平时的工作中,不知道你有没有遇到过这样的场景,一条SQL语句,正常执行的时候特别快,但是有时也不知道怎么回事,它就会变得特别慢,并且这样的场景很难复现,它不只随机,而且持续时间还很短。

看上去,这就像是数据库“抖”了一下。今天,我们就一起来看一看这是什么原因。

你的SQL语句为什么变“慢”了

在前面第2篇文章中,我为你介绍了WAL机制。现在你知道了,InnoDB在处理更新语句的时候,只做了写日志这一个磁盘操作。这个日志叫作redo log(重做日志),也就是《孔乙己》里咸亨酒店掌柜用来记账的粉板,在更新内存写完redo log后,就返回给客户端,本次更新成功。

做下类比的话,掌柜记账的账本是数据文件,记账用的粉板是日志文件(redo log),掌柜的记忆就是内存。

掌柜总要找时间把账本更新一下,这对应的就是把内存里的数据写入磁盘的过程,术语就是flush。在这个flush操作执行之前,孔乙己的赊账总额,其实跟掌柜手中账本里面的记录是不一致的。因为孔乙己今天的赊账金额还只在粉板上,而账本里的记录是老的,还没把今天的赊账算进去。

当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候,我们称这个内存页为“脏页”。内存数据写入到磁盘后,内存和磁盘上的数据页的内容就一致了,称为“干净页”

不论是脏页还是干净页,都在内存中。在这个例子里,内存对应的就是掌柜的记忆。

接下来,我们用一个示意图来展示一下“孔乙己赊账”的整个操作过程。假设原来孔乙己欠账10文,这次又要赊9文。

回到文章开头的问题,你不难想象,平时执行很快的更新操作,其实就是在写内存和日志,而MySQL偶尔“抖”一下的那个瞬间,可能就是在刷脏页(flush)。

那么,什么情况会引发数据库的flush过程呢?

我们还是继续用咸亨酒店掌柜的这个例子,想一想:掌柜在什么情况下会把粉板上的赊账记录改到账本上?

  • 第一种场景是,粉板满了,记不下了。这时候如果再有人来赊账,掌柜就只得放下手里的活儿,将粉板上的记录擦掉一些,留出空位以便继续记账。当然在擦掉之前,他必须先将正确的账目记录到账本中才行。
    这个场景,对应的就是InnoDB的redo log写满了。这时候系统会停止所有更新操作,把checkpoint往前推进,redo log留出空间可以继续写。我在第二讲画了一个redo log的示意图,这里我改成环形,便于大家理解。

​ checkpoint可不是随便往前修改一下位置就可以的。比如图2中,把checkpoint位置从CP推进到CP’,就需要将两个点之间的日志(浅绿色部分),对应的所有脏页都flush到磁盘上。之后,图中从write pos到CP’之间就是可以再写入的redo log的区域。

  • 第二种场景是,这一天生意太好,要记住的事情太多,掌柜发现自己快记不住了,赶紧找出账本把孔乙己这笔账先加进去。
    这种场景,对应的就是系统内存不足。当需要新的内存页,而内存不够用的时候,就要淘汰一些数据页,空出内存给别的数据页使用。如果淘汰的是“脏页”,就要先将脏页写到磁盘。
    你一定会说,这时候难道不能直接把内存淘汰掉,下次需要请求的时候,从磁盘读入数据页,然后拿redo log出来应用不就行了?这里其实是从性能考虑的。如果刷脏页一定会写盘,就保证了每个数据页有两种状态:

    • 一种是内存里存在,内存里就肯定是正确的结果,直接返回;
    • 另一种是内存里没有数据,就可以肯定数据文件上是正确的结果,读入内存后返回。
      这样的效率最高。
  • 第三种场景是,生意不忙的时候,或者打烊之后。这时候柜台没事,掌柜闲着也是闲着,不如更新账本。
    这种场景,对应的就是MySQL认为系统“空闲”的时候。当然,MySQL“这家酒店”的生意好起来可是会很快就能把粉板记满的,所以“掌柜”要合理地安排时间,即使是“生意好”的时候,也要见缝插针地找时间,只要有机会就刷一点“脏页”。

  • 第四种场景是,年底了咸亨酒店要关门几天,需要把账结清一下。这时候掌柜要把所有账都记到账本上,这样过完年重新开张的时候,就能就着账本明确账目情况了。
    这种场景,对应的就是MySQL正常关闭的情况。这时候,MySQL会把内存的脏页都flush到磁盘上,这样下次MySQL启动的时候,就可以直接从磁盘上读数据,启动速度会很快。

接下来,你可以分析一下上面四种场景对性能的影响。

其中,第三种情况是属于MySQL空闲时的操作,这时系统没什么压力,而第四种场景是数据库本来就要关闭了。这两种情况下,你不会太关注“性能”问题。所以这里,我们主要来分析一下前两种场景下的性能问题。

第一种是“redo log写满了,要flush脏页”,这种情况是InnoDB要尽量避免的。因为出现这种情况的时候,整个系统就不能再接受更新了,所有的更新都必须堵住。如果你从监控上看,这时候更新数会跌为0。

第二种是“内存不够用了,要先将脏页写到磁盘”,这种情况其实是常态。InnoDB用缓冲池(buffer pool)管理内存,缓冲池中的内存页有三种状态:

  • 第一种是,还没有使用的;
  • 第二种是,使用了并且是干净页;
  • 第三种是,使用了并且是脏页。

InnoDB的策略是尽量使用内存,因此对于一个长时间运行的库来说,未被使用的页面很少。

而当要读入的数据页没有在内存的时候,就必须到缓冲池中申请一个数据页。这时候只能把最久不使用的数据页从内存中淘汰掉:如果要淘汰的是一个干净页,就直接释放出来复用;但如果是脏页呢,就必须将脏页先刷到磁盘,变成干净页后才能复用。

所以,刷脏页虽然是常态,但是出现以下这两种情况,都是会明显影响性能的:

  1. 一个查询要淘汰的脏页个数太多,会导致查询的响应时间明显变长;
  2. 日志写满,更新全部堵住,写性能跌为0,这种情况对敏感业务来说,是不能接受的。

所以,InnoDB需要有控制脏页比例的机制,来尽量避免上面的这两种情况。

InnoDB刷脏页的控制策略

接下来,我就来和你说说InnoDB脏页的控制策略,以及和这些策略相关的参数。

首先,你要正确地告诉InnoDB所在主机的IO能力,这样InnoDB才能知道需要全力刷脏页的时候,可以刷多快。

这就要用到innodb_io_capacity这个参数了,它会告诉InnoDB你的磁盘能力。这个值我建议你设置成磁盘的IOPS。磁盘的IOPS可以通过fio这个工具来测试,下面的语句是我用来测试磁盘随机读写的命令:

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fio -filename=$filename -direct=1 -iodepth 1 -thread -rw=randrw -ioengine=psync -bs=16k -size=500M -numjobs=10 -runtime=10 -group_reporting -name=mytest

其实,因为没能正确地设置innodb_io_capacity参数,而导致的性能问题也比比皆是。之前,就曾有其他公司的开发负责人找我看一个库的性能问题,说MySQL的写入速度很慢,TPS很低,但是数据库主机的IO压力并不大。经过一番排查,发现罪魁祸首就是这个参数的设置出了问题。

他的主机磁盘用的是SSD,但是innodb_io_capacity的值设置的是300。于是,InnoDB认为这个系统的能力就这么差,所以刷脏页刷得特别慢,甚至比脏页生成的速度还慢,这样就造成了脏页累积,影响了查询和更新性能。

虽然我们现在已经定义了“全力刷脏页”的行为,但平时总不能一直是全力刷吧?毕竟磁盘能力不能只用来刷脏页,还需要服务用户请求。所以接下来,我们就一起看看InnoDB怎么控制引擎按照“全力”的百分比来刷脏页。

根据我前面提到的知识点,试想一下,如果你来设计策略控制刷脏页的速度,会参考哪些因素呢?

这个问题可以这么想,如果刷太慢,会出现什么情况?首先是内存脏页太多,其次是redo log写满。

所以,InnoDB的刷盘速度就是要参考这两个因素:一个是脏页比例,一个是redo log写盘速度。

InnoDB会根据这两个因素先单独算出两个数字。

参数innodb_max_dirty_pages_pct是脏页比例上限,默认值是75%。InnoDB会根据当前的脏页比例(假设为M),算出一个范围在0到100之间的数字,计算这个数字的伪代码类似这样:

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F1(M)
{
if M>=innodb_max_dirty_pages_pct then
return 100;
return 100*M/innodb_max_dirty_pages_pct;
}

InnoDB每次写入的日志都有一个序号,当前写入的序号跟checkpoint对应的序号之间的差值,我们假设为N。InnoDB会根据这个N算出一个范围在0到100之间的数字,这个计算公式可以记为F2(N)。F2(N)算法比较复杂,你只要知道N越大,算出来的值越大就好了。

然后,根据上述算得的F1(M)和F2(N)两个值,取其中较大的值记为R,之后引擎就可以按照innodb_io_capacity定义的能力乘以R%来控制刷脏页的速度。

上述的计算流程比较抽象,不容易理解,所以我画了一个简单的流程图。图中的F1、F2就是上面我们通过脏页比例和redo log写入速度算出来的两个值。

现在你知道了,InnoDB会在后台刷脏页,而刷脏页的过程是要将内存页写入磁盘。所以,无论是你的查询语句在需要内存的时候可能要求淘汰一个脏页,还是由于刷脏页的逻辑会占用IO资源并可能影响到了你的更新语句,都可能是造成你从业务端感知到MySQL“抖”了一下的原因。

要尽量避免这种情况,你就要合理地设置innodb_io_capacity的值,并且平时要多关注脏页比例,不要让它经常接近75%

其中,脏页比例是通过Innodb_buffer_pool_pages_dirty/Innodb_buffer_pool_pages_total得到的,具体的命令参考下面的代码:

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mysql> select VARIABLE_VALUE into @a from global_status where VARIABLE_NAME = 'Innodb_buffer_pool_pages_dirty';
select VARIABLE_VALUE into @b from global_status where VARIABLE_NAME = 'Innodb_buffer_pool_pages_total';
select @a/@b;

接下来,我们再看一个有趣的策略。

一旦一个查询请求需要在执行过程中先flush掉一个脏页时,这个查询就可能要比平时慢了。而MySQL中的一个机制,可能让你的查询会更慢:在准备刷一个脏页的时候,如果这个数据页旁边的数据页刚好是脏页,就会把这个“邻居”也带着一起刷掉;而且这个把“邻居”拖下水的逻辑还可以继续蔓延,也就是对于每个邻居数据页,如果跟它相邻的数据页也还是脏页的话,也会被放到一起刷。

在InnoDB中,innodb_flush_neighbors 参数就是用来控制这个行为的,值为1的时候会有上述的“连坐”机制,值为0时表示不找邻居,自己刷自己的。

找“邻居”这个优化在机械硬盘时代是很有意义的,可以减少很多随机IO。机械硬盘的随机IOPS一般只有几百,相同的逻辑操作减少随机IO就意味着系统性能的大幅度提升。

而如果使用的是SSD这类IOPS比较高的设备的话,我就建议你把innodb_flush_neighbors的值设置成0。因为这时候IOPS往往不是瓶颈,而“只刷自己”,就能更快地执行完必要的刷脏页操作,减少SQL语句响应时间。

在MySQL 8.0中,innodb_flush_neighbors参数的默认值已经是0了。

小结

今天这篇文章,我延续之前介绍的WAL的概念,和你解释了这个机制后续需要的刷脏页操作和执行时机。利用WAL技术,数据库将随机写转换成了顺序写,大大提升了数据库的性能。

但是,由此也带来了内存脏页的问题。脏页会被后台线程自动flush,也会由于数据页淘汰而触发flush,而刷脏页的过程由于会占用资源,可能会让你的更新和查询语句的响应时间长一些。在文章里,我也给你介绍了控制刷脏页的方法和对应的监控方式。

课后思考

1.一个内存配置为128GB、innodb_io_capacity设置为20000的大规格实例,正常会建议你将redo log设置成4个1GB的文件。

但如果你在配置的时候不慎将redo log设置成了1个100M的文件,会发生什么情况呢?又为什么会出现这样的情况呢?

每次事务提交都要写redo log,如果设置太小,很快就会被写满,也就是下面这个图的状态,这个“环”将很快被写满,write pos一直追着CP。

这时候系统不得不停止所有更新,去推进checkpoint。

这时,你看到的现象就是磁盘压力很小,但是数据库出现间歇性的性能下跌。

2.当内存不够用了,要将脏页写到磁盘,会有一个数据页淘汰机制(最久不使用),假设淘汰的是脏页,则此时脏页所对应的redo log的位置是随机的,当有多个不同的脏页需要刷,则对应的redo log可能在不同的位置,这样就需要把redo log的多个不同位置刷掉,这样对于redo log的处理不是就会很麻烦吗?(合并间隙,移动位置?)
另外,redo log的优势在于将磁盘随机写转换成了顺序写,如果需要将redo log的不同部分刷掉(刷脏页),不是就在redo log里随机读写了么?

其实由于淘汰的时候,刷脏页过程不用动redo log文件的。

这个有个额外的保证,是redo log在“重放”的时候,如果一个数据页已经是刷过的,会识别出来并跳过。

3.“内存不够用了,要先将脏页写到磁盘“redo log对应的空间会释放嘛?“redo log 写满了,要 flush 脏页”对应的内存页会释放嘛?

redolog 的空间是循环使用的,无所谓释放。 对应的内存页会变成干净页。但是等淘汰的时候才会逐出内存

4.将脏页flush到磁盘上是直接将脏页数据覆盖到对应磁盘上的数据?还是从磁盘上取到数据后取根据redo log记录进行更新后再写入到磁盘?

前者

5.redo log是怎么记录对应脏页是否已经flush了?如果断电了重启导致内存丢失,前面几章说通过redo log进行数据恢复那redo log又怎么去释放空间?

不用记,重启了就从checkpoint 的位置往后扫。 如果已经之前刷过盘的, 不会重复应用redi log。

总结:

1:MySQL抖一下是什么意思?

抖我认为就是不稳定的意思,一个SQL语句平时速度都挺快的,偶尔会慢一下且没啥规律,就是抖啦!

2:MySQL为啥会抖一下?

因为运行的不正常了,或者不稳定了,需要花费更多的资源处理别的事情,会使SQL语句的执行效率明显变慢。针对innoDB导致MySQL抖的原因,主要是InnoDB 会在后台刷脏页,而刷脏页的过程是要将内存页写入磁盘。所以,无论是你的查询语句在需要内存的时候可能要求淘汰一个脏页,还是由于刷脏页的逻辑会占用 IO 资源并可能影响到了你的更新语句,都可能是造成你从业务端感知MySQL“抖”了一下的原因。

3:MySQL抖一下有啥问题?

很明显系统不稳定,性能突然下降对业务端是很不友好的。

4:怎么让MySQL不抖?

设置合理参数配配置,尤其是设置 好innodb_io_capacity 的值,并且平时要多关注脏页比例,不要让它经常接近 75%

5:啥是脏页?

当内存数据页跟磁盘数据页内容不一致的时候,我们称这个内存页为“脏页”。

按照这个定义感觉脏页是不可避免的,写的时候总会先写内存再写磁盘和有没有用WAL没啥关系?

6:啥是干净页?

内存数据写入到磁盘后,内存和磁盘上的数据页的内容就一致了,称为“干净页”。

7:脏页是咋产生的?

因为使用了WAL技术,这个技术会把数据库的随机写转化为顺序写,但副作用就是会产生脏页。

8:啥是随机写?为啥那么耗性能?

随机写我的理解是,这次写磁盘的那个扇区和上一次没啥关系,需要重新定位位置,机械运动是很慢的即使不是机械运动重新定位写磁盘的位置也是很耗时的。

9:啥是顺序写?

顺序写我的理解是,这次写磁盘那个扇区就在上一次的下一个位置,不需要重新定位写磁盘的位置速度当然会快一些。

10:WAL怎么把随机写转化为顺序写的?

写redolog是顺序写的,先写redolog等合适的时候再写磁盘,间接的将随机写变成了顺序写,性能确实会提高不少。

根据本文,可以了解到这些问题:
1.脏页和干净页的定义是什么?

2.引发数据库flush脏页的四种典型场景各是什么?对mysql性能的影响各是怎样的?

3.缓存池中的内存页有哪三种状态? 哪两种刷脏页的情况会比较影响性能?

4.innodb_io_capacity这个参数的作用是什么,这个参数设置错误可能导致什么样的后果, 如何正确的设置这个参数?

5.mysql如何通过innodb_io_capacity, 脏页比例(M), 当前日志序号(N)这三个指标来控制以什么样的速度去刷脏页的?

6.innodb_flush_neighbor这个参数表示什么意思,应该如何设置?


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