MySQL存储引擎内部之：`InnoDB`的`Change Buffer`：其在`二级索引`更新中的`写入合并`优化。 - 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 InnoDB Change Buffer：二级索引更新的写入合并优化

大家好，今天我们来深入探讨MySQL InnoDB存储引擎中的一个重要特性：Change Buffer。特别是它在二级索引更新中的作用，以及如何通过写入合并来优化性能。

1. 索引及其更新的挑战

在深入Change Buffer之前，我们先回顾一下索引的基本概念以及更新索引所带来的挑战。索引本质上是一种数据结构，它允许数据库系统快速定位到表中的特定行，而无需扫描整个表。InnoDB支持多种类型的索引，包括主键索引（Clustered Index）和二级索引（Secondary Index）。

主键索引（Clustered Index）： 存储实际的数据行。数据行按照主键的顺序物理存储。
二级索引（Secondary Index）： 存储索引列的值和指向数据行的指针（通常是主键值）。二级索引允许我们通过非主键列进行快速查找。

当表中的数据发生变化（插入、更新、删除）时，不仅需要更新数据行本身，还需要维护所有相关的索引。对于主键索引，由于数据行和索引存储在一起，更新相对直接。但是，对于二级索引，更新过程可能会比较复杂，尤其是当数据行和二级索引页不在同一个内存页时。

假设我们有一个名为 users 的表，包含 id (主键), name, 和 email 字段。我们在 email 字段上创建了一个二级索引。

CREATE TABLE users (
  id INT PRIMARY KEY,
  name VARCHAR(255),
  email VARCHAR(255),
  INDEX idx_email (email)
);

当我们插入一条新的记录时：

INSERT INTO users (id, name, email) VALUES (1, 'Alice', '[email protected]');

InnoDB需要执行以下操作：

将数据行插入到主键索引中。
将 ('[email protected]', 1) (email 和 id) 插入到 idx_email 索引中。

如果 idx_email 索引页不在缓冲池（Buffer Pool）中，InnoDB就需要从磁盘读取该索引页到缓冲池，然后插入新的索引记录。这是一个相对昂贵的操作，尤其是在高并发写入的场景下。

2. Change Buffer 的引入

Change Buffer 就是为了解决上述问题而引入的。它的核心思想是：将对二级索引的变更操作（插入、更新、删除）先缓存起来，而不是立即写入磁盘上的索引页。 当需要读取这些索引页时，或者在系统空闲时，再将缓存的变更合并到磁盘上的索引页。

Change Buffer 位于共享缓冲池（Shared Buffer Pool）的一部分。它主要包含以下类型的变更：

Insert Buffer: 用于缓存插入操作。
Delete Buffer: 用于缓存删除操作（实际上是标记为删除）。
Purge Buffer: 用于真正从索引页中删除已标记为删除的记录。

当执行以下操作时，Change Buffer会发挥作用：

插入数据: 如果目标二级索引页不在缓冲池中，InnoDB会将插入操作缓存到Insert Buffer。
删除数据: InnoDB会标记数据行和二级索引中的对应记录为已删除，并将删除操作缓存到Delete Buffer。
更新数据: 更新操作可以分解为删除旧值和插入新值，因此也会涉及到Change Buffer。

3. Change Buffer 的工作原理

让我们通过一个具体的例子来说明Change Buffer的工作原理。假设我们有以下场景：

users 表已经存在，并在 email 字段上创建了二级索引 idx_email。
idx_email 索引页不在缓冲池中。
我们执行以下插入操作：

INSERT INTO users (id, name, email) VALUES (2, 'Bob', '[email protected]');

以下是InnoDB使用Change Buffer的流程：

InnoDB发现 idx_email 索引页不在缓冲池中。
InnoDB不会立即从磁盘读取 idx_email 索引页。
InnoDB将一个Insert Buffer记录插入到Change Buffer中，该记录包含以下信息：
- 索引名称：idx_email
- 插入键值：'[email protected]'
- 主键值：2

现在，Change Buffer中存在一个待合并的Insert Buffer记录。这个记录会等待在合适的时间被合并到磁盘上的 idx_email 索引页。

Change Buffer 合并 (Merge) 的触发时机：

Change Buffer中的变更最终需要合并到磁盘上的索引页。这个合并过程称为Change Buffer Merge。Merge操作会在以下情况下触发：

索引页被读取: 当需要读取 idx_email 索引页时，InnoDB会首先检查Change Buffer中是否存在针对该索引页的变更。如果有，InnoDB会将这些变更合并到内存中的索引页副本，然后将该副本提供给请求。
系统空闲时: InnoDB后台线程会定期扫描Change Buffer，并将长时间未合并的变更合并到磁盘上的索引页。
Shutdown/Checkpoint: 在数据库关闭或执行Checkpoint操作时，InnoDB会将Change Buffer中的所有变更合并到磁盘。
innodb_change_buffer_max_size 达到上限: 当Change Buffer的使用空间达到 innodb_change_buffer_max_size 配置的上限时，InnoDB会强制执行Merge操作，以释放空间。

继续上面的例子，假设我们执行以下查询：

SELECT * FROM users WHERE email = '[email protected]';

InnoDB会执行以下操作：

InnoDB尝试通过 idx_email 索引查找记录。
InnoDB发现 idx_email 索引页不在缓冲池中。
InnoDB检查Change Buffer，发现存在针对 idx_email 索引页的Insert Buffer记录。
InnoDB从磁盘读取 idx_email 索引页到缓冲池。
InnoDB将Change Buffer中的Insert Buffer记录合并到内存中的 idx_email 索引页副本。
InnoDB使用合并后的索引页查找 email = '[email protected]' 的记录，并返回结果。

4. Change Buffer 的优势和劣势

优势：

提高写入性能： 通过将对二级索引的变更操作缓存起来，减少了随机I/O操作的次数，从而提高了写入性能。特别是在高并发写入的场景下，效果更加明显。
降低磁盘I/O压力： 减少了对磁盘索引页的访问次数，降低了磁盘I/O压力，从而提高了整体系统性能。

劣势：

增加系统复杂性： Change Buffer的引入增加了InnoDB存储引擎的复杂性。
占用缓冲池空间： Change Buffer占用缓冲池的一部分空间，可能会减少其他数据页可用的缓冲池空间。
Merge操作的开销： Change Buffer Merge操作本身也需要消耗CPU和I/O资源。
可能增加读取延迟： 如果Change Buffer中存在大量未合并的变更，读取操作需要先执行Merge操作，这可能会增加读取延迟。

5. Change Buffer 的配置和监控

InnoDB提供了一些参数来配置和监控Change Buffer的行为：

参数	描述
`innodb_change_buffer_max_size`	指定Change Buffer的最大大小，以缓冲池大小的百分比表示。默认值为25。 `innodb_change_buffer_max_size = 50` 表示Change Buffer最大使用缓冲池的50%。
`innodb_change_buffering`	控制哪些类型的操作可以使用Change Buffer。 `all`: 允许所有操作（insert, delete, purge）使用Change Buffer。 `none`: 禁止所有操作使用Change Buffer。 `inserts`: 只允许插入操作使用Change Buffer。 `deletes`: 只允许删除操作使用Change Buffer。 * `purges`: 只允许Purge操作使用Change Buffer。
`innodb_change_buffer_stats_interval`	指定InnoDB定期更新Change Buffer统计信息的间隔（秒）。

可以通过以下方式查看Change Buffer的统计信息：

SHOW ENGINE INNODB STATUS;

在输出结果的 "INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX" 部分，可以找到Change Buffer的统计信息，例如：

INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX
---
Ibuf: size 1, free list len 0, seg size 2, 0 merges done
merges per second, avg 0.00 pages read, avg 0.00 segments, 0.00 row merges
...

这些统计信息可以帮助我们了解Change Buffer的使用情况，并根据实际情况调整配置。

6. Change Buffer 的适用场景

Change Buffer 并非在所有场景下都能带来性能提升。以下是一些适用Change Buffer的场景：

写入密集型应用： Change Buffer在写入密集型应用中效果最好，因为它可以显著减少随机I/O操作的次数。
二级索引更新频繁： 如果表中有大量的二级索引，并且这些索引经常被更新，Change Buffer可以有效地提高写入性能。
读写比例较低： 如果应用的读写比例较低，Change Buffer可以将写入操作延迟到系统空闲时进行合并，从而减少对读取操作的影响。

以下是一些不适用Change Buffer的场景：

读取密集型应用： 在读取密集型应用中，Change Buffer可能会增加读取延迟，因为读取操作需要先执行Merge操作。
二级索引页经常被访问： 如果二级索引页经常被访问，Change Buffer的作用会减弱，因为每次访问都需要执行Merge操作。
数据量较小： 对于数据量较小的表，Change Buffer的优势可能不明显，因为索引页通常会驻留在缓冲池中。

7. 关闭 Change Buffer 的方法和场景

虽然 Change Buffer 在很多场景下都能提升性能，但在某些特殊情况下，关闭 Change Buffer 可能更为合适。

关闭 Change Buffer 可以通过设置 innodb_change_buffering 为 none 来实现：

SET GLOBAL innodb_change_buffering = none;

以下是一些建议关闭 Change Buffer 的场景：

SSD 存储: 如果你的 MySQL 实例使用 SSD 存储，由于 SSD 的随机 I/O 性能较高，Change Buffer 带来的性能提升可能不如在传统机械硬盘上那么显著。此外，Change Buffer 的写入合并特性在 SSD 上可能反而会增加写入放大，缩短 SSD 的寿命。
只读实例 (Read-Only Instance): 在只读实例上，Change Buffer 没有任何作用，反而会占用缓冲池空间。因此，建议在只读实例上关闭 Change Buffer。
高度读取密集型应用: 如前所述，在高度读取密集型应用中，Change Buffer 可能会增加读取延迟。如果读取性能对你的应用至关重要，可以考虑关闭 Change Buffer。
足够大的 Buffer Pool: 如果你的 Buffer Pool 足够大，能够容纳大部分甚至全部的二级索引页，那么 Change Buffer 的作用也会降低。因为索引页已经常驻内存，不需要频繁地从磁盘读取。
需要保证数据强一致性的场景: Change Buffer 的存在使得二级索引的更新变为异步操作。在需要保证数据强一致性的场景下 (例如金融交易)，关闭 Change Buffer 可以避免因 Change Buffer 未合并导致的数据不一致问题。

注意事项:

关闭 Change Buffer 会直接影响写入性能，因此在做出决定之前，务必进行充分的测试和评估。可以通过 SHOW ENGINE INNODB STATUS 命令来监控 Change Buffer 的使用情况，并根据实际情况进行调整。

8. 一些更深入的思考

Change Buffer 是 InnoDB 为了提升二级索引写入性能而设计的一种机制。它通过将随机写转化为批量顺序写，有效地降低了磁盘 I/O 压力。然而，Change Buffer 也并非银弹，它会增加系统的复杂性，并带来一些潜在的性能问题。

在使用 Change Buffer 时，我们需要充分了解其工作原理，并根据实际应用场景进行合理的配置。监控 Change Buffer 的使用情况，并根据统计信息进行调整，可以帮助我们更好地利用 Change Buffer，提升数据库的整体性能。

在未来的发展中，我们可以期待 InnoDB 进一步优化 Change Buffer 的实现，例如：

更智能的 Merge 策略: 根据索引页的访问频率和变更量，动态调整 Merge 的时机和频率。
更细粒度的控制: 允许用户更细粒度地控制哪些索引可以使用 Change Buffer。
与新硬件的结合: 充分利用 NVMe SSD 等新型存储介质的特性，进一步提升 Change Buffer 的性能。

9. 总结

Change Buffer是InnoDB存储引擎中用于优化二级索引更新的重要组件。通过将对二级索引的变更操作缓存起来，减少了随机I/O操作的次数，从而提高了写入性能。了解Change Buffer的工作原理、配置方法以及适用场景，可以帮助我们更好地利用这一特性，提升数据库的整体性能。但是，它也不是万能的，需要根据具体的场景来权衡利弊，必要的时候也可以关闭。