第31节：Innodb Buffer Pool的三种Page和链表

（本文由王航威编写）

一、Innodb Buffer Pool 简介

Buffer Pool 是Innodb 内存中的的一块占比较大的区域，用来缓存表和索引数据。众所周知，从内存访问会比从磁盘访问快很多。为了提高数据的读取速度，Buffer Pool 会通过三种Page 和链表来管理这些经常访问的数据，保证热数据不被置换出Buffer Pool。

本文只针对三种Page和链表展开讲解。

二、三种Page

Buffer Pool 是按照Page大小来分配，受innodb_page_size控制。

1. Free Page（空闲页）

此Page 未被使用，位于 Free 链表

2. Clean Page（干净页）

此Page 已被使用，但是页面未发生修改，位于LRU 链表。

3. Dirty Page（脏页）

此Page 已被使用，页面已经被修改，其数据和磁盘上的数据已经不一致。当脏页上的数据写入磁盘后，内存数据和磁盘数据一致，那么该Page 就变成了干净页。
脏页 同时存在于LRU 链表和Flush 链表。

Bufferpool结构.jpg

三、三种链表

1. LRU 链表

innodb-buffer-pool-LRU.png

如上图所示，是Buffer Pool里面的LRU(least recently used)链表。LRU链表是被一种叫做最近最少使用的算法管理。

LRU链表被分成两部分，一部分是New Sublist(Young 链表)，用来存放经常被读取的页的地址，另外一部分是Old Sublist(Old 链表)，用来存放较少被使用的页面。每部分都有对应的头部 和尾部。

默认情况下

1. Old 链表占整个LRU 链表的比例是3/8。该比例由innodb_old_blocks_pct控制，默认值是37（3/8*100）。该值取值范围为5~95，为全局动态变量。
2. 当新的页被读取到Buffer Pool里面的时候，和传统的LRU算法插入到LRU链表头部不同，Innodb LRU算法是将新的页面插入到Yong 链表的尾部和Old 链表的头部中间的位置，这个位置叫做Mid Point，如上图所示。
3. 频繁访问一个Buffer Pool的页面，会促使页面往Young链表的头部移动。如果一个Page在被读到Buffer Pool后很快就被访问，那么该Page会往Young List的头部移动，但是如果一个页面是通过预读的方式读到Buffer Pool，且之后短时间内没有被访问，那么很可能在下次访问之前就被移动到Old List的尾部，而被驱逐了。
4. 随着数据库的持续运行，新的页面被不断的插入到LRU链表的Mid Point，Old 链表里的页面会逐渐的被移动Old链表的尾部。同时，当经常被访问的页面移动到LRU链表头部的时候，那些没有被访问的页面会逐渐的被移动到链表的尾部。最终，位于Old 链表尾部的页面将被驱逐。

如果一个数据页已经处于Young 链表，当它再次被访问的时候，只有当其处于Young 链表长度的1/4(大约值)之后，才会被移动到Young 链表的头部。这样做的目的是减少对LRU 链表的修改，因为LRU 链表的目标是保证经常被访问的数据页不会被驱逐出去。

innodb_old_blocks_time 控制的Old 链表头部页面的转移策略。该Page需要在Old 链表停留超过innodb_old_blocks_time 时间，之后再次被访问，才会移动到Young 链表。这么操作是避免Young 链表被那些只在innodb_old_blocks_time时间间隔内频繁访问，之后就不被访问的页面塞满，从而有效的保护Young 链表。

在全表扫描或者全索引扫描的时候，Innodb会将大量的页面写入LRU 链表的Mid Point位置，并且只在短时间内访问几次之后就不再访问了。设置innodb_old_blocks_time的时间窗口可以有效的保护Young List，保证了真正的频繁访问的页面不被驱逐。

innodb_old_blocks_time 单位是毫秒，默认值是1000。调大该值提高了从Old链表移动到Young链表的难度，会促使更多页面被移动到Old 链表，老化，从而被驱逐。

当扫描的表很大，Buffer Pool都放不下时，可以将innodb_old_blocks_pct设置为较小的值，这样只读取一次的数据页就不会占据大部分的Buffer Pool。 例如，设置innodb_old_blocks_pct = 5，会将仅读取一次的数据页在Buffer Pool的占用限制为5％。

当经常扫描一些小表时，这些页面在Buffer Pool移动的开销较小，我们可以适当的调大innodb_old_blocks_pct，例如设置innodb_old_blocks_pct = 50。

在SHOW ENGINE INNODB STATUS 里面提供了Buffer Pool一些监控指标，有几个我们需要关注一下：

1. youngs/s： 该指标表示的是每秒访问Old 链表中页面，使其移动到Young链表的次数。如果MySQL实例都是一些小事务，没有大表全扫描，且该指标很小，就需要调大innodb_old_blocks_pct 或者减小innodb_old_blocks_time，这样会使得Old List 的长度更长，Old页面被移动到Old List 的尾部消耗的时间会更久，那么就提升了下一次访问到Old List里面的页面的可能性。如果该指标很大，可以调小innodb_old_blocks_pct，同时调大innodb_old_blocks_time，保护热数据。
2. non-youngs/s：该指标表示的是每秒访问Old 链表中页面，没有移动到Young链表的次数，因为其不符合innodb_old_blocks_time。如果该指标很大，一般情况下是MySQL存在大量的全表扫描。如果MySQL存在大量全表扫描，且这个指标又不大的时候，需要调大innodb_old_blocks_time，因为这个指标不大意味着全表扫描的页面被移动到Young 链表了，调大innodb_old_blocks_time时间会使得这些短时间频繁访问的页面保留在Old 链表里面。

每隔1秒钟，Page Cleaner线程执行LRU List Flush的操作，来释放足够的Free Page。innodb_lru_scan_depth 变量控制每个Buffer Pool实例每次扫描LRU List的长度，来寻找对应的脏页，执行Flush操作。

2. Flush 链表

1. Flush 链表里面保存的都是脏页，也会存在于LRU 链表。
2. Flush 链表是按照oldest_modification排序，值大的在头部，值小的在尾部
3. 当有页面访被修改的时候，使用mini-transaction，对应的page进入Flush 链表
4. 如果当前页面已经是脏页，就不需要再次加入Flush list，否则是第一次修改，需要加入Flush 链表
5. 当Page Cleaner线程执行flush操作的时候，从尾部开始scan，将一定的脏页写入磁盘，推进检查点，减少recover的时间

3. Free 链表

1. Free 链表 存放的是空闲页面，初始化的时候申请一定数量的页面
2. 在执行SQL的过程中，每次成功load 页面到内存后，会判断Free 链表的页面是否够用。如果不够用的话，就flush LRU 链表和Flush 链表来释放空闲页。如果够用，就从Free 链表里面删除对应的页面，在LRU 链表增加页面，保持总数不变。

四. LRU 链表和Flush链表的区别

1. LRU 链表 flush，由用户线程触发(MySQL 5.6.2之前)；而Flush 链表 flush由MySQL数据库InnoDB存储引擎后台srv_master线程处理。(在MySQL 5.6.2之后，都被迁移到Page Cleaner线程中)。
2. LRU 链表 flush，其目的是为了写出LRU 链表尾部的脏页，释放足够的空闲页，当Buffer Pool满的时候，用户可以立即获得空闲页面，而不需要长时间等待；Flush 链表 flush，其目的是推进Checkpoint LSN，使得InnoDB系统崩溃之后能够快速的恢复。
3. LRU 链表 flush，其写出的脏页，需要从LRU链表中删除，移动到Free 链表。Flush List flush，不需要移动page在LRU链表中的位置。
4. LRU 链表 flush，每次flush的脏页数量较少，基本固定，只要释放一定的空闲页即可；Flush 链表 flush，根据当前系统的更新繁忙程度，动态调整一次flush的脏页数量，量很大。
5. 在Flush 链表上的页面一定在LRU 链表上，反之则不成立。

五. 触发刷脏页的条件

1. REDO日志快用满的时候。由于MySQL更新是先写REDO日志，后面再将数据Flush到磁盘，如果REDO日志对应脏数据还没有刷新到磁盘就被覆盖的话，万一发生Crash，数据就无法恢复了。此时会从Flush 链表里面选取脏页，进行Flush。
2. 为了保证MySQL中的空闲页面的数量，Page Cleaner线程会从LRU 链表尾部淘汰一部分页面作为空闲页。如果对应的页面是脏页的话，就需要先将页面Flush到磁盘。
3. MySQL中脏页太多的时候。innodb_max_dirty_pages_pct 表示的是Buffer Pool最大的脏页比例，默认值是75%，当脏页比例大于这个值时会强制进行刷脏页，保证系统有足够可用的Free Page。 innodb_max_dirty_pages_pct_lwm参数控制的是脏页比例的低水位，当达到该参数设定的时候，会进行preflush，避免比例达到innodb_max_dirty_pages_pct 来强制Flush，对MySQL实例产生影响。
4. MySQL实例正常关闭的时候，也会触发MySQL把内存里面的脏页全部刷新到磁盘。

Innodb 的策略是在运行过程中尽可能的多占用内存，因此未被使用的页面会很少。当我们读取的数据不在Buffer Pool里面时，就需要申请一个空闲页来存放。如果没有足够的空闲页时，就必须从LRU 链表的尾部淘汰页面。如果该页面是干净的，可以直接拿来用，如果是脏页，就需要进行刷脏操作，将内存数据Flush到磁盘。

所以，如果出现以下情况，是很容易影响MySQL实例的性能：

1. 一个SQL查询的数据页需要淘汰的页面过多
2. 实例是个写多型的MySQL，checkpoint跟不上日志产生量，会导致更新全部堵塞，TPS跌0。

innodb_io_capacity 参数定义了Innodb 后台任务的IO能力，例如刷脏操作还有Change Buffer的merge操作等。

六、 总结

Innodb 的三种Page和链表的设计，保证了我们需要的热数据常驻在内存，及时淘汰不需要的数据，提升了我们的查询速度，同时不同的刷脏策略也提高了我们的恢复速度，保证了数据安全。

参考文章：

http://www.zhdba.com/mysqlops/2012/06/11/mysql-innodb-buffer-pool-flush-list/

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-buffer-pool.html

https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/innodb-buffer-pool-flushing.html

http://hedengcheng.com/?p=88

https://www.xaprb.com/blog/2011/01/29/how-innodb-performs-a-checkpoint/