MySQL实战45讲学习笔记：第十二讲

1、引子

平时的工做中，不知道你有没有遇到过这样的场景，一条 SQL 语句，正常执行的时候特别快，可是有时也不知道怎么回事，它就会变得特别慢，而且这样的场景很难复现，它不仅
随机，并且持续时间还很短。

看上去，这就像是数据库“抖”了一下。今天，咱们就一块儿来看一看这是什么缘由。

2、你的 SQL 语句为何变“慢”了

在前面第 2 篇文章《日志系统：一条 SQL 更新语句是如何执行的？》中，我为你介绍了WAL 机制。如今你知道了，InnoDB 在处理更新语句的时候，只作了写日志这一个磁盘操
做。这个日志叫做 redo log（重作日志），也就是《孔乙己》里咸亨酒店掌柜用来记帐的粉板，在更新内存写完 redo log 后，就返回给客户端，本次更新成功。

一、类比

 一、类比

 

 二、flush

 

三、脏页&干净页

 

 

不管是脏页仍是干净页，都在内存中。在这个例子里，内存对应的就是掌柜的记忆。

二、孔乙己赊帐的整个操做过程

接下来，咱们用一个示意图来展现一下“孔乙己赊帐”的整个操做过程。假设原来孔乙己欠帐 10 文，此次又要赊 9 文。

图 1 “孔乙己赊帐”更新和 flush 过程

回到文章开头的问题，你不难想象，平时执行很快的更新操做，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）。

3、什么状况会引起数据库的 flush 过程呢？

那么，什么状况会引起数据库的 flush 过程呢？

咱们仍是继续用咸亨酒店掌柜的这个例子，想想：掌柜在什么状况下会把粉板上的赊帐记录改到帐本上？

一、第一种场景

第一种场景是，粉板满了，记不下了。这时候若是再有人来赊帐，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帐。固然在擦掉以前，他必须
先将正确的帐目记录到帐本中才行。

这个场景，对应的就是 InnoDB 的 redo log 写满了。这时候系统会中止全部更新操做，把 checkpoint 往前推动，redo log 留出空间能够继续写。我在第二讲画了一个
redo log 的示意图，这里我改为环形，便于你们理解。

图 2 redo log 状态图

checkpoint 可不是随便往前修改一下位置就能够的。好比图 2 中，把 checkpoint 位置从 CP 推动到 CP’，就须要将两个点之间的日志（浅绿色部分），对应的全部脏页都
flush 到磁盘上。以后，图中从 write pos 到 CP’之间就是能够再写入的 redo log 的区域

二、第二种场景

第二种场景是，这一天生意太好，要记住的事情太多，掌柜发现本身快记不住了，赶忙找出帐本把孔乙己这笔帐先加进去。

这种场景，对应的就是系统内存不足。当须要新的内存页，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。若是淘汰的是“脏页”，就要先将脏页写到磁盘。

你必定会说，这时候难道不能直接把内存淘汰掉，下次须要请求的时候，从磁盘读入数据页，而后拿 redo log 出来应用不就好了？这里实际上是从性能考虑的。若是刷脏页一
定会写盘，就保证了每一个数据页有两种状态：

1. 一种是内存里存在，内存里就确定是正确的结果，直接返回；
2. 另外一种是内存里没有数据，就能够确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。

三、第三种场景

第三种场景是，生意不忙的时候，或者打烊以后。这时候柜台没事，掌柜闲着也是闲着，不如更新帐本。

这种场景，对应的就是 MySQL 认为系统“空闲”的时候。固然，MySQL“这家酒店”的生意好起来但是会很快就能把粉板记满的，因此“掌柜”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”。

四、第四种场景

第四种场景是，年末了咸亨酒店要关门几天，须要把帐结清一下。这时候掌柜要把全部帐都记到帐本上，这样过完年从新开张的时候，就能就着帐本明确帐目状况了。

这种场景，对应的就是 MySQL 正常关闭的状况。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，就能够直接从磁盘上读数据，启动速
度会很快。

4、四种引起数据库的 flush 过程对性能的影响。

一、第三四种场景

其中，第三种状况是属于 MySQL 空闲时的操做，这时系统没什么压力，而第四种场景是数据库原本就要关闭了。这两种状况下，你不会太关注“性能”问题。因此这里，咱们主
要来分析一下前两种场景下的性能问题。

二、第一种场景

第一种是“redo log 写满了，要 flush 脏页”，这种状况是 InnoDB 要尽可能避免的。由于出现这种状况的时候，整个系统就不能再接受更新了，全部的更新都必须堵住。若是你从
监控上看，这时候更新数会跌为 0。

三、第二种场景

第二种是“内存不够用了，要先将脏页写到磁盘”，这种状况实际上是常态。InnoDB 用缓冲池（buffer pool）管理内存，缓冲池中的内存页有三种状态：

1. 第一种是，尚未使用的；
2. 第二种是，使用了而且是干净页；
3. 第三种是，使用了而且是脏页。

InnoDB 的策略是尽可能使用内存，所以对于一个长时间运行的库来讲，未被使用的页面不多。

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：若是要淘汰的是一个干净页，就直接释放出来复
用；但若是是脏页呢，就必须将脏页先刷到磁盘，变成干净页后才能复用。

因此，刷脏页虽然是常态，可是出现如下这两种状况，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，会致使查询的响应时间明显变长；
2. 日志写满，更新所有堵住，写性能跌为 0，这种状况对敏感业务来讲，是不能接受的。

因此，InnoDB 须要有控制脏页比例的机制，来尽可能避免上面的这两种状况。

5、InnoDB 刷脏页的控制策略

一、InnoDB 所在主机的 IO 能力

接下来，我就来和你说说 InnoDB 脏页的控制策略，以及和这些策略相关的参数。

首先，你要正确地告诉 InnoDB 所在主机的 IO 能力，这样 InnoDB 才能知道须要全力刷脏页的时候，能够刷多快。

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。磁盘的 IOPS 能够经过 fio 这个工具来测试，下面的语句是
我用来测试磁盘随机读写的命令：

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

其实，由于没能正确地设置 innodb_io_capacity 参数，而致使的性能问题也比比皆是。

以前，就曾有其余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，可是数据库主机的 IO 压力并不大。通过一番排查，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，可是 innodb_io_capacity 的值设置的是 300。因而，InnoDB 认为这个系统的能力就这么差，因此刷脏页刷得特别慢，甚至比脏页生成的速度
还慢，这样就形成了脏页累积，影响了查询和更新性能。

虽然咱们如今已经定义了“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，还须要服务用户请求。因此接下来，咱们就一块儿看看 InnoDB
怎么控制引擎按照“全力”的百分比来刷脏页。

二、若是你来设计策略控制刷脏页的速度，会参考哪些因素呢？

根据我前面提到的知识点，试想一下，若是你来设计策略控制刷脏页的速度，会参考哪些因素呢？

这个问题能够这么想，若是刷太慢，会出现什么状况？首先是内存脏页太多，其次是 redolog 写满。

因此，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。

参数 innodb_max_dirty_pages_pct 是脏页比例上限，默认值是 75%。InnoDB 会根据当前的脏页比例（假设为 M），算出一个范围在 0 到 100 之间的数字，计算这个数字的
伪代码相似这样：

F1(M)
{
  if M>=innodb_max_dirty_pages_pct then
      return 100;
  return 100*M/innodb_max_dirty_pages_pct;
}

InnoDB 每次写入的日志都有一个序号，当前写入的序号跟 checkpoint 对应的序号之间的差值，咱们假设为 N。InnoDB 会根据这个 N 算出一个范围在 0 到 100 之间的数字，

这个计算公式能够记为 F2(N)。F2(N) 算法比较复杂，你只要知道 N 越大，算出来的值越大就行了。

而后，根据上述算得的 F1(M) 和 F2(N) 两个值，取其中较大的值记为 R，以后引擎就能够按照 innodb_io_capacity 定义的能力乘以 R% 来控制刷脏页的速度。

上述的计算流程比较抽象，不容易理解，因此我画了一个简单的流程图。图中的 F一、F2就是上面咱们经过脏页比例和 redo log 写入速度算出来的两个值。

图 3 InnoDB 刷脏页速度策略

如今你知道了，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。因此，不管是你的查询语句在须要内存的时候可能要求淘汰一个脏页，仍是因为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，均可能是形成你从业务端感知到MySQL“抖”了一下的缘由。

三、脏页比例设置

要尽可能避免这种状况，你就要合理地设置 innodb_io_capacity 的值，而且平时要多关注脏页比例，不要让它常常接近 75%。

其中，脏页比例是经过Innodb_buffer_pool_pages_dirty/Innodb_buffer_pool_pages_total 获得的，具体的命令参考下面的代码：

mysql> select VARIABLE_VALUE into @a from global_status where VARIABLE_NAME = 'Innodb_buffer_pool_pages_dirty';
select VARIABLE_VALUE into @b from global_status where VARIABLE_NAME = 'Innodb_buffer_pool_pages_total';
select @a/@b;

接下来，咱们再看一个有趣的策略。

一旦一个查询请求须要在执行过程当中先 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，若是
这个数据页旁边的数据页恰好是脏页，就会把这个“邻居”也带着一块儿刷掉；并且这个把“邻居”拖下水的逻辑还能够继续蔓延，也就是对于每一个邻居数据页，若是跟它相邻的数据页也仍是脏页的话，刷。
也会被放到一块儿

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，本身刷本身的。

找“邻居”这个优化在机械硬盘时代是颇有意义的，能够减小不少随机 IO。机械硬盘的随机 IOPS 通常只有几百，相同的逻辑操做减小随机 IO 就意味着系统性能的大幅度提高。
而若是使用的是 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。由于这时候 IOPS 每每不是瓶颈，而“只刷本身”，就能更快地执行完必要的刷脏页操做，

减小 SQL 语句响应时间。

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

6、小结

今天这篇文章，我延续第 2 篇中介绍的 WAL 的概念，和你解释了这个机制后续须要的刷脏页操做和执行时机。利用 WAL 技术，数据库将随机写转换成了顺序写，大大提高了数
据库的性能。

可是，由此也带来了内存脏页的问题。脏页会被后台线程自动 flush，也会因为数据页淘汰而触发 flush，而刷脏页的过程因为会占用资源，可能会让你的更新和查询语句的响应时间
长一些。在文章里，我也给你介绍了控制刷脏页的方法和对应的监控方式。

文章最后，我给你留下一个思考题吧。

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。

但若是你在配置的时候不慎将 redo log 设置成了 1 个 100M 的文件，会发生什么状况呢？又为何会出现这样的状况呢？

你能够把你的分析结论写在留言区里，我会在下一篇文章的末尾和你讨论这个问题。感谢你的收听，也欢迎你把这篇文章分享给更多的朋友一块儿阅读。

7、上期问题时间

上期我留给你的问题是，给一个学号字段建立索引，有哪些方法。

因为这个学号的规则，不管是正向仍是反向的前缀索引，重复度都比较高。由于维护的只是一个学校的，所以前面 6 位（其中，前三位是所在城市编号、第四到第六位是学校编
号）实际上是固定的，邮箱后缀都是 @gamil.com，所以能够只存入学年份加顺序编号，它们的长度是 9 位。

而其实在此基础上，能够用数字类型来存这 9 位数字。好比 201100001，这样只须要占4 个字节。其实这个就是一种 hash，只是它用了最简单的转换规则：字符串转数字的规则，而恰好咱们设定的这个背景，能够保证这个转换后结果的惟一性。评论区中，也有其余一些很不错的看法。