《MySQL实战45讲》——学习笔记12 “InnoDB刷脏页的控制策略“

约定不等于承诺〃 2023-09-23 13:15 102阅读 0赞

本篇介绍MYSQL InnoDB的WAL机制带来的小问题——利用WAL技术，数据库将随机写转换成了顺序写，大大提升了数据库的性能，但也带来了内存脏页的问题；

脏页会被后台线程自动flush，也会由于数据页淘汰而触发flush，而刷脏页的过程由于会占用资源，可能会让更新和查询语句的响应时间长一些，表现为像是MySQL"抖了一下"；

本篇的知识点包含flush刷盘、脏页/干净页、flush刷盘时机、flush刷盘对性能的影响、InnoDB刷脏页的控制策略；前置知识点可参考[MySQ日志系统][MySQ]；

### “脏页”与“干净页” ###

InnoDB在处理更新语句的时候，由于WAL机制，只做了写redo log（重做日志）这一个磁盘操作；这个redo log就是粉板记账例子中掌柜用来记账的粉板，在更新内存写完redo log后，就返回给客户端，本次更新成功；

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，也叫刷磁盘/刷脏页；

在这个flush操作执行之前，内存数据页跟磁盘数据页内容是不一致的，这时我们称这个内存页为“脏页”；**“脏页”不代表它的数据有问题，反而它的数据是正确的**；

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，都是内存中的数据页；

在这个粉板记账的例子里，内存对应的就是掌柜的记忆，下面的示意图展示了“孔乙己赊账”的整个操作过程：假设原来孔乙己欠账10文，这次又要赊9文；

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### MySQL会“抖”一下？ ###

平时的工作中，可能遇到过这样的场景：一条SQL更新语句，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；

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，可能就是在执行刷脏页（flush）；分析SQL变慢的原因之前，先关注下刷脏页（flush）的时机；

### 数据库的flush的时机 ###

继续用粉板记账这个例子，想一想：掌柜在什么情况下会把粉板上的赊账记录改到账本上？

> **场景一：redo log写满了，需要移动check point并flush这段redo log对应的脏页；**

粉板满了，记不下了；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**；对应的就是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得以留出空间可以继续写；

redo log的checkpoint推进的示意图如下，把checkpoint位置从CP推进到CP’，就需要将两个点之间（浅绿色部分）的**日志对应的所有脏页**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redolog的区域；

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> **场景二：内存满了，淘汰的内存数据页刚好是脏页，就需要flush到磁盘；**

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；这种场景，对应的就是系统内存不足；

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；

**这条规则——刷脏页一定会写盘，就保证了每个数据页只有两种状态**：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，就可以肯定磁盘里是正确的结果，读入内存后返回；这样的效率最高；

> **场景三：mysql空闲的时候执行flush，避免redo log写满阻塞写操作和查询时一次淘汰过多脏页影响查询性能的情况；**

当生意不忙的时候，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；这种场景，对应的就是MySQL认为系统“空闲”的时候；

当然，MySQL“这家酒店”的生意好起来的时候可是会很快就能把粉板记满的，所以“掌柜”需要合理地安排时间，即使是“生意好”的时候，也要见缝插针地找时间，只要有机会就刷一点“脏页”；

> **场景四： MySQL正常关闭的时候，需要把内存中的数据全部数据flush到磁盘中；**

到年底了，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；这种场景，对应的就是MySQL正常关闭的情况；

这时候，MySQL会把内存的脏页都flush到磁盘上，**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**；

### 数据库的flush对性能的影响 ###

接下来，分析一下上面四种场景对性能的影响；其中，上面第三种情况是属于MySQL空闲时的操作，这时系统没什么压力，**性能影响可以不考虑**；而第四种场景是数据库本来就要关闭了，也不用关注“性能”问题；所以这里，我们主要来分析一下前两种场景下的性能问题：

场景一：“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，没有空间写redo log**意味着整个系统就不能再接受更新了**，**所有的更新都必须堵住**；如果你从监控上看，这时候更新数会跌为0；

场景二：“内存不够用了，淘汰脏页时，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：

*  还没有使用的页；
 *  使用了并且是干净页；
 *  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；

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（LRU）：如果要淘汰的是一个干净页，就直接释放出来复用；**但如果是脏页就必须将脏页先刷到磁盘，变成干净页后才能复用**；

所以，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：

> （1）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**；  
> （2）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；

**以上问题是脏页在内存中的占比太大引起的，或者可以理解是脏页"刷的太慢了导致脏页堆积快"引起的**；但是如果脏页在内存的占比太小，那写场景下内存的使用率不高；而刷磁盘flush太快会一定程度影响IO性能，毕竟磁盘能力不能只用来刷脏页，还需要服务用户请求；所以，**InnoDB需要有控制脏页比例的机制，来尽量避免上面的这两种情况**；

### InnoDB刷脏页flush的控制策略 ###

> **首先，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，最多可以刷多快；MySQL中使用innodb\_io\_capacity 这个参数告诉InnoDB当前磁盘的IO能力，这个值建议设置成磁盘的**IOPS**（Input/Output Operations Per Second）；

**innodb\_io\_capacity的值需要被正确的设置**；——innodb\_io\_capacity如果设置的太大，可能导致实际的磁盘IO跟不上InnoDB刷脏页的速度，磁盘IO占满，同时由于脏页刷的太快，内存的实际使用率不高；如果设置的太小，可能导致导致 redo log 很快写满，影响MySQL的平均写性能，同时内存中的脏页占比可能过高，一个查询可能要淘汰较多的脏页，会影响查询性能；

innodb\_io\_capacity的默认值为200，这个值是针对一般的机械硬盘的，如果主机磁盘用的是SSD固态硬盘，一定要适当调大这个值，一般SSD建议改为20000；

> 虽然现在已经定义了“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，还需要服务其他的业务如处理服务用户请求，因此**还要适当控制对“全力刷脏页”能力的使用占比**；

如果脏页刷太慢，可能导致：（1）内存脏页太多，（2）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值，从而确定对“全力刷脏页”能力的使用占比，来得到最终的刷脏页的速度；**

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### **解释MySQL为何会有时候会“抖”一下？** ###

现在你知道了，InnoDB会在后台刷脏页，而刷脏页的过程是要将内存页写入磁盘；所以，**无论是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%；

### 刷盘时的"连坐"机制——innodb\_flush\_neighbors参数 ###

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；

**为什么要有这种机制呢？****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；而如果使用的是SSD这类IOPS比较高的设备的话，我就建议把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；在MySQL8.0中，innodb\_flush\_neighbors参数的默认值已经是0了；

### 思考题 ###

问题：一个内存配置为128GB、innodb\_io\_capacity设置为20000的大规格实例，正常会建议你将redo log设置成4个1GB的文件；但如果你在配置的时候不慎将redo log设置成了1个100M的文件，会发生什么情况呢？又为什么会出现这样的情况呢？

答案：相当于一个高配IO性能很好的机器，redo log 设置太小；会导致redo log很快被写满，write pos一直追着checkpoint跑，这时候系统不得不**停止所有更新**，去推进 checkpoint；由于主机IO能力很强，checkpoint的推进（刷盘）会很快完成，卡住的写操作又很快可以执行；循环往复，看到的现象就是**磁盘IO压力很小，但是数据库出现间歇性的性能下跌**；

下篇文章：[《MySQL实战45讲》——学习笔记13 “数据删除流程、表空间释放、重建表过程、online DDL“][MySQL_45_13 _online DDL]

本章参考：[12 | 为什么我的MySQL会“抖”一下？-极客时间][12 _ _MySQL_-]

[MySQ]: https://blog.csdn.net/minghao0508/article/details/125050791
[47cd60ad0b95450e8cf39a89008ebc34.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/47cd60ad0b95450e8cf39a89008ebc34.png
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[MySQL_45_13 _online DDL]: https://blog.csdn.net/minghao0508/article/details/127725117
[12 _ _MySQL_-]: https://time.geekbang.org/column/article/71806