MySQL InnoDB缓存

1. 背景

对于各种用户数据、索引数据等各种数据都是需要持久化存储到磁盘，然后以“页”为单位进行读写。

相对于直接读写缓存，磁盘IO的成本相当高昂。

对于读取的页面数据，并不是使用完就释放掉，而是放到缓冲区，因为下一次操作有可能还需要读区该页面。

对于修改过的页面数据，也不是马上同步到磁盘，也是放到缓冲区，因为下一次有可能还会修改该页面的数据。

但是缓存的空间是有大小限制的，不可能无限扩充。

对于缓冲区的数据，需要有合理的页面淘汰算法，将未来使用概率较小的页面释放或者同步到磁盘，

给当下需要存放到缓存的页面腾出位置。

2. 存储器性能差异

寄存器：CPU暂存指令、数据的小型存储区域，速度快，容量小。

CPU高速缓存(CPU Cache)：用于减少CPU访问内存所需平均时间的部件。

内存：用于暂时存放CPU中的运算数据，以及与硬盘等外部存储器交换的数据。

硬盘：分为固态硬盘(SSD)和机械硬盘(HHD)，是非易失性存储器。

下图是各种缓存器的价格和性能差距，

从下图可以看出，SSD的随机访问延时在微妙级别，而内存的的随机访问延时在纳秒级别，内存比SSD大概快1000倍左右。

图片来自小林Coding

3. Buffer Pool

一个缓冲池(缓冲池)是向操作系统申请的一块内存空间，这块内存空间由多个chunk组成，每个chunk均包含多个控制块和对应的缓冲页。

chunk是向操作系统申请内存的最小单位，缓冲页大小与InnoDB表空间使用的页面大小一致。

Buffer Pool的示意图如下

每一个控制块都对应一个缓冲页，控制块包含该缓冲页所属的表空间编号、页号、在Buffer Pool中的地址、链表结点信息等等。

当刚读取一个页面时，需要知道缓冲区有哪些空闲页面，当修改过后缓冲页后，需要记录该缓冲页需要持久化到磁盘，

当缓冲区没有空闲页面了，需要有页面淘汰算法来将缓冲页移出缓冲区，

以上涉及到Free链表、Flush链表、LRU链表，下面注意说明。

4. Free链表

Free链表是由空闲的缓冲页对应的控制块组成的链表，通过Free链表就获取到空闲的缓冲页及其在缓冲区中的地址。

每当需要从磁盘加载一个页面到缓冲区时，从该Free链表取出一个控制块结点，从Free链表移除该结点，并加入LRU链表。

如果这个缓冲区页面被修改过，那么会被加入到Flush链表中。

5. Flush链表

如果一修改缓冲页的数据之后就刷新到磁盘，这种频繁的IO操作势必影响程序等整体性能。

试想一下，先后修改1000次同一缓冲区页面的一字节数据，每次修改都刷新到磁盘，与修改1000次后再将最终结果刷新磁盘，节省了999次刷新磁盘的操作。

因此，当页面的数据被修改之后，需要将改页面放到Flush链表，排队等候写入磁盘。

这既可以减少在用户进程中刷新磁盘的次数，也从整体上减少了磁盘IO到次数。

6. LRU链表

内存空间有限，不可能将所有数据都缓存在内存当中，因此需要有一定的算法将内存中页面淘汰掉(修改过的页面持久化到磁盘)。

LRU(Least Recently Used)链表主要用于辅助实现内存页面淘汰，故名思义，最先淘汰的是最近最少使用的缓冲页。

LRU链表的结果如下图所示

将LRU链表分为young区域和old区域。

对于初次加载到缓冲区的页面，会放到LRU链表old区域的头部，这主要避免了预读的页面被放到了LRU链表的首部。

当第二次访问缓冲页且时间间隔超过innodb_old_blocks_time(默认1s)时，才将该页面移动到LRU链表的首部。

进一步，为了避免频繁的移动链表结点，当某个缓冲页已经在young区域的前3/4时，则不会移动该结点到首部。

7. 其它

如何定位页面是否被缓冲呢？

表空间号和页号可以唯一识别缓冲页，因此InnoDB引擎建立了以表空间号+页号为key，以缓冲页控制块地址为value的哈希表，

从而快速判断页面是否被缓冲，快速定位到数据所在地址。