MySQL运维与监控之：`MySQL`的`AIO`（`Asynchronous I/O`）：其在`InnoDB`中的异步读写。 - 智猿学院-前后端，数据库，人工智能，云计算等领域前沿技术讲座

MySQL运维与监控之：MySQL的AIO（Asynchronous I/O）：其在InnoDB中的异步读写

大家好，今天我们来深入探讨MySQL中一项至关重要的性能优化技术：AIO，也就是异步I/O。我们将聚焦于InnoDB存储引擎，理解AIO如何在InnoDB内部实现异步读写，以及如何通过监控来评估AIO的性能表现。

1. 什么是AIO（Asynchronous I/O）？

在传统的同步I/O模型中，一个线程发起I/O请求后，必须等待I/O操作完成才能继续执行。这会导致线程阻塞，浪费CPU资源。想象一下你去餐厅点菜，点了菜之后必须站在那里等厨师做好才能去干别的事情，效率非常低。

AIO则不同。当线程发起I/O请求后，操作系统会负责完成I/O操作，而线程可以立即返回并执行其他任务。当I/O操作完成后，操作系统会通知线程。这就好比你点完菜后，服务员会告诉你稍等，你可以先去找个座位或者玩手机，菜做好了服务员会通知你。

AIO的优势：

提高并发性： 线程无需等待I/O完成，可以同时处理多个请求。
提高CPU利用率： 线程不会因为I/O阻塞而空闲，可以充分利用CPU资源。
降低延迟： 响应时间可以显著降低，因为I/O操作可以在后台进行。

2. AIO在InnoDB中的应用

InnoDB大量使用AIO来执行各种I/O操作，主要包括：

读取数据页： 从磁盘读取数据页到Buffer Pool。
写入数据页： 将Buffer Pool中的脏页刷新到磁盘。
Redo Log写入： 将Redo Log写入到磁盘，保证事务的持久性。
Doublewrite Buffer写入： 将数据页写入到Doublewrite Buffer，防止部分写问题。

InnoDB的设计目标是尽可能地减少磁盘I/O，而AIO是实现这个目标的关键技术之一。

3. InnoDB AIO的实现机制

InnoDB的AIO实现依赖于操作系统提供的AIO接口。在Linux系统中，通常使用libaio库来实现AIO。

3.1 关键参数

以下是一些影响InnoDB AIO行为的关键配置参数：

参数名称	描述	默认值	建议
`innodb_use_native_aio`	是否使用原生AIO。如果设置为`ON`，InnoDB将尝试使用操作系统提供的AIO接口。如果设置为`OFF`，InnoDB将使用自己的模拟AIO实现（通常是多线程模拟）。	`ON` (Linux), `OFF` (Windows)	除非操作系统本身AIO支持有问题,或者你的文件系统有问题, 否则强烈建议开启。
`innodb_read_io_threads`	用于读取数据的I/O线程数量。	`4`	根据CPU核心数和磁盘I/O性能调整。对于高并发的读密集型应用，可以适当增加。通常设置为CPU核心数的1-2倍。但是线程过多也会导致上下文切换的开销。
`innodb_write_io_threads`	用于写入数据的I/O线程数量。	`4`	与`innodb_read_io_threads`类似，根据CPU核心数和磁盘I/O性能调整。对于写密集型应用，可以适当增加。
`innodb_flush_neighbors`	控制InnoDB在刷新脏页时是否刷新相邻的脏页。	`1`	如果设置为`1`，InnoDB会尝试刷新相邻的脏页，这可以减少未来的I/O操作。但是，如果相邻的脏页并不是都需要刷新，可能会导致额外的I/O开销。在高负载情况下，可以考虑将其设置为`0`。
`innodb_io_capacity`	控制InnoDB的I/O操作能力。这个参数影响InnoDB的刷新脏页速度。	`200`	根据磁盘I/O性能调整。对于SSD，可以适当增加。
`innodb_lru_scan_depth`	LRU扫描深度，影响InnoDB从LRU列表中驱逐脏页的速度。	`1024`	与`innodb_io_capacity`配合使用，控制脏页的刷新速度。

3.2 AIO请求的处理流程 (简化的流程)

线程发起I/O请求： 当InnoDB需要读取或写入数据页时，它会创建一个AIO请求。
AIO请求加入队列： AIO请求会被加入到相应的I/O队列中（读队列或写队列）。
I/O线程处理请求： I/O线程会从队列中取出AIO请求，并调用操作系统提供的AIO接口发起真正的I/O操作。
操作系统完成I/O： 操作系统负责将数据从磁盘读取到内存，或将内存中的数据写入到磁盘。
回调通知： 当I/O操作完成后，操作系统会通过回调函数通知InnoDB。
完成处理： InnoDB会处理回调，例如更新Buffer Pool，唤醒等待的线程等。

4. AIO相关的性能监控

监控AIO的性能是评估InnoDB性能的重要手段。以下是一些常用的监控指标和方法：

4.1 Performance Schema

MySQL 5.6引入了Performance Schema，提供了丰富的性能监控数据。我们可以使用Performance Schema来监控AIO的性能。

4.1.1 file_summary_by_event_name表

这个表记录了不同类型的文件I/O事件的统计信息。我们可以通过查询这个表来了解AIO的读写情况。

SELECT
    EVENT_NAME,
    COUNT_STAR,
    SUM_TIMER_WAIT,
    SUM_NUMBER_OF_BYTES_READ,
    SUM_NUMBER_OF_BYTES_WRITE
FROM
    performance_schema.file_summary_by_event_name
WHERE
    EVENT_NAME LIKE 'wait/io/file/innodb%'
ORDER BY
    SUM_TIMER_WAIT DESC;

字段说明：

EVENT_NAME：I/O事件的名称。
COUNT_STAR：事件发生的次数。
SUM_TIMER_WAIT：事件的总等待时间（皮秒）。
SUM_NUMBER_OF_BYTES_READ：读取的总字节数。
SUM_NUMBER_OF_BYTES_WRITE：写入的总字节数。

通过分析这个表的数据，我们可以了解InnoDB的I/O瓶颈在哪里。例如，如果wait/io/file/innodb/innodb_data_file的等待时间很长，说明数据文件的I/O存在瓶颈。

4.1.2 file_summary_by_instance表

这个表记录了每个文件的I/O统计信息。我们可以通过查询这个表来了解每个文件的I/O情况。

SELECT
    FILE_NAME,
    EVENT_NAME,
    COUNT_STAR,
    SUM_TIMER_WAIT,
    SUM_NUMBER_OF_BYTES_READ,
    SUM_NUMBER_OF_BYTES_WRITE
FROM
    performance_schema.file_summary_by_instance
WHERE
    EVENT_NAME LIKE 'wait/io/file/innodb%'
ORDER BY
    SUM_TIMER_WAIT DESC
LIMIT 10;

字段说明：

FILE_NAME：文件名。
EVENT_NAME：I/O事件的名称。
COUNT_STAR：事件发生的次数。
SUM_TIMER_WAIT：事件的总等待时间（皮秒）。
SUM_NUMBER_OF_BYTES_READ：读取的总字节数。
SUM_NUMBER_OF_BYTES_WRITE：写入的总字节数。

通过分析这个表的数据，我们可以了解哪些文件的I/O压力最大。

4.2 SHOW ENGINE INNODB STATUS

SHOW ENGINE INNODB STATUS命令提供了InnoDB的内部状态信息，包括AIO的状态。

SHOW ENGINE INNODB STATUSG

在输出结果中，查找I/O相关的部分。例如：

---
LOG
---
Log sequence number 1660078898
Current log number 3
Current log file size 5242880
...

---
FILE I/O
---
I/O thread 0 state: waiting for completion of aio request (insert buffer thread)
I/O thread 1 state: waiting for completion of aio request (log thread)
I/O thread 2 state: waiting for completion of aio request (read thread)
I/O thread 3 state: waiting for completion of aio request (write thread)
Pending normal aio reads: 0, aio writes: 0, ibuf aio reads: 0, log i/o's: 0, ...
...

关键信息：

I/O thread：显示I/O线程的状态。如果I/O线程长时间处于等待状态，可能说明I/O存在瓶颈。
Pending normal aio reads：等待完成的普通AIO读请求数量。
Pending normal aio writes：等待完成的普通AIO写请求数量。
ibuf aio reads：等待完成的Insert Buffer AIO读请求数量。
log i/o's：等待完成的Redo Log I/O请求数量。

如果等待完成的AIO请求数量持续增加，说明I/O处理速度跟不上请求速度，可能存在I/O瓶颈。

4.3 系统工具

除了MySQL提供的工具外，我们还可以使用操作系统提供的工具来监控I/O性能。

iostat： iostat是一个常用的I/O监控工具，可以显示磁盘的I/O使用率、读写速度等信息。
```
iostat -x 1
```
关键字段：
- %util：磁盘的利用率。如果%util接近100%，说明磁盘已经达到瓶颈。
- r/s：每秒读取的扇区数。
- w/s：每秒写入的扇区数。
- rkB/s：每秒读取的KB数。
- wkB/s：每秒写入的KB数。
- await：平均I/O等待时间（毫秒）。
iotop： iotop类似于top命令，但是它可以显示每个进程的I/O使用情况。
```
iotop
```
通过iotop，我们可以找到I/O压力最大的进程。

5. AIO问题的排查和优化

如果监控发现AIO存在性能问题，我们可以从以下几个方面进行排查和优化：

检查innodb_use_native_aio是否开启： 确保innodb_use_native_aio设置为ON，使用原生AIO可以获得更好的性能。
调整I/O线程数量： 根据CPU核心数和磁盘I/O性能调整innodb_read_io_threads和innodb_write_io_threads参数。
优化磁盘I/O性能：
- 使用SSD：SSD的I/O性能远高于机械硬盘。
- RAID配置：合理的RAID配置可以提高磁盘的读写性能和可靠性。
- 文件系统：选择合适的文件系统，例如XFS。
优化SQL查询： 优化SQL查询可以减少I/O操作。例如，使用索引、避免全表扫描等。
调整Buffer Pool大小： 增加Buffer Pool大小可以减少磁盘I/O。
监控慢查询： 使用slow query log监控慢查询，并进行优化。
检查操作系统和硬件： 确保操作系统和硬件没有性能瓶颈。例如，检查CPU、内存、磁盘等资源的使用情况。

示例：

假设我们通过SHOW ENGINE INNODB STATUS发现Pending normal aio reads持续增加，说明读I/O存在瓶颈。我们可以尝试以下操作：

检查innodb_read_io_threads： 检查innodb_read_io_threads是否设置合理。如果CPU核心数较多，可以适当增加该参数的值。
检查磁盘I/O性能： 使用iostat命令监控磁盘的I/O性能。如果%util接近100%，说明磁盘已经达到瓶颈。可以考虑更换SSD或优化RAID配置。
优化SQL查询： 检查是否存在慢查询导致大量的读I/O。可以使用slow query log监控慢查询，并进行优化。
增加Buffer Pool大小： 增加Buffer Pool大小可以减少磁盘I/O。

代码示例：使用Python脚本监控AIO状态

import mysql.connector
import time

def monitor_aio(user, password, host, database):
    try:
        mydb = mysql.connector.connect(
            host=host,
            user=user,
            password=password,
            database=database
        )

        mycursor = mydb.cursor()

        while True:
            mycursor.execute("SHOW ENGINE INNODB STATUS")
            result = mycursor.fetchone()[0]

            # 提取Pending normal aio reads和Pending normal aio writes的值
            reads = 0
            writes = 0
            lines = result.splitlines()
            for line in lines:
                if "Pending normal aio reads:" in line:
                    reads = int(line.split(":")[1].strip().split(",")[0])
                if "Pending normal aio writes:" in line:
                    writes = int(line.split(":")[1].strip().split(",")[0])

            print(f"Pending AIO Reads: {reads}, Pending AIO Writes: {writes}")
            time.sleep(5) # 每5秒监控一次

    except mysql.connector.Error as err:
        print(f"Error: {err}")
    finally:
        if mydb.is_connected():
            mycursor.close()
            mydb.close()
            print("MySQL connection is closed")

# 替换为你的MySQL连接信息
monitor_aio("your_user", "your_password", "your_host", "your_database")

这个Python脚本连接到MySQL服务器，并定期执行SHOW ENGINE INNODB STATUS命令，提取Pending normal aio reads和Pending normal aio writes的值，并打印到控制台。你可以根据需要修改脚本，例如将监控数据写入到日志文件或发送到监控系统。

6. AIO的局限性

虽然AIO可以提高InnoDB的性能，但它也存在一些局限性：

操作系统支持： AIO的性能依赖于操作系统的支持。如果操作系统的AIO实现存在问题，可能会导致性能下降。
文件系统支持： 并非所有文件系统都支持AIO。例如，NFS文件系统通常不支持AIO。
配置复杂性： AIO的配置比较复杂，需要根据实际情况进行调整。
调试难度： AIO的调试难度较高，因为I/O操作是异步进行的。

总的来说，AIO是一项强大的性能优化技术，但需要根据实际情况进行评估和调整。

总结：监控AIO并优化InnoDB

InnoDB的AIO实现是提升数据库性能的关键因素。通过Performance Schema、SHOW ENGINE INNODB STATUS和系统工具，可以监控AIO性能。针对性地优化配置参数，磁盘性能和SQL查询，可以有效提升InnoDB的I/O效率，并解决潜在的性能瓶颈。

MySQL运维与监控之：MySQL的AIO（Asynchronous I/O）：其在InnoDB中的异步读写

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