MySQL存储引擎之：`InnoDB`的`Change Buffer`：其在`DML`操作中的`写入合并`机制。 - 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

好的，我们开始今天的讲座，主题是MySQL InnoDB存储引擎中的Change Buffer，以及它在DML操作中的写入合并机制。

引言：为什么要Change Buffer？

在深入Change Buffer的细节之前，我们首先要理解它的存在意义。InnoDB是MySQL中最常用的存储引擎，它以数据页（Data Page）为基本存储单位，通常为16KB大小。当我们需要修改数据时，InnoDB首先要将数据页从磁盘加载到Buffer Pool（内存中的一块区域）。

但是，如果待修改的数据页不在Buffer Pool中，InnoDB就需要先从磁盘读取该页，再进行修改，然后才能将修改后的数据页写回磁盘。这是一个相对耗时的操作，尤其是对于随机写入的场景。

对于非唯一索引（Secondary Index）的更新，情况更加复杂。由于非唯一索引的更新相对频繁，如果每次更新都立即同步到磁盘，将会带来巨大的I/O开销，严重影响数据库的性能。

Change Buffer就是为了解决这个问题而生的。它的核心思想是：对于非唯一索引页的修改，如果该页不在Buffer Pool中，InnoDB会先将这些修改缓存到Change Buffer中，而不是立即从磁盘读取该页并执行修改。这样，可以显著减少磁盘I/O，提高DML操作的性能。

Change Buffer的工作原理

Change Buffer本质上是Buffer Pool的一部分，它专门用来缓存对不在Buffer Pool中的非唯一索引页的修改操作。这些修改操作包括：

INSERT: 插入一条新的索引记录。
UPDATE: 更新索引记录的值。
DELETE: 删除一条索引记录。

当执行以上DML操作时，InnoDB会检查目标非唯一索引页是否在Buffer Pool中。如果不在，则会将相应的修改操作记录到Change Buffer中，而不是直接修改磁盘上的索引页。这个过程称为Change Buffer写入。

随后，在适当的时机，InnoDB会将Change Buffer中的修改操作应用到磁盘上的索引页。这个过程称为Change Buffer合并（Merge），也叫做Purge。

Change Buffer的优点

减少磁盘I/O: 通过缓存修改操作，避免了频繁的磁盘读取，从而提高了DML操作的性能，尤其是对于大量随机写入的场景。
提高系统吞吐量: 减少了I/O等待时间，使得数据库可以处理更多的并发请求。

Change Buffer的缺点

增加了系统复杂度: 引入了额外的缓存机制，需要维护Change Buffer的元数据和合并逻辑。
潜在的数据丢失风险: 如果数据库在Change Buffer中的修改尚未合并到磁盘时发生崩溃，可能会导致数据丢失。当然，InnoDB的崩溃恢复机制可以尽量减少数据丢失，但仍然存在一定的风险。
合并过程会消耗资源: Change Buffer的合并是一个后台操作，会消耗CPU和I/O资源，可能会对前台查询产生一定的影响。

Change Buffer的适用场景

Change Buffer特别适合以下场景：

写多读少的应用: 例如，日志系统、消息队列等，这些应用通常需要频繁写入数据，而读取操作相对较少。
批量写入操作: 例如，数据导入、批量更新等，这些操作通常涉及大量的数据修改。
非高峰时段的写入操作: 例如，在夜间或闲时执行数据备份或维护操作。

Change Buffer并不适合以下场景：

读多写少的应用: 例如，OLTP系统，这些应用通常需要频繁读取数据，而写入操作相对较少。在这种情况下，Change Buffer可能无法带来明显的性能提升，反而会增加系统的复杂度。
对数据一致性要求非常高的应用: 由于Change Buffer存在潜在的数据丢失风险，对于金融系统等对数据一致性要求非常高的应用，需要谨慎使用。
经常修改的索引是唯一索引: Change Buffer只对非唯一索引有效。

Change Buffer的参数配置

InnoDB提供了多个参数来控制Change Buffer的行为：

参数名	默认值	描述
`innodb_change_buffer_max_size`	25	指定Change Buffer的最大大小，占Buffer Pool总大小的百分比。例如，如果Buffer Pool的大小为1GB，`innodb_change_buffer_max_size`设置为25，则Change Buffer的最大大小为250MB。该参数的取值范围是0到50。
`innodb_change_buffering`	all	指定哪些类型的操作可以被缓存到Change Buffer中。可选值包括：`all`（所有类型的操作），`none`（禁用Change Buffer），`inserts`（仅缓存INSERT操作），`deletes`（仅缓存DELETE操作），`changes`（缓存INSERT和DELETE操作），`purges`（缓存后台的purge操作）。
`innodb_change_buffer_purge_interval`	0	指定Change Buffer合并操作的频率。该参数表示在Change Buffer中积累了多少个修改操作后，触发一次合并操作。默认值为0，表示由InnoDB自动管理合并操作的频率。
`innodb_change_buffer_purge_sleep`	0	指定Change Buffer合并操作的睡眠时间。该参数表示在每次合并操作完成后，睡眠多长时间后再次执行合并操作。默认值为0，表示不睡眠。

查看Change Buffer的状态

可以通过SHOW ENGINE INNODB STATUS命令来查看Change Buffer的状态信息。在输出结果中，可以找到INSERT BUFFER AND ADAPTIVE HASH INDEX部分，其中包含了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
merged operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0
discarded operations:
 insert 0, delete mark 0, delete 0
Hash table size 17071, node heap 144 total bytes
1.00 hash searches/s, 0.00 non-hash searches/s

关键的指标包括：

Ibuf: size: Change Buffer中已使用的页数。
Ibuf: free list len: Change Buffer中空闲的页数。
merged operations: 已合并的各种类型的操作数量。

Change Buffer的合并（Purge）过程

Change Buffer的合并是一个后台操作，由InnoDB的后台线程负责执行。合并操作的触发时机包括：

系统空闲时: 当系统负载较低时，InnoDB会主动执行合并操作，以释放Change Buffer的空间。
Change Buffer达到阈值时: 当Change Buffer的使用量达到innodb_change_buffer_max_size所设定的阈值时，InnoDB会强制执行合并操作。
读取到需要合并的索引页时: 当查询需要读取一个位于磁盘上，但存在于Change Buffer中的索引页时，InnoDB会先将Change Buffer中的修改应用到该索引页，然后再返回查询结果。
数据库关闭时: 在数据库关闭之前，InnoDB会确保将Change Buffer中的所有修改都合并到磁盘上，以保证数据的一致性。

合并操作的具体步骤如下：

读取磁盘上的索引页: 将需要合并的索引页从磁盘读取到Buffer Pool中。
应用Change Buffer中的修改: 将Change Buffer中对该索引页的修改操作应用到Buffer Pool中的索引页。
将修改后的索引页写回磁盘: 将Buffer Pool中修改后的索引页写回磁盘。
从Change Buffer中移除已合并的修改操作: 将Change Buffer中已合并的修改操作从Change Buffer中移除。

代码示例：Change Buffer的影响

为了更直观地展示Change Buffer的影响，我们可以通过一个简单的实验来验证。

首先，创建一个测试表：

CREATE TABLE `test_change_buffer` (
  `id` int(11) NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `value` varchar(255) DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`),
  KEY `idx_value` (`value`)
) ENGINE=InnoDB;

这个表包含一个主键id和一个非唯一索引idx_value。

然后，插入大量数据：

DELIMITER $$
CREATE PROCEDURE insert_data(IN num_rows INT)
BEGIN
  DECLARE i INT DEFAULT 0;
  WHILE i < num_rows DO
    INSERT INTO test_change_buffer (value) VALUES (md5(rand()));
    SET i = i + 1;
  END WHILE;
END$$
DELIMITER ;

CALL insert_data(100000);

这个存储过程会向test_change_buffer表中插入10万条数据。

接下来，我们可以分别在启用和禁用Change Buffer的情况下，测试插入数据的性能。

禁用Change Buffer:

SET GLOBAL innodb_change_buffering = 'none';

执行插入操作，并记录耗时：

CALL insert_data(100000);

启用Change Buffer:

SET GLOBAL innodb_change_buffering = 'all';

执行插入操作，并记录耗时：

CALL insert_data(100000);

通过比较两次插入操作的耗时，我们可以观察到Change Buffer对性能的影响。一般来说，启用Change Buffer后，插入操作的性能会显著提高。

代码示例：模拟Change Buffer的合并

虽然我们无法直接控制InnoDB Change Buffer的合并过程，但可以通过一些技巧来模拟合并操作。

假设我们已经向test_change_buffer表中插入了一些数据，并且Change Buffer中积累了一些对idx_value索引的修改操作。

为了模拟合并操作，我们可以执行以下查询：

SELECT * FROM test_change_buffer WHERE value = '某个已存在的值';

如果某个已存在的值对应的索引页不在Buffer Pool中，InnoDB会先将Change Buffer中的修改应用到该索引页，然后再执行查询。这个过程类似于Change Buffer的合并操作。

通过观察查询的耗时，我们可以间接感受到Change Buffer合并的影响。

Change Buffer与Double Write Buffer的关系

Change Buffer和Double Write Buffer是InnoDB中两种不同的缓冲机制，它们的作用也不同。

Change Buffer: 用于缓存对非唯一索引页的修改操作，以减少磁盘I/O。
Double Write Buffer: 用于保证数据页写入的原子性，防止因操作系统崩溃导致的数据页损坏。

Double Write Buffer位于共享表空间中，它由两部分组成：一部分是连续的内存区域，另一部分是磁盘上的连续区域。当InnoDB需要将一个数据页写入磁盘时，它会首先将该数据页写入Double Write Buffer的内存区域，然后写入磁盘上的Double Write Buffer区域，最后才将数据页写入实际的数据文件。

如果在数据页写入过程中发生崩溃，InnoDB可以通过Double Write Buffer来恢复数据页，从而保证数据的完整性。

总结: Change Buffer是InnoDB优化DML性能的重要手段

Change Buffer是InnoDB存储引擎中一项重要的优化技术，通过缓存对非唯一索引页的修改操作，减少磁盘I/O，从而提高DML操作的性能。但Change Buffer也存在一些缺点，例如增加了系统复杂度和潜在的数据丢失风险。因此，在使用Change Buffer时，需要根据具体的应用场景进行权衡。

如何选择是否启用Change Buffer

根据读写比例，数据一致性要求，以及硬件资源来评估。写多读少的应用场景收益最高。

Change Buffer的未来发展方向

未来的发展方向可能会集中在更智能的合并策略，以及更高效的存储结构上，以进一步提高Change Buffer的性能和可靠性。

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