MySQL的`InnoDB`的`Doublewrite Buffer`：如何利用`innodb_doublewrite=0`来关闭它以获得极致性能？

好的，让我们开始这次关于MySQL InnoDB Doublewrite Buffer的深入探讨，以及在特定场景下关闭它以追求极致性能的策略。

讲座：InnoDB Doublewrite Buffer的奥秘与关闭策略

各位晚上好，今天我们来聊聊MySQL InnoDB存储引擎中一个重要的特性——Doublewrite Buffer。很多人都知道Doublewrite是为了数据安全，但很少有人真正理解它的工作原理以及在特定情况下关闭它带来的性能提升。今天，我将深入剖析Doublewrite，并探讨如何在保证数据安全的前提下，通过innodb_doublewrite=0来释放极限性能。

一、Doublewrite Buffer：数据安全的守护神

首先，我们需要明确Doublewrite Buffer的作用。它主要用于解决“partial page write”问题。

什么是“partial page write”？在数据库系统中，数据是以页（Page）为单位进行读写的。InnoDB的页大小通常是16KB。当MySQL server向磁盘写入一个Page时，如果发生意外（例如断电），可能只写入了Page的一部分，导致Page数据损坏，这就是“partial page write”。

Doublewrite Buffer的工作流程如下：

1. 写入Doublewrite Buffer： 当InnoDB要将一个Page写入数据文件时，它首先将该Page写入到Doublewrite Buffer。Doublewrite Buffer位于共享表空间中，是一块连续的存储区域。

2. 刷新Doublewrite Buffer到磁盘： InnoDB会定期将Doublewrite Buffer中的数据刷新到磁盘上。这个过程是顺序写入，效率较高。

3. 写入实际数据文件： 然后，InnoDB才会将Page写入到实际的数据文件（例如.ibd文件）。

4. 恢复过程： 如果在写入实际数据文件时发生崩溃，InnoDB在重启后会检查Doublewrite Buffer。如果发现Doublewrite Buffer中存在尚未写入到数据文件的Page副本，则InnoDB会从Doublewrite Buffer中恢复这些Page，从而避免数据损坏。

可以用如下表格来总结：

步骤	描述	目的
1. 写入Doublewrite Buffer	InnoDB将Page写入到共享表空间中的Doublewrite Buffer。	确保即使在实际数据文件写入过程中发生崩溃，也能从Doublewrite Buffer中恢复完整的Page。
2. 刷新Doublewrite Buffer到磁盘	InnoDB定期将Doublewrite Buffer中的数据刷新到磁盘。这是一个顺序写入操作。	将Doublewrite Buffer中的数据持久化到磁盘，以备崩溃恢复时使用。
3. 写入实际数据文件	InnoDB将Page写入到实际的数据文件（例如.ibd文件）。	将数据最终写入到数据文件中。
4. 恢复过程	如果在写入实际数据文件时发生崩溃，InnoDB在重启后会检查Doublewrite Buffer。如果发现Doublewrite Buffer中存在尚未写入到数据文件的Page副本，则InnoDB会从Doublewrite Buffer中恢复这些Page。	防止因“partial page write”导致的数据损坏。

二、Doublewrite Buffer带来的性能损耗

Doublewrite Buffer通过提供数据安全保障，但也带来了性能损耗。主要表现在以下几个方面：

1. 额外的I/O： 每次写入Page都需要先写入Doublewrite Buffer，再写入实际数据文件，相当于增加了一倍的I/O操作。

2. 顺序写入的竞争： 所有Page的Doublewrite都集中在共享表空间的Doublewrite Buffer，这可能导致顺序写入的竞争，降低写入效率。

3. 延迟： Doublewrite操作增加了写入的延迟，尤其是在高并发写入场景下，延迟会更加明显。

三、innodb_doublewrite=0：关闭Doublewrite的风险与收益

既然Doublewrite Buffer会带来性能损耗，那么我们是否可以关闭它呢？答案是：在特定情况下，可以。但是，关闭Doublewrite Buffer存在一定的风险。

风险：

• 数据损坏： 如果在写入Page的过程中发生崩溃，可能会导致数据损坏，因为没有Doublewrite Buffer提供数据恢复。

收益：

• 显著的性能提升： 关闭Doublewrite Buffer可以减少I/O操作，降低写入延迟，从而显著提升数据库的写入性能。特别是在I/O瓶颈的场景下，性能提升会更加明显。

四、何时可以关闭Doublewrite Buffer？

关闭Doublewrite Buffer的前提是：你的存储系统能够保证原子写入。

什么是原子写入？原子写入是指：在写入一个Page的过程中，要么完全成功，要么完全失败，不会出现写入一半的情况。

以下是一些可能满足原子写入条件的存储系统：

1. 带有电池保护的RAID卡： 带有电池保护的RAID卡通常可以保证原子写入。即使发生断电，电池也可以维持RAID卡正常工作一段时间，确保数据完全写入磁盘。

2. 高级存储阵列： 一些高级存储阵列也提供了原子写入的保证。你需要查阅存储阵列的文档，确认是否支持原子写入。

3. 使用ZFS文件系统的存储： ZFS文件系统通过Copy-on-Write机制，也能够提供一定程度的原子写入保证。

注意：

• 不要轻易关闭Doublewrite Buffer： 除非你非常确定你的存储系统能够保证原子写入，否则不要轻易关闭Doublewrite Buffer。
• 测试： 在生产环境中关闭Doublewrite Buffer之前，务必在测试环境中进行充分的测试，以确保数据安全。
• 监控： 关闭Doublewrite Buffer后，要密切监控数据库的运行状态，关注是否有数据损坏的风险。

五、关闭Doublewrite Buffer的步骤

如果确认你的存储系统能够保证原子写入，并且你已经进行了充分的测试，那么可以按照以下步骤关闭Doublewrite Buffer：

1. 修改MySQL配置文件（my.cnf）：

   [mysqld]
   innodb_doublewrite=0

2. 重启MySQL服务：

   sudo systemctl restart mysql

3. 验证Doublewrite Buffer是否已关闭：

   SHOW GLOBAL VARIABLES LIKE 'innodb_doublewrite';

   如果Value为OFF，则表示Doublewrite Buffer已成功关闭。

六、代码示例：性能测试与对比

为了更直观地了解关闭Doublewrite Buffer带来的性能提升，我们可以进行一些简单的性能测试。

测试环境：

• MySQL 8.0
• Linux Server
• SSD存储

测试工具：

• sysbench

测试脚本：

-- oltp_read_write.lua
-- sysbench LUA script for read/write benchmark

local table_name = "sbtest"
local table_size = 1000000
local num_threads = 8
local time = 60

function thread_init(thread_id)
    -- Initialize connection to database
    local db = sysbench.connect()
    db:query("USE sbtest")
    return db
end

function event(thread_id)
    local db = sysbench.thread_db
    local id = math.random(1, table_size)

    -- Read
    local rs = db:query("SELECT c FROM " .. table_name .. " WHERE id=" .. id)
    local row = rs:fetch()
    local c = row.c

    -- Write
    local rnd = string.rep("x", math.random(1, 100))
    db:query("UPDATE " .. table_name .. " SET c='" .. rnd .. "' WHERE id=" .. id)

    -- Commit
    db:query("COMMIT")
end

function thread_done(thread_id)
    -- Close connection to database
    sysbench.thread_db:disconnect()
end

测试步骤：

1. 准备测试环境： 创建数据库，导入测试数据。

   mysql -u root -p -e "CREATE DATABASE sbtest;"
   mysql -u root -p sbtest < /usr/share/sysbench/oltp_read_write.lua
   mysql -u root -p -e "CREATE TABLE sbtest.sbtest (id INT PRIMARY KEY, k INT, c VARCHAR(120), pad VARCHAR(60)) ENGINE=InnoDB;"
   mysql -u root -p -e "INSERT INTO sbtest.sbtest SELECT seq, RAND() * 1000, REPEAT('x', 100), REPEAT('y', 50) FROM seq_1_to_1000000;"

2. 运行sysbench测试（Doublewrite Buffer开启）：

   sysbench --threads=$num_threads --time=$time --db-driver=mysql --mysql-host=127.0.0.1 --mysql-user=root --mysql-password=your_password --mysql-db=sbtest /usr/share/sysbench/oltp_read_write.lua run

3. 关闭Doublewrite Buffer：

   [mysqld]
   innodb_doublewrite=0

   重启MySQL服务。

4. 运行sysbench测试（Doublewrite Buffer关闭）：

   sysbench --threads=$num_threads --time=$time --db-driver=mysql --mysql-host=127.0.0.1 --mysql-user=root --mysql-password=your_password --mysql-db=sbtest /usr/share/sysbench/oltp_read_write.lua run

5. 对比测试结果： 记录TPS（Transactions Per Second）和QPS（Queries Per Second），对比Doublewrite Buffer开启和关闭时的性能差异。

预期结果：

在I/O瓶颈的场景下，关闭Doublewrite Buffer后，TPS和QPS会有显著提升。

七、其他优化策略

除了关闭Doublewrite Buffer，还有一些其他的优化策略可以进一步提升InnoDB的性能：

1. 调整innodb_flush_log_at_trx_commit参数：

   • innodb_flush_log_at_trx_commit=1（默认值）：每次事务提交时，将日志缓冲区的数据刷新到磁盘，安全性最高，性能最低。
   • innodb_flush_log_at_trx_commit=0：每秒将日志缓冲区的数据刷新到磁盘，安全性较低，性能较高。
   • innodb_flush_log_at_trx_commit=2：每次事务提交时，将日志缓冲区的数据写入到操作系统缓冲区，由操作系统决定何时刷新到磁盘，安全性中等，性能中等。

   在可以接受一定数据丢失风险的情况下，可以将innodb_flush_log_at_trx_commit设置为0或2，以提升性能。

2. 调整innodb_io_capacity参数：

   innodb_io_capacity参数控制InnoDB后台刷新线程的I/O能力。增加innodb_io_capacity的值可以提高后台刷新线程的I/O能力，从而更快地将脏页刷新到磁盘。

3. 使用高性能存储：

   使用SSD存储可以显著提升数据库的I/O性能。

4. 优化SQL语句：

   优化SQL语句可以减少数据库的I/O操作，从而提升性能。

5. 合理设置缓冲池大小（innodb_buffer_pool_size）：

   缓冲池是InnoDB用于缓存数据和索引的内存区域。合理设置缓冲池大小可以提高数据访问的效率。通常建议将缓冲池大小设置为物理内存的70%-80%。

总结：权衡风险与收益，谨慎选择

InnoDB Doublewrite Buffer是一项重要的数据安全特性，但在特定情况下，关闭它可以带来显著的性能提升。然而，关闭Doublewrite Buffer存在一定的风险，需要权衡风险与收益，谨慎选择。只有在你的存储系统能够保证原子写入，并且你已经进行了充分的测试，才能考虑关闭Doublewrite Buffer。同时，还需要密切监控数据库的运行状态，关注是否有数据损坏的风险。

保证原子写入是关键

关闭Doublewrite Buffer能否带来性能提升，其关键在于存储层能否提供原子写入的保证。确保硬件和文件系统在崩溃时不会产生部分写入，这是安全关闭Doublewrite Buffer的前提。

性能提升需要可靠的基石

关闭Doublewrite Buffer能够显著提升数据库的写入性能，尤其是在I/O密集型场景下。但这种性能提升必须建立在数据安全的基础上，确保在任何情况下数据都不会丢失或损坏。