Mysql 中數(shù)據(jù)是要落盤的，這點(diǎn)大家都知道。讀寫磁盤速度是很慢的，尤其和內(nèi)存比起來(lái)更是沒的說(shuō)。但是，我們平時(shí)在執(zhí)行 SQL 時(shí)，無(wú)論寫操作還是讀操作都能很快得到結(jié)果，并沒有預(yù)想中的那么慢。

可能你會(huì)說(shuō)我有索引啊，有索引當(dāng)然快了。但是鐵子，索引文件也是存儲(chǔ)在磁盤上的，查找過(guò)程會(huì)產(chǎn)生磁盤 I/O。如果同時(shí)對(duì)某行數(shù)據(jù)進(jìn)行多次操作，那豈不是要重復(fù)產(chǎn)生很多次磁盤 IO 嗎？

可能你想到了，那我把數(shù)據(jù)存在內(nèi)存里不就可以了嗎？?jī)?nèi)存速度比磁盤快，這準(zhǔn)沒毛病。沒錯(cuò)，那該怎么存呢? 這就是我們今天所要講的主題——緩沖池（buffer pool）。

各位看官，請(qǐng)跟我來(lái)~

- 思維導(dǎo)圖 -

初識(shí)緩沖池

上邊我們提到過(guò)了，執(zhí)行 SQL 對(duì)某一行進(jìn)行操作時(shí)，總不能每次都直接進(jìn)行磁盤操作吧。好歹有個(gè)緩沖地帶，不然每次都深入老巢這誰(shuí)受得了。

這不緩沖池就應(yīng)運(yùn)而生了，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是一塊內(nèi)存區(qū)域。它存在的原因之一是為了避免每次都去訪問磁盤，把最常訪問的數(shù)據(jù)放在緩存里，提高數(shù)據(jù)的訪問速度。

了解了它的作用，接下來(lái)讓我們先來(lái)看下緩沖池在整個(gè) Mysql 架構(gòu)里處于什么樣的地方，有一個(gè)宏觀的認(rèn)識(shí)。

我們?cè)賮?lái)看看它的內(nèi)部組成部分。在緩沖池中，除數(shù)據(jù)頁(yè)和索引頁(yè)外還有多種類型：

 緩沖池的應(yīng)用

緩沖池你也了解了，可能此時(shí)你最關(guān)注的是它在 SQL 執(zhí)行時(shí)起了一個(gè)什么樣的作用。上篇文章中我們簡(jiǎn)單的提到過(guò)一條 SQL 語(yǔ)句的執(zhí)行過(guò)程，但并未涉及到緩沖池相關(guān)的問題。這期我們?nèi)允且砸粭l SQL 來(lái)作為切入點(diǎn)。

當(dāng)一條 SQL 執(zhí)行的時(shí)候，如果是讀操作，要查找的數(shù)據(jù)所在的數(shù)據(jù)頁(yè)在內(nèi)存中時(shí)，則將結(jié)果返回。否則會(huì)把對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)加載到內(nèi)存中，然后再返回結(jié)果。

同樣對(duì)于寫操作來(lái)說(shuō)。如果要修改的行所在的數(shù)據(jù)頁(yè)在內(nèi)存中，則修改后返回對(duì)應(yīng)的結(jié)果（當(dāng)然還有后續(xù)操作）。如果不在的話，則會(huì)從磁盤里將該行所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)讀到內(nèi)存中再進(jìn)行修改。

好了，現(xiàn)在讓我們回到開始時(shí)候的問題。為什么操作磁盤慢，但是 SQL 執(zhí)行卻不慢呢。到這里相信你也差不多知道了吧。

緩沖池的存在，很大程度減少了磁盤 I/O 帶來(lái)的開銷。要操作的數(shù)據(jù)行所在的數(shù)據(jù)頁(yè)如果存在于緩存中的話，就不需要從磁盤中進(jìn)行讀取。這樣在執(zhí)行后就可以很快拿到結(jié)果。

 緩沖池的預(yù)讀機(jī)制

我們可以看出來(lái)，只要不存在或減少磁盤 I/O，執(zhí)行速度自然就會(huì)變快。那么對(duì)于加載數(shù)據(jù)頁(yè)這種無(wú)法避免的磁盤 I/O 來(lái)說(shuō)是否有更好的方式呢？既然避免不了，那減少磁盤 I/O 的次數(shù)總可以吧？

這就是我們要講的 Mysql 中「預(yù)讀」的新特性，它是 Innodb 通過(guò)在緩沖池中提前讀取多個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)來(lái)優(yōu)化 I/O 的一種方式。因?yàn)榇疟P讀寫的時(shí)候，是按照頁(yè)的方式來(lái)讀取的（你可以理解為固定大小的數(shù)據(jù)，例如一頁(yè)數(shù)據(jù)為 16K），每次至少讀入一頁(yè)的數(shù)據(jù)，如果下次讀取的數(shù)據(jù)就在頁(yè)中，就不用再去磁盤上讀取了，從而減少了磁盤 I/O。

可以在命令行通過(guò)如下命令查看對(duì)應(yīng)的頁(yè)大小：

 緩沖池的空間管理

你可能會(huì)有疑問，緩沖池這么洋氣的東西，為什么不把所有的數(shù)據(jù)都放到緩沖池里呢？這樣速度豈不是美滋滋，放到磁盤里慢的跟老牛拉車一樣。

哎，哥，醒醒，拋開內(nèi)存的易失性不談，緩沖池也是有大小限制的。那你可能又有疑惑了，既然緩沖池有大小限制，那我每次都讀入的數(shù)據(jù)頁(yè)怎么來(lái)管理呢。別的數(shù)據(jù)頁(yè)都占了地兒了，哪有我的位置？

這里我們來(lái)聊聊緩沖池的空間管理，其實(shí)對(duì)緩沖池進(jìn)行管理的關(guān)鍵部分是如何安排進(jìn)池的數(shù)據(jù)并且按照一定的策略淘汰池中的數(shù)據(jù)，保證池中的數(shù)據(jù)不“溢出”，同時(shí)還能保證常用數(shù)據(jù)留在池子中。

傳統(tǒng) LRU 淘汰法

緩沖池是基于傳統(tǒng)的 LRU 方法來(lái)進(jìn)行緩存頁(yè)管理的，我們先來(lái)看下如果使用 LRU 是如何管理的。

LRU，全稱是 Least Recently Used，中文名字叫作「最近最少使用」。從名字上就很容易理解了。

這里分兩種情況：

（1）緩存頁(yè)已在緩沖池中

這種情況下會(huì)將對(duì)應(yīng)的緩存頁(yè)放到 LRU 鏈表的頭部，無(wú)需從磁盤再進(jìn)行讀取，也無(wú)需淘汰其它緩存頁(yè)。

如下圖所示，如果要訪問的數(shù)據(jù)在 6 號(hào)頁(yè)中，則將 6 號(hào)頁(yè)放到鏈表頭部即可，這種情況下沒有緩存頁(yè)被淘汰。

（2）緩存頁(yè)不在緩沖池中

緩存頁(yè)不在緩沖中，這時(shí)候就需要從磁盤中讀入對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)頁(yè)，將其放置在鏈表頭部，同時(shí)淘汰掉末尾的緩存頁(yè)

如下圖所示，如果要訪問的數(shù)據(jù)在 60 號(hào)頁(yè)中，60 號(hào)頁(yè)不在緩沖池中，此時(shí)加載進(jìn)來(lái)放到鏈表的頭部，同時(shí)淘汰掉末尾的 17 號(hào)緩存頁(yè)。

是不是看上去很簡(jiǎn)單，同時(shí)也能滿足緩沖池淘汰緩存頁(yè)的方法？但是我們來(lái)思考幾個(gè)問題：

• 預(yù)讀失效
  

上面我們提到了緩沖池的預(yù)讀機(jī)制可能會(huì)預(yù)先加載相鄰的數(shù)據(jù)頁(yè)。假如加載了 20、21 相鄰的兩個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)，如果只有頁(yè)號(hào)為 20 的緩存頁(yè)被訪問了，而另一個(gè)緩存頁(yè)卻沒有被訪問。此時(shí)兩個(gè)緩存頁(yè)都在鏈表的頭部，但是為了加載這兩個(gè)緩存頁(yè)卻淘汰了末尾的緩存頁(yè)，而被淘汰的緩存頁(yè)卻是經(jīng)常被訪問的。這種情況就是預(yù)讀失效，被預(yù)先加載進(jìn)緩沖池的頁(yè)，并沒有被訪問到，這種情況是不是很不合理。

• 緩沖池污染
  

還有一種情況是當(dāng)執(zhí)行一條 SQL 語(yǔ)句時(shí)，如果掃描了大量數(shù)據(jù)或是進(jìn)行了全表掃描，此時(shí)緩沖池中就會(huì)加載大量的數(shù)據(jù)頁(yè)，從而將緩沖池中已存在的所有頁(yè)替換出去，這種情況同樣是不合理的。這就是緩沖池污染，并且還會(huì)導(dǎo)致 MySQL 性能急劇下降。

冷熱數(shù)據(jù)分離

這樣看來(lái)，傳統(tǒng)的 LRU 方法并不能滿足緩沖池的空間管理。因此，Msyql 基于 LRU 設(shè)計(jì)了冷熱數(shù)據(jù)分離的處理方案。

也就是將 LRU 鏈表分為兩部分，一部分為熱數(shù)據(jù)區(qū)域，一部分為冷數(shù)據(jù)區(qū)域。

當(dāng)數(shù)據(jù)頁(yè)第一次被加載到緩沖池中的時(shí)候，先將其放到冷數(shù)據(jù)區(qū)域的鏈表頭部，1s（由 innodb_old_blocks_time 參數(shù)控制） 后該緩存頁(yè)被訪問了再將其移至熱數(shù)據(jù)區(qū)域的鏈表頭部。

可能你會(huì)有疑惑了，為什么要等 1s 后才將其移至熱數(shù)據(jù)區(qū)域呢？你想想，如果數(shù)據(jù)頁(yè)剛被加載到冷數(shù)據(jù)區(qū)就被訪問了，之后再也不訪問它了呢？這不就造成熱數(shù)據(jù)區(qū)的浪費(fèi)了嗎？要是 1s 后不訪問了，說(shuō)明之后可能也不會(huì)去頻繁訪問它，也就沒有移至熱緩沖區(qū)的必要了。當(dāng)緩存頁(yè)不夠的時(shí)候，從冷數(shù)據(jù)區(qū)淘汰它們就行了。

另一種情況，當(dāng)我的數(shù)據(jù)頁(yè)已經(jīng)在熱緩沖區(qū)了，是不是緩存頁(yè)只要被訪問了就將其插到鏈表頭部呢？不用我說(shuō)你肯定也覺得不合理。熱數(shù)據(jù)區(qū)域里的緩存頁(yè)是會(huì)被經(jīng)常訪問的，如果每訪問一個(gè)緩存頁(yè)就插入一次鏈表頭，那整個(gè)熱緩沖區(qū)里就異常騷動(dòng)了，你想想那個(gè)畫面。

那咋整呢？Mysql 中優(yōu)化為熱數(shù)據(jù)區(qū)的后 3/4 部分被訪問后才將其移動(dòng)到鏈表頭部去，對(duì)于前 1/4 部分的緩存頁(yè)被訪問了不會(huì)進(jìn)行移動(dòng)。

好了，到這里關(guān)于 buffer pool  的知識(shí)就講完了。這期里我們講了 buffer pool 能使 SQL 執(zhí)行變快的原因，同時(shí)還講了有關(guān) buffer pool 空間的管理方式。歡迎在留言區(qū)里進(jìn)行討論。
 總結(jié)

緩沖池的應(yīng)用

• 緩沖池很大程度減少了磁盤 I/O 帶來(lái)的開銷，通過(guò)將操作的數(shù)據(jù)行所在的數(shù)據(jù)頁(yè)加載到緩沖池可以提高 SQL 的執(zhí)行速度。
  

緩沖池的預(yù)讀機(jī)制

• 為了減少磁盤 I/O，Innodb 通過(guò)在緩沖池中提前讀取多個(gè)數(shù)據(jù)頁(yè)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化，這種方式叫作預(yù)讀。

緩沖池的空間管理

• 傳統(tǒng)的LRU方法對(duì)于緩沖池來(lái)說(shuō)，會(huì)導(dǎo)致預(yù)讀失效和緩沖池污染兩種情況，因此這種傳統(tǒng)的方式并不適用緩沖池的空間管理。

• 基于對(duì) LRU 方法的優(yōu)化，Msyql 設(shè)計(jì)了冷熱數(shù)據(jù)分離的處理方案，將LRU鏈表分為熱數(shù)據(jù)區(qū)和冷數(shù)據(jù)區(qū)兩部分，這樣就可以解決預(yù)讀失效和緩沖池污染的情況。

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