到buffer pool中的请求。
  • 随机预读
    如果某个区的13个连续的页面都加载到了buffer pool，无论这些页面是不是随机读取的，就会触发随机预读，通过innodb_random_read_ahead变量控制，默认是off。

• 预读的弊端

  • 假如执行select * from t1;，t1表中一亿行，可能分布在300个页面上，当加载到buffer pool中时可能就会将LRU之前保存的数据剔除掉，还会影响命中率

• 优化预读

  • 通过innodb_old_blocks_pct将LRU链表分为两段，一段是热数据，一段是冷数据 。此变量默认值是3/8,表示冷数据占用3/8,热数据占用5/8.
    当遇到一次写请求，Innodb将所需要的数据页首先会加载到LRU链表的头部，如果是本来已经存在LRU链表的数据就会将页移动到链表头部。那么这就有个问题了，如果这个页面本来就在LRU链表的5/8处只是没有在LRU链表的头部，那还移动吗？
    innodb规定，如果此页面在LRU链表头部的1/4内处，就不会移动了。

  • 回到上个问题，如果select * from t1，t1表有很多数据，可能分布在多个页面上，加载到buffer pool中时就会将LRU之前保存的数据一并剔除，针对这一点的优化策略如下：

    1. innodb规定，在对某个处于old区域的缓冲页面进行第一次访问时，就在它对应的控制 块中记录下这个访问时间，如果 后续的访问时间与第一次的访问时间在某个时间间隔内，那么该页就不会从冷数据区移动到热数据区了。通过innodb_old_blocks_time控制 。
    2. 如果把innodb_old_blocks_time的值设置为0，那么每次访问一个页面时，就会把该页面放到热数据的头部。

• 相关参数
  innodb_lru_scan_depth 控制 lru列表中可用页的数量 ，默认是1024

参考：
https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en