InnoDB存储引擎——Master Thread工作方式

Master Thread是InnoDB存储引擎非常核心的一个后台线程，主要负责将缓冲池中的数据异步刷新到磁盘，保证数据的一致性，包括脏页的刷新、合并插入缓冲、UNDO页的回收等。

InnoDB 1.0.x版本之前的Master Thread

Master Thread具有最高的线程优先级别。内部由多个循环组成：主循环（loop）、后台循环（backgroup loop）、刷新循环（flush loop）、暂停循环（suspend loop）。Master Thread会根据数据库运行的状态在loop、backgroup loop、flush loop和suspend loop中进行切换。

loop是主循环，大多数的操作都在这个循环中，主要有两大部分的操作——每秒钟的操作和每10秒钟的操作。伪代码如下：

void master_thread()
{
    loop:
    for(int i = 0; i < 10; ++i){
        do thing once per second;
        sleep 1 second if necessary;
    }
    do things once per ten seconds;
    goto loop;
}

每秒一次的操作包括：
1)日志缓冲刷新到磁盘，即使这个事务还没有提交（总是）；
2)合并插入缓冲（可能）；
3)至多刷新100个InnoDB的缓冲池中的脏页到磁盘（可能）；
4)如果当前没有用户活动，则切换到background loop(可能)；

即使某个事务还没有提交，InnoDB存储引擎仍然每秒会将重做日志缓冲中的内容刷新到重做日志文件。这也解释了为什么再大的事务提交的时间也是很短的。

合并插入缓冲并不是每秒都会发生的。InnoDB存储引擎会判断当前一秒内发生的IO次数是否小于5次，如果小于5次，InnoDB存储引擎认为当前的IO压力很小，可以执行合并插入缓冲的操作；

刷新100个脏页也不是每秒都会发生的，InnoDB存储引擎通过判断当前缓冲池中脏页的比例(buf_get_modified_ratio_pct)是否超过了配置文件中
innodb_max_dirty_pages_pct这个参数（默认是90，代表90%），如果超过了这个值，InnoDB存储引擎则认为需要做磁盘同步的操作，将100个脏页写入磁盘中。

综上所述，伪代码可以进一步具体化。

void master_thread()
{
    loop:
    for(int i = 0; i < 10; ++i){
        thread_sleep(1);
        do log buffer flush to disk;
        if(last_one_second_ios < 5)
            do merge at most 5 insert buffer;
        if(buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct)
            do buffer pool flush 100 dirty page;
        if(no user activity)
            goto backgroud loop;
    }
    do things once per ten seconds;
    backgroud loop;
    do something;
    goto loop;
}

每10秒的操作主要是下面几个方面：
1)刷新100个脏页到磁盘（可能）
2)合并至多5个插入缓冲（总是）
3)将日志缓冲刷新到磁盘（总是）
4)删除无用的Undo页（总是）
5)刷新100个或者10个脏页到磁盘（总是）

在以上过程中，InnoDB存储引擎会先判断过去10秒之内磁盘的IO操作是否小于200次，如果是，InnoDB存储引擎认为当前有足够的磁盘IO能力，因此将100个脏页刷新到磁盘。

接着，InnoDB存储引擎会合并插入缓冲，每10秒都会发生。

之后，InnoDB存储引擎会再进行一次将日志缓冲刷新到磁盘的操作，这和每秒一次时发生的操作是一样的。

然后，InnoDB存储引擎会执行full purge操作，即删除无用的Undo页。对表进行update，delete这类的操作时，原先的行被标记为删除，但是因为一致性读的关系，需要保留这些行版本的信息。但是在full purge过程中，InnoDB存储引擎会判断当前事务系统中已被删除的行是否可以删除，比如有时候可能还有查询操作需要读取之前版本的undo信息，如果可以删除，InnoDB存储引擎会立即将其删除。从源代码中可以看出，InnoDB存储引擎在执行full purge 操作时，每次最多尝试回收20个undo页。

然后，InnoDB存储引擎会判断缓冲池中脏页的比例（buf_get_modified_ratio_pct）,如果有超过70%的脏页，则刷新100个脏页到磁盘，如果脏页的比例小于70%,则只需刷新10%的脏页到磁盘。

伪代码进一步细化:

void master_thread()
{
    loop:
    for(int i = 0; i < 10; ++i){
        thread_sleep(1);
        do log buffer flush to disk;
        if(last_one_second_ios < 5)
            do merge at most 5 insert buffer;
        if(buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct)
            do buffer pool flush 100 dirty page;
        if(no user activity)
            goto backgroud loop;
    }
    if(last_ten_second_ios < 200)
        do buffer pool flush 100 dirty page;

    do merge at most 5 insert buffer;
    do log buffer flush to disk;
    do full purge;
    if(buf_get_modified_ratio_pct > 70%)
        do buffer pool flush 100 dirty page;
    else
        buffer pool flush 10 dirty page;
    goto loop;
    backgroud loop;
    do something;
    goto loop;
}

如果当前没有用户活动（数据库空闲）或者数据库关系，就会切换到backgroud loop这个循环。
backgroud loop会执行以下操作：
1)删除无用的Undo页（总是）
2)合并20个插入缓冲（总是）
3)跳回到主循环（总是）
4)不断刷新100个页直到符合条件（可能，需要跳转到flush loop中完成）

如果flush loop中也没有什么事情可以做了，InnoDB存储引擎会切换到suspend_loop，将Master Thread挂起，等待事件的发生。若用户启用了InnoDB存储引擎，却没有使用任何InnoDB存储引擎的表，那么Master Thread总是处于挂起的状态。

最后，Master Thread完整的伪代码如下：

void master_thread()
{
    loop:
    for(int i = 0; i < 10; ++i){
        thread_sleep(1);
        do log buffer flush to disk;
        if(last_one_second_ios < 5)
            do merge at most 5 insert buffer;
        if(buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct)
            do buffer pool flush 100 dirty page;
        if(no user activity)
            goto backgroud loop;
    }
    if(last_ten_second_ios < 200)
        do buffer pool flush 100 dirty page;

    do merge at most 5 insert buffer;
    do log buffer flush to disk;
    do full purge;
    if(buf_get_modified_ratio_pct > 70%)
        do buffer pool flush 100 dirty page;
    else
        buffer pool flush 10 dirty page;

    backgroud loop：
    do full purge
    do merge 20 insert buffer;
    if not idle
        goto loop:
    else
        goto flush loop

    flush loop:
    do buffer pool flush 100 dirty page;
    if(buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct)
        goto flush loop;

    goto suspend loop;

    suspend loop:
    suspend_thread();
    waiting event;
    goto loop;
}

InnoDB 1.2.x版本之前的Master Thread

1.0.x版本中，InnoDB存储引擎最多只会刷新100个脏页到磁盘，合并20个插入缓冲。如果是在写入密集的应用程序中，每秒可能会产生大于100个的脏页，如果是产生大于20个插入缓冲的情况，那么可能会来不及刷新所有的脏页以及合并插入缓冲。

后来，InnoDB存储引擎提供了参数innodb_io_capacity，用来表示磁盘IO的吞吐量，默认值为200。

mysql> show variables like 'innodb_io_capacity';
+--------------------+-------+
| Variable_name      | Value |
+--------------------+-------+
| innodb_io_capacity | 200   |
+--------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

对于刷新到磁盘的页的数量，会按照innodb_io_capacity的百分比来进行控制。规则如下：
1)在合并插入缓冲时，合并插入缓冲的数量为innodb_io_capacity值的5%;
2)在从缓冲区刷新脏页时，刷新脏页的数量为innodb_io_capacity;

如果用户使用的是SSD类的磁盘，可以将innodb_io_capacity的值调高，直到符合磁盘IO的吞吐量为止；

另一个问题是参数innodb_max_dirty_pages_pct的默认值，在1.0.x版本之前，该值的默认值是90，意味着脏页占缓冲池的90%。InnoDB存储引擎在每秒刷新缓冲池和flush loop时会判断这个值，如果该值大于innodb_max_dirty_pages_pct,才会刷新100个脏页，如果有很大的内存，或者数据库服务器的压力很大，这时刷新脏页的速度反而会降低。
后来将innodb_max_dirty_pages_pct的默认值改为了75。这样既可以加快刷新脏页的频率，又能够保证磁盘IO的负载。

mysql> show variables like 'innodb_max_dirty_pages_pct';
+----------------------------+-------+
| Variable_name              | Value |
+----------------------------+-------+
| innodb_max_dirty_pages_pct | 75    |
+----------------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

还有一个新的参数是innodb_adaptive_flushing(自适应地刷新)，该值影响每秒刷新脏页的数量。原来的刷新规则是：脏页在缓冲池所占的比例小于innodb_max_dirty_pages_pct时，不刷新脏页；大于innodb_max_dirty_pages_pct时，刷新100个脏页。随着innodb_adaptive_flushing参数的引入，InnoDB通过一个名为buf_flush_get_desired_flush_rate的函数来判断需要刷新脏页最合适的数量。buf_flush_get_desired_flush_rate函数通过判断产生重做日志的速率来决定最合适的刷新脏页数量。

之前每次进行full purge 操作时，最多回收20个Undo页，从InnoDB 1.0.x版本开始引入了参数innodb_purge_batch_size,该参数可以控制每次full purge回收的Undo页的数量。该参数的默认值为20，并可以动态地对其进行修改。

mysql> show variables like 'innodb_purge_batch_size';
+-------------------------+-------+
| Variable_name           | Value |
+-------------------------+-------+
| innodb_purge_batch_size | 20    |
+-------------------------+-------+
1 row in set (0.00 sec)

Master Thread的伪代码变为了下面的形式：

void master_thread()
{
    loop:
    for(int i = 0; i < 10; ++i){
        thread_sleep(1);
        do log buffer flush to disk;
        if(last_one_second_ios < 5%innodb_io_capacity)
            do merge 5%innodb_io_capacity insert buffer;
        if(buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct)
            do buffer pool flush 100%innodb_io_capacity dirty page;
        else if enable adaptive flush
            do buffer pool flush desired amount dirty page;
        if(no user activity)
            goto backgroud loop;
    }
    if(last_ten_second_ios < innodb_io_capacity)
        do buffer pool flush 100%innodb_io_capacity dirty page;

    do merge 5%innodb_io_capacity insert buffer;
    do log buffer flush to disk;
    do full purge;
    if(buf_get_modified_ratio_pct > 70%)
        do buffer pool flush 100%innodb_io_capacity dirty page;
    else
        do buffer pool flush 10%innodb_io_capacity dirty page;

    goto loop;
    backgroud loop：
    do full purge
    do merge 100%innodb_io_capacity insert buffer;
    if not idle
        goto loop:
    else
        goto flush loop

    flush loop:
    do buffer pool flush 100%innodb_io_capacity dirty page;
    if(buf_get_modified_ratio_pct > innodb_max_dirty_pages_pct)
        goto flush loop;

    goto suspend loop;

    suspend loop:
    suspend_thread();
    waiting event;
    goto loop;
}

这个版本的性能得到了提高。

mysql> show engine innodb status\G
*************************** 1. row ***************************
  Type: InnoDB
  Name: 
Status: 
=====================================
170312 20:14:04 INNODB MONITOR OUTPUT
=====================================
Per second averages calculated from the last 38 seconds
-----------------
BACKGROUND THREAD
-----------------
srv_master_thread loops: 1 1_second, 1 sleeps, 0 10_second, 1 background, 1 flush
srv_master_thread log flush and writes: 1

可以看到主循环进行了1次，每秒的操作进行了1次，10秒一次的操作进行了0次，backgound loop进行了6次，flush loop进行了6次。

InnoDB 1.2.x版本的Master Thread

1.2.x版本中再次对Master Thread进行了优化。
Master Thread的伪代码如下：

if InnoDB is idle
    srv_master_do_idle_tasks();
else
    srv_master_do_active_tasks();

其中srv_master_do_idle_tasks()就是之前版本中每10秒的操作，srv_master_do_active_tasks()处理的是之前每秒中的操作。同时，对于刷新脏页的操作，从Master Thread线程分离到一个单独的Page Cleaner Thread，从而减轻了Master Thread的工作，同时进一步提高了系统的并发性。