應用系統分層架構，為了加速數據訪問，會把最常訪問的數據，放在緩存(cache)里，避免每次都去訪問數據庫。

操作系統，會有緩沖池(buffer pool)機制，避免每次訪問磁盤，以加速數據的訪問。

MySQL作為一個存儲系統，同樣具有緩沖池(buffer pool)機制，以避免每次查詢數據都進行磁盤IO。

如果大家使用MySQL，那么InnoDB的緩沖池，是架構師必須了解的內容。

InnoDB的緩沖池緩存什么？有什么用？

緩存表數據與索引數據，把磁盤上的數據加載到緩沖池，避免每次訪問都進行磁盤IO，起到加速訪問的作用。

速度快，那為啥不把所有數據都放到緩沖池里？

凡事都具備兩面性，拋開數據易失性不說，訪問快速的反面是存儲容量小：

• 緩存訪問快，但容量小，數據庫存儲了200G數據，緩存容量可能只有64G；
• 內存訪問快，但容量小，買一臺筆記本磁盤有2T，內存可能只有16G。

因此，只能把“最熱”的數據放到“最近”的地方，以“最大限度”的降低磁盤訪問。

如何管理與淘汰緩沖池，使得性能最大化呢？

在介紹具體細節之前，先介紹下“預讀”的概念。

什么是預讀？

磁盤讀寫，并不是按需讀取，而是按頁讀取，一次至少讀一頁數據（一般是4K），如果未來要讀取的數據就在頁中，就能夠省去后續的磁盤IO，提高效率。

預讀為什么有效？

數據訪問，通常都遵循“集中讀寫”的原則，使用一些數據，大概率會使用附近的數據，這就是所謂的“局部性原理”，它表明提前加載是有效的，確實能夠減少磁盤IO。

按頁(4K)讀取，和InnoDB的緩沖池設計有啥關系？

• 磁盤訪問按頁讀取能夠提高性能，所以緩沖池一般也是按頁緩存數據；
• 預讀機制啟示了我們，能把一些“可能要訪問”的頁提前加入緩沖池，避免未來的磁盤IO操作。

InnoDB是以什么算法，來管理這些緩沖頁呢？

最容易想到的，就是LRU(Least recently used)。

畫外音：memcache，OS都會用LRU來進行頁置換管理，但MySQL的玩法并不一樣。

傳統的LRU是如何進行緩沖頁管理？

最常見的玩法是，把入緩沖池的頁放到LRU的頭部，作為最近訪問的元素，從而最晚被淘汰。這里又分兩種情況：

• 頁已經在緩沖池里，那就只做“移至”LRU頭部的動作，而沒有頁被淘汰；
• 頁不在緩沖池里，除了做“放入”LRU頭部的動作，還要做“淘汰”LRU尾部頁的動作。

如上圖，假如管理緩沖池的LRU長度為10，緩沖了頁號為1，3，5…，40，7的頁。

假如，接下來要訪問的數據在頁號為4的頁中：

• 頁號為4的頁，本來就在緩沖池里；
• 把頁號為4的頁，放到LRU的頭部即可，沒有頁被淘汰。

畫外音：為了減少數據移動，LRU一般用鏈表實現。

假如，再接下來要訪問的數據在頁號為50的頁中：

• 頁號為50的頁，原來不在緩沖池里；
• 把頁號為50的頁，放到LRU頭部，同時淘汰尾部頁號為7的頁。

傳統的LRU緩沖池算法十分直觀，OS，memcache等很多軟件都在用，MySQL為啥這么矯情，不能直接用呢？

這里有兩個問題：

• 預讀失效；
• 緩沖池污染。

什么是預讀失效？

由于預讀(Read-Ahead)，提前把頁放入了緩沖池，但最終MySQL并沒有從頁中讀取數據，稱為預讀失效。

如何對預讀失效進行優化？

要優化預讀失效，思路是：

• 讓預讀失敗的頁，停留在緩沖池LRU里的時間盡可能短；
• 讓真正被讀取的頁，才挪到緩沖池LRU的頭部。

以保證，真正被讀取的熱數據留在緩沖池里的時間盡可能長。

具體方法是：

(1) 將LRU分為兩個部分：

• 新生代(new sublist)
• 老生代(old sublist)

(2) 新老生代收尾相連，即：新生代的尾(tail)連接著老生代的頭(head)；

(3) 新頁（例如被預讀的頁）加入緩沖池時，只加入到老生代頭部：

• 如果數據真正被讀取（預讀成功），才會加入到新生代的頭部
• 如果數據沒有被讀取，則會比新生代里的“熱數據頁”更早被淘汰出緩沖池

舉個例子，整個緩沖池LRU如上圖：

• 整個LRU長度是10；
• 前70%是新生代；
• 后30%是老生代；
• 新老生代首尾相連。

假如有一個頁號為50的新頁被預讀加入緩沖池：

• 50只會從老生代頭部插入，老生代尾部（也是整體尾部）的頁會被淘汰掉；
• 假設50這一頁不會被真正讀取，即預讀失敗，它將比新生代的數據更早淘汰出緩沖池。

假如50這一頁立刻被讀取到，例如SQL訪問了頁內的行row數據：

• 它會被立刻加入到新生代的頭部；
• 新生代的頁會被擠到老生代，此時并不會有頁面被真正淘汰。

改進版緩沖池LRU能夠很好的解決“預讀失敗”的問題。

畫外音：但也不要因噎廢食，因為害怕預讀失敗而取消預讀策略，大部分情況下，局部性原理是成立的，預讀是有效的。

新老生代改進版LRU仍然解決不了緩沖池污染的問題。

什么是MySQL緩沖池污染？

當某一個SQL語句，要批量掃描大量數據時，可能導致把緩沖池的所有頁都替換出去，導致大量熱數據被換出，MySQL性能急劇下降，這種情況叫緩沖池污染。

例如，有一個數據量較大的用戶表，當執行：

select * from user where name like "%shenjian%";

雖然結果集可能只有少量數據，但這類like不能命中索引，必須全表掃描，就需要訪問大量的頁：

• 把頁加到緩沖池（插入老生代頭部）；
• 從頁里讀出相關的row（插入新生代頭部）；
• row里的name字段和字符串shenjian進行比較，如果符合條件，加入到結果集中；
• …直到掃描完所有頁中的所有row…

如此一來，所有的數據頁都會被加載到新生代的頭部，但只會訪問一次，真正的熱數據被大量換出。

怎么這類掃碼大量數據導致的緩沖池污染問題呢？

MySQL緩沖池加入了一個“老生代停留時間窗口”的機制：

• 假設T=老生代停留時間窗口；
• 插入老生代頭部的頁，即使立刻被訪問，并不會立刻放入新生代頭部；
• 只有滿足“被訪問”并且“在老生代停留時間”大于T，才會被放入新生代頭部。

繼續舉例，假如批量數據掃描，有51，52，53，54，55等五個頁面將要依次被訪問。

如果沒有“老生代停留時間窗口”的策略，這些批量被訪問的頁面，會換出大量熱數據。

加入“老生代停留時間窗口”策略后，短時間內被大量加載的頁，并不會立刻插入新生代頭部，而是優先淘汰那些，短期內僅僅訪問了一次的頁。

而只有在老生代呆的時間足夠久，停留時間大于T，才會被插入新生代頭部。

上述原理，對應InnoDB里哪些參數？

有三個比較重要的參數。

(1) 參數：innodb_buffer_pool_size

介紹：配置緩沖池的大小，在內存允許的情況下，DBA往往會建議調大這個參數，越多數據和索引放到內存里，數據庫的性能會越好。

(2) 參數：innodb_old_blocks_pct

介紹：老生代占整個LRU鏈長度的比例，默認是37，即整個LRU中新生代與老生代長度比例是63:37。

畫外音：如果把這個參數設為100，就退化為普通LRU了。

(3) 參數：innodb_old_blocks_time

介紹：老生代停留時間窗口，單位是毫秒，默認是1000，即同時滿足“被訪問”與“在老生代停留時間超過1秒”兩個條件，才會被插入到新生代頭部。

總結

(1) 緩沖池(buffer pool)是一種常見的降低磁盤訪問的機制；

(2) 緩沖池通常以頁(page)為單位緩存數據；

(3) 緩沖池的常見管理算法是LRU，memcache，OS，InnoDB都使用了這種算法；

(4) InnoDB對普通LRU進行了優化：

• 將緩沖池分為老生代和新生代，入緩沖池的頁，優先進入老生代，頁被訪問，才進入新生代，以解決預讀失效的問題
• 頁被訪問，且在老生代停留時間超過配置閾值的，才進入新生代，以解決批量數據訪問，大量熱數據淘汰的問題

緩沖池，你學廢了嗎？

知其然，知其所以然。

思路比結論更重要。