mysql的Innodb缓冲池管理:LRU List、Free List和Flush List

本文深入探讨了InnoDB存储引擎的内存管理策略,包括LRU列表、FreeList和FlushList的工作原理,以及如何通过调整参数优化缓冲池效率。

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一、Innodb内存管理策略

1. LRU List管理

(1) LRU List

在上一篇博客中我们知道了缓冲池是一个很大的内存区域,其中存放各种类型的页。那么InnoDB存储引擎是怎么对这么大的内存区域进行管理的呢?

通常来说,数据库中的缓冲池是通过LRU(Latest Recent Used,最近最少使用)算法来进行管理的。即最频繁使用的页在LRU列表的前端,而最少使用的页在LRU列表的尾端。当缓冲池不能存放新读取到的页时,将首先释放LRU列表中尾端的页。

在InnoDB存储引擎中,缓冲池中页的大小默认为16KB,同样使用LRU算法对缓冲池进行管理。稍有不同的是InnoDB存储引擎对传统的LRU算法做了一些优化。在InnoDB的存储引擎中,LRU列表中还加入了midpoint位置。新读取到的页,虽然是最新访问的页,但并不是直接放入到LRU列表的首部,而是放入到LRU列表的midpoint位置。这个算法在InnoDB存储引擎下称为midpoint insertion strategy。在默认配置下,该位置在LRU列表长度的5/8处。

//midpoint insertion strategy
mysql> SHOW VARIABLES LIKE'innodb_old_blocks_pct';
+-----------------------+-------+
| Variable_name         | Value |
+-----------------------+-------+
| innodb_old_blocks_pct | 37    |
+-----------------------+-------+

从上面的例子可以看到,参数innodb_old_blocks_pct默认值为37,表示新读取的页插入到LRU列表尾端的37%的位置(差不多3/8的位置)。在InnoDB存储引擎中,把midpoint之后的列表称为old列表,之前的列表称为new列表。可以简单地理解为new列表中的页都是最为活跃的热点数据。

那为什么不采用朴素的LRU算法,直接将读取的页放入到LRU列表的首部呢?这是因为若直接将读取到的页放入到LRU的首部,那么某些SQL操作可能会使缓冲池中的页被刷新出,从而影响缓冲池的效率。常见的这类操作为索引或数据的扫描操作。这类操作需要访问表中的许多页,甚至是全部的页,而这些页通常来说又仅在这次查询操作中需要,并不是活跃的热点数据。如果页被放入LRU列表的首部,那么非常可能将所需要的热点数据页从LRU列表中移除,而在下一次需要读取该页时,InnoDB存储引擎需要再次访问磁盘。

为了解决这个问题,InnoDB存储引擎引入了另一个参数来进一步管理LRU列表,这个参数是innodb_old_blocks_time,用于表示页读取到mid位置后需要等待多久才会被加入到LRU列表的热端。因此当需要执行上述所说的SQL操作时,可以通过下面的方法尽可能使LRU列表中热点数据不被刷出。

//查看innodb_old_blocks_time
mysql> SHOW VARIABLES LIKE'innodb_old_blocks_time';
+------------------------+-------+
| Variable_name          | Value |
+------------------------+-------+
| innodb_old_blocks_time | 1000  |
+------------------------+-------+

//设置innodb_old_blocks_time
mysql> SET GLOBAL innodb_old_blocks_time=0;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> SHOW VARIABLES LIKE'innodb_old_blocks_time';
+------------------------+-------+
| Variable_name          | Value |
+------------------------+-------+
| innodb_old_blocks_time | 0     |
+------------------------+-------+

如果用户预估自己活跃的热点数据不止63%,那么在执行SQL语句前,还可以通过下面的语句来减少热点页可能被刷出的概率。

//设置热点数据比例变大
mysql>SET GLOBAL innodb_old_blocks_pct=20;
Query OK, 0 rows affected (0.00 sec)

mysql> SHOW VARIABLES LIKE'innodb_old_blocks_pct';
+-----------------------+-------+
| Variable_name         | Value |
+-----------------------+-------+
| innodb_old_blocks_pct | 20    |
+-----------------------+-------+

可以通过表INNODB_BUFFER_PAGE_LRU来观察每个LRU列表中每个页的具体信息:

//通过表INNODB_BUFFER_PAGE_LRU来观察每个LRU列表中每个页的具体信息
mysql> use information_schema;
mysql> SELECT TABLE_NAME,SPACE,PAGE_NUMBER,PAGE_TYPE FROM INNODB_BUFFER_PAGE_LRU;
mysql> SELECT TABLE_NAME,SPACE,PAGE_NUMBER,PAGE_TYPE FROM INNODB_BUFFER_PAGE_LRU WHERE SPACE=3;
+-------------------+-------+-------------+-------------+
| TABLE_NAME        | SPACE | PAGE_NUMBER | PAGE_TYPE   |
+-------------------+-------+-------------+-------------+
| `mysql`.`servers` |     3 |           3 | INDEX       |
| NULL              |     3 |           1 | IBUF_BITMAP |
| NULL              |     3 |           2 | INODE       |
+-------------------+-------+-------------+-------------+
(2)unzip_LRU List

InnoDB存储引擎从1.0.x版本开始支持压缩页的功能,即将原本16KB的页压缩为1KB、2KB、4KB和8KB。而由于页的大小发生了变化,LRU列表也有了些许的改变。对于非16KB的页,是通过unzip_LRU列表进行管理的。通过命令SHOW ENGINE INNODB STATUS可以观察到如下内容:

mysql>SHOW ENGINE INNODB STATUS\G;
……
Buffer pool hit rate 999/1000,young-making rate 0/1000 not 0/1000
Pages read ahead 0.00/s,evicted without access 0.00/s,Random read ahead 0.00/s
LRU len:1539,unzip_LRU len:156
I/O sum[0]:cur[0],unzip sum[0]:cur[0]
……

可以看到LRU列表中一共有1539个页,而unzip_LRU列表中有156个页。这里需要注意的是,LRU中的页包含了unzip_LRU列表中的页。

对于压缩页的表,每个表的压缩比率可能各不相同。可能存在有的表页大小为8KB,有的表页大小为2KB的情况。unzip_LRU是怎样从缓冲池中分配内存的呢?

首先,在unzip_LRU列表中对不同压缩页大小的页进行分别管理。其次,通过伙伴算法进行内存的分配。例如对需要从缓冲池中申请页为4KB的大小,其过程如下:
1)检查4KB的unzip_LRU列表,检查是否有可用的空闲页;
2)若有,则直接使用;
3)否则,检查8KB的unzip_LRU列表;
4)若能够得到空闲页,将页分成2个4KB页,存放到4KB的unzip_LRU列表;
5)若不能得到空闲页,从LRU列表中申请一个16KB的页,将页分为1个8KB的页、2个4KB的页,分别存放到对应的unzip_LRU列表中。

同样可以通过information_schema架构下的表INNODB_BUFFER_PAGE_LRU来观察unzip_LRU列表中的页,如:

//查看unzip_LRU列表中的页
mysql> use information_schema;
mysql> SELECT TABLE_NAME,SPACE,PAGE_NUMBER,COMPRESSED_SIZE FROM INNODB_BUFFER_PAGE_LRU WHERE COMPRESSED_SIZE!=0;

2. Free List管理

LRU列表用来管理已经读取的页,但当数据库刚启动时,LRU列表是空的,即没有任何的页。这时页都存放在Free列表中。当需要从缓冲池中分页时,首先从Free列表中查找是否有可用的空闲页,若有则将该页从Free列表中删除,放入到LRU列表中。否则,根据LRU算法,淘汰LRU列表末尾的页,将该内存空间分配给新的页。当页从LRU列表的old部分加入到new部分时,称此时发生的操作为page made young,而因为innodb_old_blocks_time的设置而导致页没有从old部分移动到new部分的操作称为page not made young。可以通过命令SHOW ENGINE INNODB STATUS来观察LRU列表及Free列表的使用情况和运行状态。

mysql>SHOW ENGINE INNODB STATUS\G;
***************************1.row***************************
Type:InnoDB
Name:
Status:
=====================================
120725 22:04:25 INNODB MONITOR OUTPUT
=====================================
Per second averages calculated from the last 24 seconds
……
Buffer pool size 327679
Free buffers 0
Database pages 307717
Old database pages 113570
Modified db pages 24673
Pending reads 0
Pending writes:LRU 0,flush list 0,single page 0
Pages made young 6448526,not young 0
48.75 youngs/s,0.00 non-youngs/s
Pages read 5354420,created 239625,written 3486063
55.68 reads/s,81.74 creates/s,955.88 writes/s
Buffer pool hit rate 1000/1000,young-making rate 0/1000 not 0/1000
……

从上面可以看出:

  • 当前Buffer pool size共有327 679个页,即327679*16K,总共5GB的缓冲池。
  • Free buffers表示当前Free列表中页的数量,Database pages表示LRU列表中页的数量。可能的情况是Free buffers与Database pages的数量之和不等于Buffer pool size。正如图2-2所示的那样,因为缓冲池中的页还可能会被分配给自适应哈希索引、Lock信息、Insert Buffer等页,而这部分页不需要LRU算法进行维护,因此不存在于LRU列表中。
  • pages made young显示了LRU列表中页移动到前端的次数,因为该服务器在运行阶段没有改变innodb_old_blocks_time的值,因此not young为0。youngs/s、non-youngs/s表示每秒这两类操作的次数。
  • 这里还有一个重要的观察变量——Buffer pool hit rate,表示缓冲池的命中率,这个例子中为100%,说明缓冲池运行状态非常良好。通常该值不应该小于95%。若发生Buffer pool hit rate的值小于95%这种情况,用户需要观察是否是由于全表扫描引起的LRU列表被污染的问题。
  • 注意:执行命令SHOW ENGINE INNODB STATUS显示的不是当前的状态,而是过去某个时间范围内InnoDB存储引擎的状态。从上面的例子可以发现,Per second averages calculated from the last 24 seconds代表的信息为过去24秒内的数据库状态。

从InnoDB 1.2版本开始,还可以通过表INNODB_BUFFER_POOL_STATS来观察缓冲池的运行状态:

//配置LRU相关参数后,查看缓冲池运行信息
mysql> SELECT POOL_ID,HIT_RATE,PAGES_MADE_YOUNG,PAGES_NOT_MADE_YOUNG FROM information_schema.INNODB_BUFFER_POOL_STATS;
+---------+----------+------------------+----------------------+
| POOL_ID | HIT_RATE | PAGES_MADE_YOUNG | PAGES_NOT_MADE_YOUNG |
+---------+----------+------------------+----------------------+
|       0 |        0 |                0 |                    0 |
+---------+----------+------------------+----------------------+

3. Flush List

在LRU列表中的页被修改后,称该页为脏页(dirty page),即缓冲池中的页和磁盘上的页的数据产生了不一致。这时数据库会通过CHECKPOINT机制将脏页刷新回磁盘,而Flush列表中的页即为脏页列表。需要注意的是,脏页既存在于LRU列表中,也存在于Flush列表中。LRU列表用来管理缓冲池中页的可用性,Flush列表用来管理将页刷新回磁盘,二者互不影响。

同LRU列表一样,Flush列表也可以通过命令SHOW ENGINE INNODB STATUS来查看,前面例子中Modified db pages 24673就显示了脏页的数量。information_schema架构下并没有类似INNODB_BUFFER_PAGE_LRU的表来显示脏页的数量及脏页的类型,但正如前面所述的那样,脏页同样存在于LRU列表中,故用户可以通过元数据表INNODB_BUFFER_PAGE_LRU来查看,唯一不同的是需要加入OLDEST_MODIFICATION大于0的SQL查询条件,如:

//查看脏页的数量及脏页的类型
mysql> use information_schema;
mysql> SELECT TABLE_NAME,SPACE,PAGE_NUMBER,PAGE_TYPE FROM INNODB_BUFFER_PAGE_LRU WHERE OLDEST_MODIFICATION>0;

TABLE_NAME为NULL表示该页属于系统表空间。

<think>好的,我现在需要详细解析InnoDB缓冲池,也就是InnoDB Buffer Pool。首先,用户之前询问了MySQL的缓存机制,现在特别关注InnoDB缓冲池,说明他们对这部分特别感兴趣或者在实际应用中遇到了相关问题。用户可能是数据库管理员或开发人员,需要深入了解缓冲池的工作原理优化方法,以提升数据库性能。 首先,我要回忆InnoDB缓冲池的基本概念。缓冲池InnoDB引擎的核心组件,主要用于缓存数据索引,减少磁盘I/O。接下来需要覆盖它的结构,比如数据页、索引页、自适应哈希索引、变更缓冲区等。然后需要解释它的工作原理,比如如何读取写入数据,页面淘汰策略,以及LRU算法的具体实现,尤其是冷热数据分离的部分,避免全表扫描导致缓存污染。 接下来,配置参数是关键部分。用户可能需要知道如何设置缓冲池的大小,多实例配置,以及相关的状态监控命令。比如innodb_buffer_pool_size的设置建议,通常建议设置为物理内存的70-80%,但也要考虑其他内存使用情况。innodb_buffer_pool_instances用于减少锁竞争,提高并发性能。 然后,性能监控方面,需要介绍如何通过SHOW ENGINE INNODB STATUSPerformance Schema来查看缓冲池的命中率、页面使用情况等指标。命中率低可能意味着需要调整缓冲池大小或者优化查询。 优化策略部分,要包括预热方法,比如如何通过导出导入缓冲池状态来加速重启后的性能恢复。还有如何结合SSD进行优化,调整innodb_io_capacity等参数。此外,云数据库的优化可能也是用户关心的点,比如阿里云或AWS的特定功能。 需要注意用户可能的误区,比如缓冲池设置过大导致系统内存不足,或者未正确配置多实例导致锁竞争。还要提醒用户,虽然缓冲池很重要,但也需要综合其他因素如查询优化、索引设计等来提升整体性能。 最后,要总结常见问题,比如命中率下降的原因解决方法,帮助用户快速排查问题。可能还需要比较InnoDB缓冲池与其他缓存机制(如MyISAM的密钥缓存)的不同,但用户当前的问题集中在InnoDB,所以重点在此。 现在需要组织内容的结构,确保逻辑清晰,从基本概念到工作原理,再到配置、监控优化,最后是常见问题处理。使用示例代码参数设置建议能增加实用性。同时,保持语言简洁,技术点准确,避免错误,比如LRU算法的具体实现细节要正确,冷热区的划分比例要准确描述。 可能还需要检查是否有最新的MySQL版本更新影响了缓冲池的某些行为,比如在MySQL 8.0中是否有相关改动。根据之前的对话,用户知道查询缓存在8.0被移除,但缓冲池依然是核心,所以不需要特别说明版本差异,除非有重大变化。 总之,回答需要全面覆盖缓冲池的各个方面,同时提供实用的配置建议问题排查方法,帮助用户真正理解应用这些知识来优化他们的数据库环境。</think>以下是InnoDB缓冲池的详细解析(基于MySQL 8.0+版本): --- ### **一、核心定位** InnoDB缓冲池MySQL性能的核心组件,承担以下关键角色: - 内存与磁盘的桥梁:通过内存缓存减少95%+的物理磁盘I/O - 数据中转站:统一管理数据页的读取、修改刷盘操作 - 查询加速器:使高频访问数据实现微秒级响应 --- ### **二、内存结构设计** #### 1. 核心区域划分 ```sql +-------------------------------+ | Buffer Pool | | +--------------------------+ | | | Data Pages | | # 实际数据(B+树叶子节点) | +--------------------------+ | | | Index Pages | | # 非叶子节点索引 | +--------------------------+ | | | Adaptive Hash Index | | # 自动优化的哈希索引 | +--------------------------+ | | | Change Buffer | | # DML操作的临时缓存(插入/删除) | +--------------------------+ | | | Lock Info & Undo Logs | | # 行锁信息/回滚日志 | +--------------------------+ | +-------------------------------+ ``` #### 2. 页管理机制 - 标准页大小:16KB(可通过`innodb_page_size`调整) - 页状态标记: - `干净页`(数据与磁盘一致) - `脏页`(已修改未刷盘) - `空闲页`(可分配空间) --- ### **三、工作流程** #### 1. 数据读取流程 ```mermaid graph TD A[查询请求] --> B{检查缓冲池} B -->|命中| C[直接返回内存数据] B -->|未命中| D[发起磁盘IO读取] D --> E[数据页载入缓冲池] E --> F[更新访问记录] F --> C ``` #### 2. 数据写入流程 ```mermaid graph TD A[数据修改] --> B[写入缓冲池脏页] B --> C[记录redo log] C --> D{检查点触发条件} D -->|是| E[异步刷盘] D -->|否| F[保持脏页状态] ``` --- ### **四、关键配置参数** ```sql # my.cnf 关键配置项 innodb_buffer_pool_size = 12G # 必须小于物理内存的80% innodb_buffer_pool_instances = 8 # 建议每个实例1GB左右 innodb_lru_scan_depth = 1024 # LRU扫描深度(每实例后台线程) innodb_change_buffer_max_size = 25 # 变更缓冲区最大占比(默认25%) ``` --- ### **五、高级特性** #### 1. 多缓冲池实例 - 解决全局锁争用问题 - 建议设置:当缓冲池≥1GB时,配置多个实例 ```sql 计算公式: innodb_buffer_pool_instances = MIN( innodb_buffer_pool_size / 1G , 64 ) ``` #### 2. 预读优化(Read-Ahead) - 线性预读:`innodb_read_ahead_threshold`(默认56,连续访问页数阈值) - 随机预读:`innodb_random_read_ahead`(默认OFF,建议保持关闭) #### 3. 刷新策略 ```sql innodb_max_dirty_pages_pct = 75 # 最大脏页比例阈值 innodb_io_capacity = 2000 # SSD建议设为2000-5000 innodb_flush_neighbors = 0 # SSD建议关闭邻页刷新 ``` --- ### **六、监控与调优** #### 1. 核心监控指标 ```sql SHOW ENGINE INNODB STATUS\G -- 重点关注: BUFFER POOL AND MEMORY ---------------------- Buffer pool hit rate # 命中率应>95% Pages made young/not young # 数据活跃度 Dirty pages already flushed # 已刷新的脏页 Pending writes: LRU 0, flush list 0 # 待处理IO # 性能模式查询 SELECT * FROM sys.schema_table_statistics WHERE table_schema NOT IN ('sys','mysql'); ``` #### 2. 热数据预热方案 ```sql # 启动时自动加载 [mysqld] innodb_buffer_pool_load_at_startup = ON innodb_buffer_pool_dump_at_shutdown = ON # 手动触发预热 SET GLOBAL innodb_buffer_pool_dump_now=ON; SET GLOBAL innodb_buffer_pool_load_now=ON; ``` --- ### **七、典型问题处理** #### **场景1:缓冲池命中率低** - 排查步骤: 1. 检查`缓冲池大小`是否足够 2. 分析`全表扫描`查询(EXPLAIN检查type=ALL) 3. 确认是否频繁`重启服务`导致缓存失效 #### **场景2:突发性能下降** - 可能原因: - 脏页比例超过`innodb_max_dirty_pages_pct` - 后台刷盘线程阻塞 - 解决方案: ```sql # 临时提升IO容量 SET GLOBAL innodb_io_capacity=5000; # 手动触发刷盘 SET GLOBAL innodb_max_dirty_pages_pct=50; ``` --- ### **八、最佳实践建议** 1. **容量规划**:专用数据库服务器建议分配70-80%物理内存 2. **版本升级**:MySQL 5.7+支持在线调整缓冲池大小 3. **SSD优化**:配合`innodb_io_capacity`提升刷盘效率 4. **监控警报**:设置命中率<90%、脏页>60%的告警阈值 通过深度优化InnoDB缓冲池,可使OLTP系统的TPS提升3-10倍。建议结合Percona Monitoring等工具进行长期性能追踪。
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