MySQL读写IO的操作过程解析

数据库作为存储系统，所有业务访问数据的操作都会转化为底层数据库系统的IO行为（缓存系统也可以当做是key-value的数据库）,本文主要介绍访问MySQL数据库的IO流程以及IO相关的参数。

一、MySQL的文件

首先简单介绍一下MySQL的数据文件，MySQL 数据库包含如下几种文件类型：

1）数据文件 (datafile)

存放表中的具体数据的文件。

2）数据字典

记录数据库中所有innodb表的信息。

3）重做日志 (redolog)

记录数据库变更记录的文件，用于系统异常crash(掉电)后的恢复操作，可以配置多个(配置这个参数innodb_log_files_in_group)比如 ib_logfile0、 ib_logfile1。

4）回滚日志 (undolog)

也存在于mysql 的ibdata文件，用户记录事务的回滚操作。注在mysql5.6以上版本可以拆开出来，单独文件夹存在。

5）归档日志 (binlog)

事务提交之后，记录到归档日志中。

6）中继日志 (relaylog)

从master获取到slave的中转日志文件，sql_thread则会应用relay log并重放于从机器。

7）其他日志slowlolg, errorlog, querylog

这里慢日志也经常用。可以结合pt-query-digest工具和anemometer一起展示出来。

对于以上文件的IO访问顺序可以分为顺序访问 比如binlog ，redolog ，relay log是顺序读写，datafile，ibdata file是随机读写，这些IO访问的特点决定了在os 配置磁盘信息时候，如何考虑分区 ，比如顺序写可以的log可以放到SAS盘 ，随机读写的数据文件可以放到ssd或者fio高性能的存储。

二、数据访问流程

数据库访问分为两种类型， 一种是读操作，另外一种是写操作。

• 读操作

 

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create table t ( id int not null primary key , k1 int not null, data varchar(50), key ind_k1(k1) ) engine=innodb default charset=utf8;

以select * from tab where k1=1 ;为例。

读操作的IO流程

1、查看缓存中是否存在id，

2、如果有则从内存中访问，否则要访问磁盘，

3、并将索引数据存入内存，利用索引来访问数据,

4、对于数据也会检查数据是否存在于内存，

5、如果没有则访问磁盘获取数据，读入内存。

6、返回结果给用户。

• 写操作

为了保证数据写入操作的安全性，数据库系统设置了 undo，redo 保护机制，避免因为os或者数据库系统异常导致的数据丢失或者不一致的异常情况发生。

以insert into t values(1,1，’shuiyi’);为例。

写操作的IO流程

我们假定数据在内存中，不考虑从磁盘中获取数据的情形，大致的写操作步骤：

1、先写undo log。

2、在内存更新数据，这步操作就在内存中形成了脏页，如果脏页过多，checkpoint机制进行刷新，innodb_max_dirty_pages_pct决定了刷新脏页比例。innodb_io_capacity参数可以动态调整刷新脏页的数量，innodb_lru_scan_depth这个参数决定了刷新每个innodb_buffer_pool的脏页数量。

3、记录变更到redo log，prepare这里会写事务id。innodb_flush_log_at_trx_commit决定了事务的刷盘方式。为0时，log buffer将每秒一次地写入log file中，并且log file的flush(刷到磁盘)操作同时进行。该模式下，在事务提交的时候，不会主动触发写入磁盘的操作。为1，每次事务提交时MySQL都会把log buffer的数据写入log file，并且flush(刷到磁盘)中去.为2，每次事务提交时MySQL都会把log buffer的数据写入log file.但是flush(刷到磁盘)操作并不会同时进行。该模式下，MySQL会每秒执行一次 flush(刷到磁盘)操作。

4、写入binlog这里会写入一个事务id这里有个sync_binlog参数决定多个事务进行一次性提交。

5、redo log第二阶段，这里会进行判断前2步是否成功，成功则默认commit，否则rollback。刷入磁盘操作。这里是先从脏页数据刷入到内存2M大小的doublewrite buffer，然后是一次性从内存的doublewrite buffer刷新到共享表空间的doublewrite buffer，这里产生了一次IO。然后从内存的内存的doublewrite buffer刷新2m数据到磁盘的ibd文件中，这里需要发生128次io。然后校验，如果不一致，就由共享表空间的副本进行修复。这里有个参数innodb_flush_method决定了数据刷新直接刷新到磁盘，绕过os cache。

6、返回给client。

如果有slave，第4步之后经过slave服务线程io_thread写到从库的relay log ，再由sql thread应用relay log到从库中。

关于性能？

写undo redo log ，binlog的过程中都是顺序写，都会很快的完成，随机写操作，inset_buffer功能。

对于非聚集类索引的插入和更新操作(5.5 版本及以上支持Update/Delete/Purge等操作的buffer功能)，不是每一次都直接插入到索引页中，而是先插入到内存中。具体做法是：如果该索引页在缓冲池中，直接插入；否则，先将其放入插入缓冲区中，再以一定的频率和索引页合并，就可以将同一个索引页中的多个插入合并到一个IO操作中，改随机写为顺序写，大大提高写性能。

关于数据安全，这是数据库写入的重点？

1，2，3过程失败就是事务失败，因为此时还未写入磁盘，对磁盘中的数据无影响，返回事务失败给client，从库也不会受到影响。 4，5过程失败的时候或者已经将写成功返回给客户，可以根据redo log的记录来进行恢复，如果出现部分写失效请参考《double write》。

MySQL的写redo log的第一个阶段会把所有需要做的操作做完，记录数据变更，第二阶段的工作比较简单 ，只做事务提交确认。如果写入binlog成功，而第二阶段失败，MySQL启动时也会将事务进行重做，最终更新到磁盘中。MySQL 5.5+的smei sync可以更好的保障主从的事务一致性。

三、文件访问方式

IO 访问的方式分为两种顺序读写和随机读写， 在MySQL的io过程中可以以此来将数据库文件分类

顺序读写：重做日志ib_logfile*，binlog file。

随机读写：innodb表数据文件，ibdata文件。

根据系统的访问类型，对硬件做如下分类：读多（SSD+RAID）、写多FIO(flashcache)、容量密集（fio + flashcache）。

由于随机io会严重降低系统的性能，在当前的硬件水平下，可以考虑选择奖数据库服务器配置ssd/fusionio。

四、影响IO的参数和策略

影响mysql io的参数有很多个，这里罗列几个重要的参数。

innodb_buffer_pool_size

该参数控制innodb缓存大小，用于缓存应用访问的数据，推荐配置为系统可用内存的80%。

binlog_cache_size

该参数控制二进制日志缓冲大小，当事务还没有提交时，事务日志存放于cache，当遇到大事务cache不够用的时，mysql会把uncommitted的部分写入临时文件,等到committed的时候才会写入正式的持久化日志文件。

innodb_max_dirty_pages_pct

该参数可以直接控制Dirty Page在BP中所占的比率，当dirty page达到了该参数的阈值，就会触发MySQL系统刷新数据到磁盘。

innodb_flush_log_at_trx_commit

该参数确定日志文件何时write、flush。

为0，log buffer将每秒一次地写入log file中，并且log file的flush(刷到磁盘)操作同时进行.该模式下，在事务提交的时候，不会主动触发写入磁盘的操作。

为1，每次事务提交时MySQL都会把log buffer的数据写入log file，并且flush(刷到磁盘)中去.

为2，每次事务提交时MySQL都会把log buffer的数据写入log file.但是flush(刷到磁盘)操作并不会同时进行。该模式下,MySQL会每秒执行一次 flush(刷到磁盘)操作。

注意：由于进程调度策略问题，这个“每秒执行一次flush(刷到磁盘)操作”并不是保证100%的“每秒”。

sync_binlog

sync_binlog的默认值是0，像操作系统刷其他文件的机制一样，MySQL不会同步到磁盘中去而是依赖操作系统来刷新binary log。

当sync_binlog =N (N>0) ，MySQL 在每写 N次 二进制日志binary log时，会使用fdatasync()函数将它的写二进制日志binary log同步到磁盘中去。

innodb_flush_method

该参数控制日志或数据文件如何write、flush。可选的值为fsync，o_dsync，o_direct，littlesync，nosync。

数据库的I/O是一个很复杂和细致的知识层面，涉及数据库层和OS层面的IO写入策略，也和硬件的配置有关，更详细看MySQL InnoDB磁盘I/O优化。