Mysql缓存-全表扫描过程、LRU算法

在日常开发中,常因为分页查询的使用,或者SQL的语法问题导致的全表扫描,这带来的问题可能会有系统的OOM,频繁的GC,以及慢SQL,数据返回慢等问题。那么我们如果光从内存这个角度看这个全表扫描的问题,他是怎么样进行查询返回结果的呢?

假设我的主机内存就几个G,但是全表的数据可能是它的几倍,那么机器的内存会直接用光吗?

结合日常的开发工作,对大表做全表扫描,看来应该是没问题的(只看数据而言)。但是,这个流程到底是怎么样的呢?

一个查询语句的状态变化

MySQL查询语句进入执行阶段后,首先把状态设置成“Sending data”;
然后,发送执行结果的列相关的信息(meta data) 给客户端;
再继续执行语句的流程;
执行完成后,把状态设置成空字符串。
仅当一个线程处于“等待客户端接收结果”的状态,才会显示"Sending to client";而如果显示成“Sending data”,它的意思只是“正在执行”。

net_buffer_length

这部分用来存放客户端连接线程的连接信息和返回客户端的结果集。当 MySQL 开始产生可以返回的结果集,会在通过网络返回给客户端请求线程之前,会先暂存在通过 net_buffer_length 所设置的缓冲区中,等满足一定大小的时候才开始向客户端发送,以提高网络传输效率。不过,net_buffer_length 参数所设置的仅仅只是该缓存区的初始化大小,MySQL 会根据实际需要自行申请更多的内存以满足需求,但最大不会超过 max_allowed_packet(可以在config修改) 参数大小。

“结果集”存在哪里呢?

InnoDB的数据是保存在主键索引上的,所以全表扫描实际上是直接扫描表t的主键索引。
这条查询语句由于没有其他的判断条件,所以查到的每一行都可以直接放到结果集里面,然后返回给客户端。

实际上,服务端并不需要保存一个完整的结果集。取数据和发数据的流程是这样的:
1.获取一行,写到net_buffer中。这块内存的大小是由参数net_buffer_length定义的,默认是16k(数据库的读取是按页的)。
2.重复获取行,直到net_buffer写满,调用网络接口发出去。
3.如果发送成功,就清空net_buffer,然后继续取下一行,并写入net_buffer。
4.如果发送函数返回EAGAIN或WSAEWOULDBLOCK,就表示本地网络栈(socket send buffer)写满了,进入等待。直到网络栈重新可写,再继续发送。
5.客户端去读 socket receive buffer 的内容,不堵塞的话,socket send buffer 就会继续把数据发送给 socket receive buffer (服务端的网络栈) 。

这个流程中,你可以看到:
1.一个查询在发送过程中,占用的MySQL内部的内存最大就是net_buffer_length这么大,并不会达到全表数据的大小;
2socket send buffer 也不可能达到最大值(默认定义/proc/sys/net/core/wmem_default),如果socket send buffer被写满,就会暂停读数据的流程。

MySQL是“边读边发的”,意味着,如果客户端接收得慢,会导致MySQL服务端由于结果发不出去,这个事务的执行时间变长。

故意让客户端不去读socket receive buffer中的内容,然后在服务端show processlist看到的结果。
Mysql缓存-全表扫描过程、LRU算法_第1张图片
如果看到State的值一直处于“Sending to client”,就表示服务器端的网络栈写满了。

全表扫描对InnoDB的影响

内存的数据页是在Buffer Pool 中管理的,在WAL里Buffer Pool 起到了加速更新的作用。而实际上,Buffer Pool 还有一个更重要的作用,就是加速查询。
由于有WAL机制,当事务提交的时候,磁盘上的数据页是旧的,那如果这时候马上有一个查询要来读这个数据页,是不是要马上把redo log应用到数据页呢?
答案是不需要。因为这时候内存数据页的结果是最新的,直接读内存页就可以了。这时候查询根本不需要读磁盘,直接从内存拿结果,速度是很快的。
而Buffer Pool对查询的加速效果,依赖于一个重要的指标,即:内存命中率
InnoDB Buffer Pool的大小是由参数 innodb_buffer_pool_size确定的,一般建议设置成可用物理内存的60%~80%。
innodb_buffer_pool_size小于磁盘的数据量是很常见的。如果一个 Buffer Pool满了,而又要从磁盘读入一个数据页,那肯定是要淘汰一个旧数据页的。

InnoDB改进的LRU算法

InnoDB内存管理用的是最近最少使用 (Least Recently Used, LRU)算法,这个算法的核心就是淘汰最久未使用的数据。

InnoDB管理Buffer Pool的LRU算法,是用链表来实现的。

正常的LRU算法(假设内存里只能放下这么多数据页):

1.链表头部是最近刚刚被访问过的数据页P1
2.这时候有一个读请求访问P2,P2被移到最前面;
3.如果这次访问的数据页是不存在于链表中的,所以需要在Buffer Pool中新申请一个数据页Px,加到链表头部。但是由于内存已经满了,不能申请新的内存。于是,会清空链表末尾Pm这个数据页的内存,存入Px的内容,然后放到链表头部。
4.从效果上看,就是最久没有被访问的数据页Pm,被淘汰了。

如果要做一个全表扫描,按正常的LRU算法会不会有问题呢?

按照这个算法扫描的话,就会把当前的Buffer Pool里的数据全部淘汰掉,存入扫描过程中访问到的数据页的内容。也就是说Buffer Pool里面主要放的是这个表的缓存数据。
对于一个正在做业务服务的库,Buffer Pool的内存命中率急剧下降,磁盘压力增加,SQL语句响应变慢。

改进后的LRU算法:
Mysql缓存-全表扫描过程、LRU算法_第2张图片
在InnoDB实现上,按照5:3的比例把整个LRU链表分成了young区域和old区域。图中LRU_old指向的就是old区域的第一个位置,是整个链表的5/8处。也就是说,靠近链表头部的5/8是young区域,靠近链表尾部的3/8是old区域。
新流程:
1.要访问数据页P3,由于P3在young区域,因此和优化前的LRU算法一样,将其移到链表头部,变成状态2。
2.之后要访问一个新的不存在于当前链表的数据页,这时候依然是淘汰掉数据页Pm,但是新插入的数据页Px,是放在LRU_old处。
3.处于old区域的数据页,每次被访问的时候都要做下面这个判断:
若这个数据页在LRU链表中存在的时间超过了1秒,就把它移动到链表头部;
如果这个数据页在LRU链表中存在的时间短于1秒,位置保持不变。1秒这个时间,是由参数innodb_old_blocks_time控制的。其默认值是1000,单位毫秒。

如果要做一个全表扫描,按改进的LRU算法会怎样?

改进后的LRU算法的操作逻辑:
1.扫描过程中,需要新插入的数据页,都被放到old区域;
2.一个数据页里面有多条记录,这个数据页会被多次访问到,但由于是顺序扫描,这个数据页第一次被访问和最后一次被访问的时间间隔不会超过1秒,因此还是会被保留在old区域;
3.再继续扫描后续的数据,之前的这个数据页之后也不会再被访问到,于是始终没有机会移到链表头部(也就是young区域),很快就会被淘汰出去。

这个策略最大的收益,就是在扫描这个大表的过程中,虽然也用到了Buffer Pool,但是对young区域完全没有影响,从而保证了Buffer Pool响应正常业务的查询命中率。

[资料来源]
1.Mysql实战45讲-丁奇

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