12 | 为何个人MySQL会“抖”一下？

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。

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。

作下类比的话，掌柜记帐的帐本是数据文件，记帐用的粉板是日志文件（redo log），掌柜的记忆就是内存。

掌柜总要找时间把帐本更新一下，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操做执行以前，孔乙己的赊帐总额，其实跟掌柜手中帐本里面的记录是不一致的。由于孔乙己今天的赊帐金额还只在粉板上，而帐本里的记录是老的，还没把今天的赊帐算进去。

当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候，咱们称这个内存页为“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。

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）。

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？

• 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。

• 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。若是刷脏页必定会写盘，就保证了每一个数据页有两种状态：

  • 一种是内存里存在，内存里就确定是正确的结果，直接返回；
  • 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。

• 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，即便是“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”。

• 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。

接下来，你能够分析一下上面四种场景对性能的影响。

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。

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。

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：

• 第一种是，尚未使用的；
• 第二种是，使用了而且是干净页；
• 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。

InnoDB刷脏页的控制策略

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。

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redo log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。

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，也会被放到一块儿刷。

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，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。

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。

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。

评论用户@封建的风 说，一个学校的总人数这种数据量，50年才100万学生，这个表确定是小表。为了业务简单，直接存原来的字符串。这个答复里面包含了“优化成本和收益”的思想，我以为值得at出来。

@小潘 同窗提了另一个极致的方向。若是碰到表数据量特别大的场景，经过这种方式的收益是很不错的。