MySQL高阶讲座之：`InnoDB`的`Change Buffer`：其工作原理、适用场景与写性能优化。

各位听众，晚上好！我是今晚的讲师，很高兴能和大家一起聊聊MySQL里一个非常有趣，但又容易被忽视的家伙——InnoDB的Change Buffer。 咱们今天要深入挖掘一下，看看它到底是个什么玩意儿，怎么工作的，什么情况下用它最好，以及怎么利用它来提升咱们的写性能。

一、 啥是Change Buffer？ 为什么要它？

想象一下，你是一家银行的出纳，每天都要处理大量的存取款业务。如果每次有人来存钱，你都要立刻找到他的账户，把钱放进去，然后立刻更新账本，效率是不是会很低？ 特别是那些很久都没来存过钱的账户，你要翻箱倒柜才能找到。

Change Buffer就相当于银行出纳旁边的一个“临时存款登记簿”。 当有人来存钱（也就是写入数据）的时候，你先把存款信息（要修改的数据页）记录在这个登记簿上，不用立刻去更新账本。 等到晚上银行关门了，或者账房先生有空了，再把登记簿上的信息整理到账本上。

在MySQL InnoDB存储引擎中，Change Buffer就是用来缓存非唯一二级索引页（non-unique secondary index pages）的修改操作的。 为什么要缓存呢？ 因为非唯一二级索引页通常是随机写入的，如果每次写入都要立刻从磁盘上读取索引页，修改后再写回去，那性能简直惨不忍睹。

简单来说，Change Buffer解决了以下问题：

• 减少随机IO: 将大量的随机写操作变成相对集中的写操作。
• 提升写性能: 避免了立刻读磁盘的开销，加快了写入速度。

二、 Change Buffer的工作原理

Change Buffer本质上是InnoDB系统表空间（System Tablespace）中的一部分，它存储着对非唯一二级索引页的修改操作。 这些修改操作包括：

• Insert: 插入一条索引记录。
• Delete: 删除一条索引记录。
• Update: 更新一条索引记录。 (实际上是先Delete再Insert)

当执行DML语句（例如 INSERT, UPDATE, DELETE）时，InnoDB会检查被修改的索引页是否在Buffer Pool中。 如果在，就直接修改Buffer Pool中的页。 如果不在，并且满足使用Change Buffer的条件，就会将修改操作记录到Change Buffer中。

那么，什么时候才会把Change Buffer中的修改操作应用到磁盘上的索引页呢？ 这个过程叫做 Merge。

Merge操作会在以下几种情况下发生：

• 后台线程定期Merge: InnoDB有一个后台线程会定期扫描Change Buffer，并将修改操作应用到磁盘上的索引页。
• 访问被修改的索引页: 当你需要访问一个在Change Buffer中被修改过的索引页时，InnoDB会先将Change Buffer中相关的修改操作应用到该索引页，然后再返回结果。 这个过程叫做 Read-Merge。
• 数据库关闭或重启: 在数据库关闭或重启时，InnoDB会将Change Buffer中所有的修改操作都应用到磁盘上的索引页，以确保数据一致性。
• Change Buffer已满: 当Change Buffer空间不足时，InnoDB会强制进行Merge操作，以释放空间。

三、 Change Buffer的适用场景

Change Buffer并非万能灵药，它也有自己的适用场景。 只有在特定的情况下，才能发挥它的优势。

• 写入密集型应用: 如果你的应用有大量的写入操作，并且对写入延迟不敏感，那么Change Buffer可以显著提升写性能。 例如，日志记录、数据仓库等。
• 非唯一二级索引: Change Buffer只对非唯一二级索引有效。 这是因为唯一索引需要保证唯一性，每次写入都要立刻检查是否冲突，所以不能使用Change Buffer。
• 读少写多: 如果你的应用读多写少，那么Change Buffer的优势就不明显了。 因为每次读取都可能触发Read-Merge操作，反而会增加延迟。

表格：Change Buffer适用场景总结

特性	适用性
写入频率	高
读取频率	低
索引类型	非唯一二级索引
写入延迟容忍度	高

四、 Change Buffer 相关配置参数

InnoDB提供了几个参数来控制Change Buffer的行为：

• innodb_change_buffer_max_size: 控制Change Buffer的最大大小，以占Buffer Pool的百分比表示。 默认值是25，表示Change Buffer最多可以使用Buffer Pool的25%。

  SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_max_size';

• innodb_change_buffering: 控制Change Buffer缓存哪些类型的操作。 可以设置为以下值：
  • all: 缓存所有类型的操作（inserts, deletes, purges）。
  • none: 不缓存任何操作。
  • inserts: 只缓存插入操作。
  • deletes: 只缓存删除操作。
  • changes: 缓存插入和删除操作。
  • purges: 只缓存purge操作（后台删除操作）。

    SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffering';

• innodb_change_buffer_invalidation_percentage: 控制Change Buffer的失效百分比。 当Change Buffer的使用率超过这个百分比时，InnoDB会尝试减少Change Buffer的使用。

  SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_change_buffer_invalidation_percentage';

五、 如何利用Change Buffer优化写性能？

1. 正确评估你的应用场景: 在启用Change Buffer之前，一定要仔细评估你的应用场景。 如果你的应用是读多写少，或者大部分索引都是唯一索引，那么Change Buffer可能不会带来明显的性能提升，甚至可能适得其反。

2. 合理设置innodb_change_buffer_max_size: Change Buffer的大小直接影响到它的性能。 如果Change Buffer太小，那么缓存的效果就不明显。 如果Change Buffer太大，可能会占用过多的Buffer Pool空间，影响其他操作的性能。 一般来说，可以将innodb_change_buffer_max_size设置为Buffer Pool的25%-50%。 需要根据实际情况进行调整。

3. 监控Change Buffer的使用情况: InnoDB提供了Performance Schema来监控Change Buffer的使用情况。 可以通过查询Performance Schema的表来了解Change Buffer的命中率、Merge次数等信息。 根据这些信息，可以进一步优化Change Buffer的配置。

   例如，可以使用以下SQL语句来查询Change Buffer的Merge次数：

   SELECT EVENT_NAME, SUM(COUNT_STAR) AS COUNT, SUM(SUM_TIMER_WAIT) AS DURATION
   FROM performance_schema.events_statements_summary_global_by_event_name
   WHERE EVENT_NAME LIKE 'wait/io/table/sql/handler%';

4. 避免频繁的Read-Merge操作: 尽量避免访问在Change Buffer中被修改过的索引页。 可以通过优化SQL语句、调整索引结构等方式来减少Read-Merge操作。

六、 Change Buffer的缺点和注意事项

虽然Change Buffer可以提升写性能，但它也有一些缺点和需要注意的地方：

• 增加复杂性: Change Buffer增加了InnoDB的复杂性。 理解Change Buffer的工作原理需要花费一定的精力。
• 增加数据丢失的风险: 如果数据库在Change Buffer中的修改操作还没有应用到磁盘时发生崩溃，那么这些修改操作将会丢失。 虽然InnoDB提供了崩溃恢复机制，但在极端情况下，仍然可能导致数据丢失。
• 影响读取性能: Read-Merge操作会增加读取延迟。
• 增加磁盘IO: 最终，Change Buffer中的修改操作还是要应用到磁盘上的。 虽然它可以将随机写变成相对集中的写，但总的磁盘IO量并没有减少。

七、 实例演示

为了更好地理解Change Buffer的作用，咱们来做一个简单的实验。

场景: 一个包含大量数据的表，需要频繁地插入数据，并且有一个非唯一二级索引。

实验步骤:

1. 创建表:

   CREATE TABLE test_change_buffer (
     id INT PRIMARY KEY AUTO_INCREMENT,
     value VARCHAR(255) NOT NULL,
     index_col INT
   );
   
   CREATE INDEX idx_index_col ON test_change_buffer (index_col);

2. 插入大量数据 (关闭Change Buffer):

   SET GLOBAL innodb_change_buffering = 'none'; -- 关闭Change Buffer
   
   DELIMITER //
   CREATE PROCEDURE insert_data(IN num_rows INT)
   BEGIN
     DECLARE i INT DEFAULT 0;
     WHILE i < num_rows DO
       INSERT INTO test_change_buffer (value, index_col) VALUES (MD5(RAND()), FLOOR(RAND() * 1000));
       SET i = i + 1;
     END WHILE;
   END //
   DELIMITER ;
   
   CALL insert_data(100000);

3. 插入大量数据 (开启Change Buffer):

   SET GLOBAL innodb_change_buffering = 'all'; -- 开启Change Buffer
   
   DELIMITER //
   CREATE PROCEDURE insert_data(IN num_rows INT)
   BEGIN
     DECLARE i INT DEFAULT 0;
     WHILE i < num_rows DO
       INSERT INTO test_change_buffer (value, index_col) VALUES (MD5(RAND()), FLOOR(RAND() * 1000));
       SET i = i + 1;
     END WHILE;
   END //
   DELIMITER ;
   
   CALL insert_data(100000);

4. 比较插入时间: 记录下关闭和开启Change Buffer时，插入数据所花费的时间。 你会发现，开启Change Buffer后，插入速度明显提升。

5. 观察Change Buffer的使用情况:

   -- 查询Change Buffer状态
   SHOW ENGINE INNODB STATUSG

   在SHOW ENGINE INNODB STATUS的输出中，可以找到关于Change Buffer的统计信息，例如Ibuf: size (Change Buffer的大小), merges (Merge操作的次数) 等。

注意: 在进行实验之前，建议备份数据，并在测试环境中进行。 另外，实验结果会受到硬件环境、MySQL配置等因素的影响，仅供参考。

八、 总结

Change Buffer是InnoDB存储引擎中一个重要的性能优化特性。 它可以有效地减少随机IO，提升写性能。 但它也有自己的适用场景和缺点。 在使用Change Buffer之前，一定要仔细评估你的应用场景，并根据实际情况进行配置。

希望通过今天的讲座，大家对InnoDB的Change Buffer有了更深入的了解。 记住，没有银弹！只有结合实际情况，才能找到最适合你的解决方案。

感谢大家的聆听！ 现在是自由提问环节，大家有什么问题可以提出来，我们一起探讨。