《MySQL运维内参》节选 | InnoDB日志管理机制（一）

引 子

InnoDB 存储引擎是支持事务ACID特性的，它是以二十多年前IBM的一篇著名文章《ARIES:A Transaction Recovery Method Supporting Fine-Granularity Locking and PartialRollbacks Using Write-Ahead Logging》为理论基础，大多数关系型数据库的实现都是基于这个理论的，包括Oracle、DM等。

这个理论基本就是一个关系型数据库相关的数据库恢复原型设计，包括日志、回滚、REDO、并发控制、BufferPool管理等方面，内容非常全面。同时，这些内容是一个不可分割的整体，它们的共同目标之一就是保证数据库数据的一致性，保证数据库事务的ACID特性，所以这一节要讲的东西都是互相迁连的，它们之间相互作用，相互配合，相互驱动，才能保证数据库的数据完整性。下面就先从Buffer Pool的背景和实现开始讲起。

仔细说说InnoDB Buffer Pool

Buffer Pool的背景

InnoDB的Buffer Pool主要用来存储访问过的数据页面，它就是一块连续的内存，通过一定的算法可以使这块内存得到有效的管理。它是数据库系统中拥有最大块内存的系统模块。

InnoDB存储引擎中数据的访问是按照页（有的也叫块，默认为16K）的方式从数据库文件读取到Buffer Pool中的，然后在内存中用同样大小的内存空间来做一个映射。为了提高数据访问效率，数据库系统预先就分配了很多这样的空间，用来与文件中的数据进行交换。访问时按照最近最少使用（LRU）算法来实现Buffer Pool页面的管理，经常访问的页面在最前面，最不经常的页面在最后面。如果Buffer Pool中没有空闲的页面来做文件数据的映射，就找到Buffer Pool中最后面且不使用的位置，将其淘汰，然后用来映射新数据文件页面，同时将它移到LRU链表中的最前面。这样就能保证经常访问的页面在没有刷盘的情况下始终在Buffer Pool中，从而保证了数据库的访问效率。

Buffer Pool的大小可以在配置文件中配置，由参数innodb_buffer_pool_size的大小来决定，默认大小为128M。在MySQL 5.7.4之前，一旦MySQL已经启动，这个值便不能再做修改，如果需要修改，只能退出MySQL进程，然后修改对应的配置文件来设置新的Buffer Pool大小，重新启动后才能生效。这在运维上非常不方便，因为很多时候，需要去调整Buffer Pool的大小，特别是在单机多实例，或者提供云数据库服务的情况下，我们需要根据用户及实际业务的需要，不断地去动态增加或减少Buffer Pool size，从而合理地利用内存及优化数据库。

让人庆幸的是，MySQL官方也发现了这种不便。在MySQL 5.7.5之后，MySQL在源码上改变了对Buffer Pool的管理，可以在MySQL进程运行的情况下，动态地配置innodb_buffer_pool_size。另外，需要强调的是，如果Buffer Pool的大小超过了1GB，应该通过调整 innodb_buffer_pool_instances=N，把它分成若干个instance的做法，来提升MySQL处理请求的并发能力，因为Buffer Pool是通过链表的方式来管理页面的，同时为了保护页面，需要在存取的时候对链表加锁，在多线程的情况下，并发去读写Buffer Pool里面缓存的页面需要锁的竞争和等待。所以，修改为多个instance，每个instance各自管理自己的内存和链表，可以提升效率。

Buffer Pool实现原理

在启动MySQL服务时，会将所有的内嵌存储引擎启动，包括InnoDB。InnoDB会通过函数buf_pool_init初始化所有的子系统，其中就包括了InnoDB Buffer Pool子系统。Buffer Pool可以有多个实例，可以通过配置文件中的参数innodb_buffer_pool_instances来设置，默认值为1，实现多实例的Buffer

Pool主要是为了提高数据页访问时的并发度。每个实例的空间大小都是相同的，也就是说系统会将整个配置的Buffer Pool大小按实例个数平分，然后每个实例各自进行初始化操作。

在代码中，一个Buffer Pool实例用buf_pool_t结构体来描述，这个结构体是用来管理Buffer Pool实例的一个核心工具，它包括了很多信息，主要有如下几个部分。

1. FREE链表，用来存储这个实例中所有空闲的页面。

2. flush_list链表，用来存储所有被修改过且需要刷到文件中的页面。

3. mutex，主要用来保护这个Buffer Pool实例，因为一个实例只能由一个线程访问。

4. chunks，指向这个Buffer  Pool实例中第一个真正内存页面的首地址，页面都是连续存储，所以通过这个指针就可以直接访问所有的其他页面。

上面的两个链表，管理的对象是结构体buf_page_t，这是一个物理页面在内存中的管理结构，是一个页面状态信息的结合体，其中包括所属表空间、Page
ID、最新及最早被修改的LSN值（最早LSN信息会在做检查点时使用，后面将会讲到），以及形成Page链表的指针等逻辑信息。实际上，这个结构是被另一个结构管理的，它是buf_block_t，buf_block_t与buf_page_t是一一对应的，都对应BufferPool中的一个Page，只是buf_page_t是逻辑的，而buf_block_t包含一部分物理的概念，比如这个页面的首地址指针frame等。关于buf_block_t，后面还会继续介绍。

初始化一个Buffer Pool实例内存空间的函数是buf_chunk_init。一个Buffer
Pool实例的内存分布是一块连续的内存空间，这块内存空间中存储了两部分内容，前面是这些数据缓存页面的控制头结构信息（buf_block_t结构），每一个控制头信息管理一个物理页面，这些控制头信息的存储，占用了部分Buffer
Pool空间，所以在运维过程中，看到状态参数innodb_buffer_pool_bytes_data总是比innoDB_buffer_pool_size小，就是因为控制头信息占用了部分空间。实际的分配方式是，Buffer Pool页面从整个实例池中从后向前分配，每次分配一个页面，而控制结构是从前向后分配，每次分配一个buf_block_t结构的大小，直到相遇为止，这样就将一个实例初始化好了。但一般情况下，中间都会剩余一部分没有被使用，因为剩余的空间不能再放得下一个控制结构与一个页面了。相应的分配代码如下。

其中，`chunk->size`是在前面提前根据Buffer Pool实例内存大小计算出来的，可以存储的最多的Page及Page对应控制结构的个数。

限于篇幅，本文第一部分结束。

文章来自微信公众号：DBAce

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